赵 强

（泰安市环保局，山东 泰安 271000）

等离子体技术在大气污染治理中的作用

赵 强

（泰安市环保局，山东 泰安 271000）

在工业技术快速发展的趋势下，工业生产中排行的废气种类及数量不断上升，而传统的化学-物理治理方法已经无法满足处理的需要，等离子体技术应运而生。作为一种全新的技术，它具有适用范围广、无二次污染、能耗低、效率高等特点，在大气污染治理中，能够加快化学反应速率，彻底分解污染物，达到良好的治理效果。本文就对等离子体技术在大气污染治理中的作用进行分析，说明该技术在大气污染治理中具有广阔的应用前景。

等离子体技术；大气污染；治理

随着社会经济的发展，工业发展的速度明显加快，人们越来越重视环境问题，但社会活动的增加和对环境的忽视导致环境污染问题愈发严重，大气污染状况持续恶化，其已经成为世界范围内的环境问题[1]。传统的大气净化方法处理效低下，已经无法满足实际的要求，因此需要探索全新的大气污染治理技术，如等离子体技术等，从而为人们营造健康、舒适的环境，促进社会经济的可持续发展。

1 等离子体技术概述

等离子体主要由大量中性粒子和正负带电粒子构成，被激发的电离气体是达到一定电离度的导电性流体，每一带电粒子的运动都会对周围的带电粒子产生影响或造成约束，表现为集体行为的准中性非凝聚系统，与气态、液态、固态并列，是物质存在的一种基本形态。等离子体有多种分类方法，按照离子温度和电子温度是否达到平衡，等离子体可以分为完全热力学平衡等离子体、局域热力学平衡等离子体、非热力学平衡等离子体。当等离子体处于完全热力学平衡状态时，电子温度与中性粒子温度、离子温度相等，温度多维持在5×103K以上；局域热力学平衡等离子体，是指局部处于热力学平衡的等离子体；而当等离子体处于非热力学平衡状态时，电子温度高达1×104K，但是中性粒子和离子的温度相对较低，只有300～500 K。按照系统温度的不同，等离子体又可分为高温等离子体和低温等离子体。

对于等离子技术来说，其应用会因特点的不同而有所不同，例如，高温等离子体是以等离子体的物理特性为依据而形成的，但低温等离子技术则是借助高能电子参与形成的化学与物理反应过程，解决普通气体、高温等离子体无法完成的问题[2]。通常废气中污染物含有较低的浓度，利用低温等离子体技术进行废气处理，不仅能实现污染物治理的目的，又能达到节能的目的，因此大气污染治理中多运用低温等离子体技术。

等离子体技术在大气污染治理中的应用研究始于20世纪80年代，当前该技术在处理“三废”方面的研究获得了良好的成效，但其具体研究尚处于初级阶段，无法大规模应用。对于等离子体而言，其空间富集的离子、电子、自由基、分子等，都属于极为活泼的反应性物种，如氢等离子体中富集了高活性的原子氢；此外，有机物、水、氧气等也可组成各自不同的等离子体，继而构成不同的高活性物种。

一般情况下，利用等离子体治理有害气体，通过放电而形成的高能电子往往起着决定性作用，而离子热运动只发挥辅助性的功效；在常压情况下，气体通过放电而形成的电子温度明显高于气体的温度，利用这一特性治理有害气体，能够实现极为重要的能量价值。气体的分子或原子与高能电子发生非弹性的碰撞之后，产生的能量能够转为基态分子的内能，从而发生激发、电离、离解等过程，使气体始终处于活性的状态，产生大量的强氧化性基团，如O3、活性基团，或者是生成由单一气体原子构成的固体微粒和单原子分子、单质原子[3]。总之，由O3和自由基等构成的活性粒子所发生的化学反应，能够有效转化废气中的有害物质，使其变为无害物质，减轻环境污染。

