等离子体非热平衡空气净化原理及应用

叶冬源

摘要： 概述了室内空气污染状况，介绍了非热平很等离子体空气净化原理，并根据该原理提出解决方案。

关键字：空气污染  非热平衡等离子 负离子 空气净化

1 引言

近年来，空气污染问题日益受到公众的关注。对居室、办公室、车间厂房、车辆等室内环境的空气污染状况及其净化措施的研究尤为重要。

2 室内空气污染状况

室内空气污染有其特殊性：1）室内空气质量受室外空气的影响，常见的空气污染物有香烟烟雾、有害气体、尘埃、花粉、孢子、细菌、病毒等。在我国城市，室内空气的主要污染物包括总TSP、CO、 SO₂、NOx、碳氢化合物等。2）室内还存在一些特殊的污染源，其中包括合成建筑材料、燃气具、家用电器、化学制品以及生活在室内的人、宠物、植物等。此外，建筑通风情况不佳，也进一步加剧污染程度。3）离子失衡是空气污染的一种形式，空气中含有大量的正、负离子，一般正负离子浓度处于基本平衡状态，一旦失衡，就会对人体键康造成影响。研究表明，负离子能降低人体血液中的复合胺浓度，有利于对氧的吸收和利用，加速氧的传输，促进新陈代谢，使人感觉精神愉悦，头脑清醒。正离子则降低对氧的传输，使人产生程度不同的缺氧症状，导致精神萎靡不振、烦躁、紧张、头痛等。

空气中的污染物会破坏空气的离子平衡吸收掉负离子，使正离子浓度增加。此外，钢筋混凝土建筑、合成装饰材料、衣服、塑料制品和家具的表面以及空调的金属管道也在不断吸收负离子，使空气中的离子浓度处于极度不平衡状态。在污染较为严重的室内环境中，负离子浓度通常不足100个/cm³，而最适宜人体的负离子浓度最小值是1000个/cm³。

因此，对室内空气净化时，不仅要去除各种污染物(TSP和各种有害气体)，还要调节空气中的离子平衡。应用物理过滤原理只能清除尺寸较大的悬浮颗粒物，而对尺寸较小的悬浮物、烟雾及有害气体的清除能力较差，对调节离子平衡也无作用；应用化学吸收吸附原理则存在较大的安全风险，可能会引起二次污染。而使用非热等离子体技术则可以解决这些问题。

3 非热等离子体空气净化原理

3.1 预荷电集尘

其基本原理是利用极不均匀电场，形成电晕放电，产生等离子体，其中包含的大量电子和正负离子在电场梯度的作用下，与空气中的颗粒污染物发生非弹性碰撞，从而附着在上面，使之成为荷电离子，在外加电场力的作用下，被集尘极所收集。其处理过程分三个阶段：1）e+M（污染物分子）—— M^-；2）M^- + SP（固体颗粒）——(SPM)^-；3）( SPM)^- —— SPM（沉积在集尘极上）。静电集尘是一个物理过程，在这个过程中，对悬浮在空气中直径小于100μm的总悬浮颗粒(TSP)和直径小于μm的可吸人颗粒(PM10)有较高的清除效率。

3.2 等离子化学反应

通过前沿陡峭、窄脉宽（纳秒级）的高频高压脉冲电晕流光放电，在常温常压下获得非热等离子体（Non-Thermal Plasmas），利用等离子体中的大量活性粒子对有毒、有害、难降解的污染物进行直接的分解去除。这一技术主要是通过两个途径实现：一是在高能电子的瞬时高能量作用下，打开某些有害气体分子的化学键，使其直接分解成单质原子或无害分子；二是在大量高能电子、离子、激发态粒子和氧自由基、氢氧自由基(自由基因带有不成对电子而具有很强的活性) 等作用下，氧化分解成无害产物。

有机污染物在等离子体中的降解机理，主要包括以下过程：

（1）在高能电子撞击作用下，电场空间内产生强氧化性自由基，如·O、·OH、·OH₂；

（2）有机污染物分子受到高能粒子的碰撞被激发，分子键、基团断裂形成大量的亚稳态基团和粒子；

（3）·O、·OH、·OH₂等与激发态分子、破碎基团及其他自由基等发生一系列等离子体化学反应，有机分子最终被氧化为CO₂和H₂O。

从降解机理上分析,主要发生以下反应：

H₂S + O₂ 、O₂^- 、O₂⁺          SO₃+ H₂O

NH₃ + O₂ 、O₂^- 、O₂⁺          2NOx + H₂O

VOCs + O₂ 、O₂^- 、O₂⁺         CO₂ + H₂O

3.3负离子发生

利用放电的方法，产生负离子，在离子风驱动下，将其扩散到室内空间。适量浓度的负离子一方面调节了空气中的离子平衡，另一方面，它还能有效地清除空气中的污染物。高浓度的负离子同空气中的有毒化学物质和病菌悬浮颗粒物相碰撞使其带负电，而这些带负电的颗粒物就会吸引其周围带正电的颗粒物（通常空气中的细菌、病毒、抱子等是带正电）。这种积聚过程一直持续到颗粒物的重量足以使它降落在地面为止。

除了积聚过程外，在有限的空间里空气中带负电的颗粒物还被吸附到带正电的表面上，而通常情况下，房间里面大多数物体的表面（包括墙壁、地面、家具、电器等）都是带正电的。

调节空气中的离子平衡，使负离子浓度保持在适当的水平，这对改善空气品质有着重要的意义。

4 解决方案

根据上述低温等离子体空气净化原理，可开发出适合室内使用的空气净化器。本公司可提供以下两类解决方案。

4.1 单体室内空气净化器

该空气净化器采用模块式结构，主体部分包含预荷电集尘单元、等离子化学反应单元和负离子发生单元，辅助部分包括感测单元、中央控制单元。其中感测单元可实时监测所处环境中的有害气体成分含量，并将监测结果通知中央控制单元。中央控制单元将根据不同的污染情况自动控制电路，向主体部分提供相应的等离子体。

4.2 中央空调管道式空气净化器

该空气净化器也采用模块式结构，主体部分包含预荷电集尘单元、等离子化学反应单元和负离子发生单元；辅助部分包括感测单元、中央控制单元。模块式嵌入回风管道中，感测单元可实时监测回风管道中有害气体的成分及含量，并将监测结果通知中央控制单元。中央控制单元将根据不同的污染情况自动控制电路，向主体部分提供相应的等离子体。

参考文献

1          Abolentsev V，et al. Chemical processes in heterogeneous pulsed steamer discharge for pollution control.  Proc. of  Int. Conf. on Plasma sci.&App.，1997

2          R McAdams Prospects for non-thermal atmospheric plasmas for pollution abatement. J.Phys.D:Appl.Phys.34(2001)2810-2821.