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等离子净化.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.00M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    用于废气净化的等离子体研究 通信 082 吴立平 3080431073 1 引言 随着经济和科学技术的快速发展，人们生活水平的不断提高，越来越多的人 工合成物质涌现在人们眼前，在给人类生活带来方便的同时，也影响着人类的生 存环境。特别是在一些工业废气中含有大量有毒有害气体，为此开展废气的治理 技术研究，已经成为环境工程领域亟需解决的重大问题。其中较为引人注目的是 低温等离子净化技术，非平衡等离子体技术去除气体污染物的基本原理是：通过 电子束照射或高电压放电形式获得的非热平衡等离子体内，有大量的高能电子及 高能电子激励产生活性粒子，将有害气体污染物氧化成无害物或低毒物。由于低 温较平衡等离子体易于产生，在环保领域有着广泛的应用前景。 2 等离子体净化技术概况 80年代以来，等离子体应用于处理各类污染物成为国内外研究的热点之一。 低温等离子体与化学技术结合形成崭新的领域—低温等离子体化学，低温等离子 体化学反应涉及材料的浅表面，具有不损伤材料基质、节水、节能、降低成本、 无公害等优点，而且有可能实现传统的化学反应所不能实现的反应，在太阳能光 电池、大规模集成电路(LSI)等电子学领域的应用，金属氮化膜的制造、医用生 体材料的表面改性、功能性薄膜的制造等领域的迅速发展及实用化效果引起广泛 关注。在纺织加工领域，对应于产品的高附加价值化和环境保护的要求，期待开 发出与传统技术从原理上完全不同的新技术。近年来的研究已提出利用低温等离 子体化学改革传统纺织品加工技术，并预言这是2l世纪对环境保护、保障经济可 持续发展最具应用前景的革新技术。等离子体技术也应用于烟道气的脱硫和脱 硝，降解芳香烃，及硫化氢等物质。 等离子体技术应用于环境污染治理的研究取得了很多进展，在治理烟道气 方面有了很大改进，获得了一些新的成果，但是单纯的低温等离子体技术存在一 定的缺点，离大规模工业应用还有一定的距离，需要进行改进或者跟其他工艺有 机地结合。研究表明低温与催化剂联用技术治理废气在减少能耗和提高降解率等
    方面存在显著的优势，成为当今废气治理的发展方向之一。 3 介质阻挡放电 3.1 低温等离子体的产生方法 低温等离子体主要有气体放电产生，气体放电法的种类较多，按电极结构的 不同或供能方式的不同，可分为电晕放电、表面放电、介质阻挡放电等。这些放 电方法有一个共同的特点：均能够在较高的气体压力下(常压)形成非平衡等离子 体。 3.1.1电晕放电 电晕放电法是由电子束法发展而来的，电晕放电主要分为直流电晕放电法和 脉冲电晕放电。直流电晕放电是在直流高压作用下，利用电极间电场分布的不均 匀性产生气体放电的一种方式，这种放电方法广泛用于静电除尘方面。直流电晕 法对污染气体的脱除原理和脉冲电晕法相似，但是常规的直流电晕反应器不适用 于气体污染物的净化。因为其等离子体活性空间小，仅限于电晕极附近，静电除 尘过程中放电以提供离子源为目的，所需的电晕区较小，用直流电晕即可满足要 求；污染物的降解要求放电能为污染物的降解反应提供足够多的活性物质，反应 器应有较大的活性空间，而直流电晕放电较难满足这个要求，所以不适用于污染 物的净化。 3.1.2表面放电 表面放电的主体是结构致密的陶瓷(陶瓷管或瓷板)，在陶瓷的内部埋有金属 板作为接地极，陶瓷的一侧表面上布置导体作为高压电极，另一侧作为反应器的 散热面。在中、高频电压作用下，放电从放电极沿陶瓷表面延伸，在陶瓷表面形 成许多细致的流注通道。日本TetsujiOda领导的研究小组从表面放电诱导等离子 化学过程入手，对丙酮、三氯乙烯、氟里昂的降解进行了研究，并分析了表面放 电的耗能情况。与其他放电方式相比，表面放电的功率消耗大，放电过程中发比 较严重，常需在反应器的外部强制冷却，能量利用率不高。另外由于放电只集中 在陶瓷表面附近，所提供的等离子体反应空间亦不够，加上结构复杂，不便于实 际应用。 3.1.3介质阻挡放电 介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，在这类放电反应
    器的结构中采用电解质层将两电极隔开，介质可以覆盖在电极上或放置于电极之 间，在两电极间加上足够高的交流电压时，电极间隙的空气就会发生击穿，形成 放电。放电形成大量细微的快脉冲放电通道，表现为均匀、漫散和稳定，与低压 辉光放电相似。电解质在放电过程中起到储能作用，使放电稳定并产生延时极短 的脉冲，同时它能抑制火花放电的产生。因为介质阻挡放电小像空气中的火花放 电那样会发出巨大的击穿响声，历史上也称作无声放电 3.2 介质阻挡放电的原理 介质阻挡放电( Dielect ric Bar rier Discharg e,DBD) 也称无声放电, 是 一种非平衡态的、非稳定的和不均匀的放电。它是将绝缘介质插入放电空间的一 种气体放电。介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里, 插入的绝缘介质可 以使放电空间的电荷积聚于其上, 产生一个与外电场方向相反的附加电场, 阻 止放电发展到电弧阶段。 