2 等离子体技术在大气污染治理中的作用

2.1 脱除氮氧化物

大气污染物中最受关注的成分就是NO和NO2，其中NO2易溶于水，但NO的水溶性差，而排到大气中的95%以上是NO。因此，NO的氧化是氮氧化物控制的关键。采用低温等离子体技术将NO氧化成NO2，第二阶段吸收NO2，这样NOX去除率可保持在95%～99%。

2.1.1 氧化还原与电控结合法

该方法主要是结合还原催化技术和电控技术、电喷技术和三元催化转化器，旨在去除汽车尾气中的NOX。一般使用的三元催化转化器是在蜂窝状陶瓷载体中负载催化元素铑、铂、钯等贵金属，制成有着不锈钢外壳的罐状物，将其装设在车辆的排气管上。这样车辆排放尾气时，由于载体的表面积较大，利用三元催化转化器将尾气中的NOX氧化为H2O、N2等低害或无害物质。

2.1.2 与催化活化协同脱除法

NOX脱除的理想路径就是不需使用还原剂直接分解NOX，使其转化为O2和N2。这可以分为三个方向：（1）电化学技术：以金属氧化物涂覆的金属电极对为基础，施加5 mV的直流电压，以便NO在阴极分解为O2和N2。这一方法尚处于探索的阶段，达到的分解活性水平不高。（2）催化分解技术：当前经过第二金属组分改性的催化剂或Cu-ZSM-5系统催化剂，在富氧前提下无法保持稳定的分解活性[4]。（3）催化技术与等离子体技术相结合：将催化剂和等离子进行协同，可以使NO的分解率达到99%，但这样的方式具有较高的能耗；温度超过573℃时，催化与等离子体协同作用下可能会让O2和N2转化为浓度较高的氮氧化物，因此需要在低温下进行空气中污染物的脱除工作。

2.1.3 氧化兼催化还原法

按照等离子体氧化兼催化还原法，NOX可分为两个低温等离子体，在碳氢化合物和氧存在的前提下，其可以将汽车尾气中NO氧化为NO2；然后在催化还原过程中，激活和氧化等离子体中含有碳氢化合物的混合体系与NO2中间体，通过催化作用来选择性还原H2O、CO2、N2、NO2等。

2.2 脱硫

当前大规模商业化使用的脱硫方式就是燃烧后烟气脱硫技术，这也是控制酸雨和SO2污染的重要技术。

2.2.1 氧化兼非催化还原法

该方法是指以还原剂为基础，利用等离子体的放电反应来去除尾气中的有害气体，在此基础上借助反应器的电机结构，在电极尖端会出现局部间歇性的放大电场，这样反应器中的尾气会与还原剂进行反复的接触，然后还原去除。

2.2.2 脉冲电晕法

脉冲电晕等离子体的电子温度可达数万度，能在低温和常温保持适中的能量，脱除硫氧化合物，该技术也是处理脱除SO2的研究热点。通常情况下，将脉冲电晕和氨协同，有利于提高SO2脱除率，这是因为脉冲电晕放电形成的气体只对SO2产生作用，使SO2的脱除率达9%～15%，协同作用下则达90%。

2.2.3 电子束照射法

该方法主要是以电子加速器为基础，产生高能电子束，然后借助辐照烟气形成活性物质，使分子之间发生化学反应；接着让进入喷雾冷却塔的静电除尘烟气所喷射的冷却水在蒸发气化的基础上，使烟气冷却与饱和温度相接近，然后进入反应器产生高能电子照射，继而产生大量原子、自由基、离子等，将NOX氧化成硝酸。另外，反应器中的雾状液态氨与硝酸产生化学反应后生成硝酸铵的粉状粒子，通过静电除尘的方式捕集产品微粒，让净化后的烟气排向大气[6]。总之，此方法不会产生废水与废渣，脱硫率可达90%，副产物也可作为农肥加以使用，但这一方法需要庞大的放射线防护装置和电子枪，而这些设备的价格相对昂贵，电能消耗高且维护工作量大。