人们在实验室中最早研究的等离子体也是通过气体放电获得的。DBD 现象表 现为不均匀、散漫和不稳定, 实际上是由大量细微的快脉冲放电通道构成的。通 常放电空间的气体压强可达105Pa或更高, 因此这种放电属于高气压下的非热平 衡放电, 被广泛地用于臭氧合成、紫外光源等场合, 近些年来它也被用于气体激 光器的激励、材料的表面处理、薄膜材料的制备、环境工程等高科技等方面, 具 有潜在的应用价值。 DBD 的击穿和其它放电的击穿类似之处是电子在外电场中获得能量, 通过 碰撞把能量转移给其它分子, 使其激发获解离, 产生电子雪崩。将这种机理应用 在工业生产上具有广阔的应用前景, 已经成为近年来国内外研究中的热点。将 DBD 放电机理用于原煤的脱硫, 这种提法在国内未见相关报道。目前相对成熟的 技术是对煤燃烧后生成的烟气和灰尘进行DBD 脱硫处理。 3.2.1介质阻挡放电的物理过程 介质阻挡放电等离子体化学的反应体系总是被分为两个方面，即放电的物理 过程和发生在等离子体中的化学反应。为了认识和掌握介质阻挡放电过程，独立 处理这两个既不同，又相互联系的两方面是非常有帮助的，而微放电正是其关键
    所在。介质阻挡放电中的一个丝状微电流周期可以分为三个部分：(1)微放电的 形成，也就是发生电子雪崩击穿；(2)放电击穿后气体间隙电流脉冲或电荷的输 送；(3)在微放电通道中原子、分子的激发和反应动力学的启动，也就是自由基、 准分子的形成这三个阶段的时间过程寿命相差很大，有数量级的差异。通常放电 的局部击穿在几个ns内就己经完成，电流脉冲，即微放电寿命一般为10 FIS量级， 而第三阶段原子分子的激发和反应所需要的时间为100 ns到秒量级。 介质阻挡法产生等离子体主要有以下特点： ( 1) 等离子体操作范围较宽, 可在常压下反应,通常气压为104 ~ 106 Pa, 允许 的能量也比较宽, 为1~ 10 eV, 频率为50 Hz 到数兆赫兹, 便于选择不同的等离 子反应。 ( 2) 无声放电呈微放电状态, 放电表现为不稳定、不均匀的状态。在放电电极 之间的电介质可防止形成局部火花或弧光放电, 保证了化学反应的安全进行。 ( 3) 无声放电具有较大容积的等离子体放电区域, 也就是在反应过程中反应分 子接触得较充分, 有利于充分反应。 4 .氩气电离的研究及仿真 等离子体化学过程是伴随着非弹性碰撞发生的激发、离解、电离过程及随之 生成的各种化学活性物种。非弹性碰撞引起的基元反应大致如下： (1)激发、离解和电离过程 主要有：由电子碰撞引起的激发、离解和电离，这是最为重要的～类肇正反应由 离子和中性粒子碰撞引起的激发、离解和电离；光致激发、离解和电离。 (2)复合 复合是电离的逆过程。等离子体中电子与正粒子、或负离子与正粒子相碰形成中 性粒子，释放能量。 (3)电子附着和解吸 电子与某些原子和分子相碰时，随着气体种类和电子能量的不同，电子有可能被 气体分子或原子捕获生成负离子，这个过程称为电子附着。电子的亲和力越大， 原子或分子形成负离子就越容易。相反，负离子释放出电子的过程则称为解吸。
    4.1 氩气电离仿真模型 实验我们将以氩气作为被电离的中性气体，通过COMSOL软件对发生器中得 电离反应中电子的各项参数进行模拟研究。首先我们以一个氩化学参比池为研究 进行仿真模拟。仿真模型如下两图所示。 模型图1
    模型图2 其中：6-11部分为13.56MHz线圈组，材料参数如下 属性 相对介电常数 相对磁导率 名称 epsilor mur 值 1 1 单位 属性组 1 1 基本 基本 4和12部分为介质材料板，材料参数如下 属性 电导率 相对介电常数 相对磁导率 名称 sigma epsilonr mur 值 0 4.2 1 单位 属性组 S/m 1 1 基本 基本 基本
    2和3部分为等离子体发生反应腔体，其内部反应复杂，我们以较为简单的氩 气作为研究对象将其做合理的简单化，腔体中包含了4种物质及7个反应，具体如 下 1 2 3 4 5 6 7 e+Ar => e+Ar e+Ar => e+Ars e+Ars => e+Ar e+Ar => 2e+Ar+ e+Ars => 2e+Ar+ Ars+Ars => e+Ar+Ar+ Ars+Ar => Ar+Ar 以上逐步电离反应中反应5在维持低压氩放电现象中可以发挥重要的作用。 激发的氩原子通过和电子的超弹性碰撞，抑制中性氩原子，其中两个亚稳定的亚 氩原子离子化反应形成一个中立的氩原子,一个氩离子与一个电子，此后的后续 表面反应得意进行。 一下为两个表面反应，当一个亚稳态氩原子与墙进行接触,它将有一定概率恢复为 氩原子率 1 2 Ars => Ar Ar+ => Ar 1 1 4.2 基于COMSOL软件对电子分布特性的仿真 通过模型的建立和对各项参数的设置之后，通过COMSOL软件的仿真研究 之后就可以得出反应腔中我们所需的各项电子特性的模拟数据。
    4.2.1 电子密度分布 此处模拟仿真了漂移扩散后电子在各处的分布密度，反应中的最大电子密度 出现在射频线圈下面，反应器的中心位置，这里的电子密度足以产生一个屏蔽电 场。 4.2.2电子温度
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