2.3 降解挥发性有机化合物

挥发性有机化合物的毒性极强，种类繁多，属于大气污染物之一，会直接危害到人体与其他生物体，破坏臭氧层，导致温室效应的出现。近些年研究的特点就是利用等离子体技术降解有机污染物，如在常压下借助低温等离子体去除挥发性有机物，降解H2O和CO2等，这也是处理大流量、高流速、低浓度挥发性有机废气的有效方式[7]。通过实验研究消除静电后飞灰中的挥发性有机物变化，即将脉冲电压加在不均匀的电击系统中，让离子变为绝缘体的空气，以便形成的粒子通过自由运动，进入到较小场强的电极，从而实现电荷的迁移过程，即VOC离子化。通常情况下，针尖处具有较高的场强，存在许多高温且高速的电子，可以解决针尖附件的VOC分子，进一步转化与分解飞灰中的有机毒害物质。

2.4 去除其他有机化合物

全氟化碳在大气压的长时间作用下会吸收具有惰性、无腐蚀性、红外辐射的气体，多在制作半导体的过程中产生，若出现泄露则会加快全球气候的变暖，而使用装有氮气的燃烧装置，可以使SF6、NF3、C2F6的脱除率达到90%。由于CF4缺乏较高的稳定性消除率，利用燃烧的形式对PFCS进行处理，往往需要花费较高的成本，极易形成不完全燃烧产物与NOX。非平衡等离子体技术涉及绝缘体屏蔽放电、微波等离子体、电弧等离子体、表面等离子体等，但该技术产生的部分副产物有毒且相对复杂，危害环境与人体[8]。作为一种高效的脱除PFCS方法，将催化作用与等离子技术相结合，C2F6和CF4的脱除率分别达83%与66%。实验表明，在室温和常压的前提下提高频率、增加电压，或者采用超过7 kV的电压，都有利于脱除CF4，并且电压上升到9～12 kV时的脱除率增加6%～33%。

3 结语

等离子体技术作为一种新型高效的技术，具有无二次污染、适用范围广、治理效率高、运行和投资费用低等优点，在大气污染治理中具有十分广阔的应用前景。但是由于诸多因素的影响，如长寿命，窄脉冲，大功率的高压脉冲电源处于研究阶段，感应器和电源的有效匹配问题尚未解决等，该技术在现阶段的应用中还需解决高能耗、放电参数的控制等问题。随着这些问题的不断解决，等离子体技术将会为污染控制与环境保护提供强有力的技术保障。

1 耿雪威.低温等离子体协同催化降解甲硫醚的实验研究[D].杭州：浙江大学，2016.

2 戎晓林.热等离子体技术在有机废气处理工程中的应用研究[D].广州：广州大学，2016.

3 郝硕硕.低温等离子体处理含汞废气的研究[D].北京：华北电力大学，2016.

4 黄 智，郭玉芳.低温等离子体催化技术推广方面的难点问题[J].工业催化，2015，（7）：499-504.

5 曹军骥，黄 宇.纳米光催化技术在大气污染治理中的应用[J].科技导报，2016，（17）：64-71.

6 车豪杰.基于等离子体技术净化有害气体的研究与应用[D].北京：北京邮电大学，2015.

7 王爱华.等离子体协同催化技术处理挥发性有机物的研究[D].北京：北京工业大学，2015.

8 曹春梅.非平衡等离子体脱除NO的数值模拟研究[D].北京：华北电力大学，2012.

The Role of Plasma Technology in Air Pollution Control

Zhao Qiang
(Tai'an Municipal Environmental Protection Bureau, Tai'an 271000, China)

With the rapid development of industry and technology trends, and the number of types of waste gas ranking rise in industrial production, and the traditional methods of chemical and physical treatment has been unable to meet the need of treatment, plasma technology. As a new technology, it has wide application range, no two pollution, low energy consumption,high efficiency, in air pollution control, can accelerate the rate of chemical reaction, complete decomposition of pollutants, to achieve good governance effect. This paper analyzes the role of plasma technology in air pollution control, and shows that this technology has broad application prospects in air pollution control.

plasma technology; air pollution; control

X51

A

1008-9500(2017)09-0113-03

2017-07-16

赵强（1974-），男，山东泰安人，工程师，研究方向：大气污染。