等離子空氣凈化裝置機理分析

張霞

【摘 要】等離子體是一種聚集態(tài)物質(zhì)，其所擁有的高能電子同空氣中的分子碰撞時會發(fā)生一系列基元物化反應(yīng)，并在反應(yīng)過程中產(chǎn)生多種活性自由基和生態(tài)氧，即臭氧分解而產(chǎn)生的原子氧。等離子體空氣凈化工作過程有三部分預(yù)荷電集塵，催化凈化，負離子發(fā)生?；诜肿又亟M原理的新一代空氣，凈化器利用等離子技術(shù)，不僅具有對顆粒污染物的一個凈化功能，而且對于氣態(tài)污染物通過破壞分子間的鍵能，有效的分解氣態(tài)污染物，從而達到空氣凈化作用。

【關(guān)鍵詞】等離子體；空氣凈化；污染物

0.引言

眾所周知，隨著私家車的普及，城市的道路環(huán)境狀況越來越令人擔(dān)憂，發(fā)動的汽車所排出的尾氣中，混雜有氮氧化合物、碳氫化合物、鉛煙、碳煙等多種有害有毒物質(zhì)。再加上交通路口的頻繁停車、起步和怠速運行造成的燃油不完全燃燒，排放的尾氣中的有毒有害物質(zhì)的濃度更高。所以該地段被汽車行駛帶起的塵埃中吸附了大量的鉛粒、碳煙和有毒的化學(xué)物質(zhì)，使長期工作在上述環(huán)境中的環(huán)衛(wèi)人員、交通警察深受其害。

1.等離子空氣凈化器的工作原理

物質(zhì)的存在狀態(tài)隨著溫度的上升一般會呈現(xiàn)出固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)三種物態(tài)的轉(zhuǎn)化過程，我們把這三種基本形態(tài)稱為物質(zhì)的三態(tài)。那么對于氣態(tài)物質(zhì)，溫度升至幾千度時，由于物質(zhì)分子熱運動加劇，相互間的碰撞就會使氣體分子產(chǎn)生電離，這樣物質(zhì)就變成由自由運動并相互作用的正離子和電子組成的混合物。我們把物質(zhì)的這種存在狀態(tài)稱為物質(zhì)的第四態(tài)，它與固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)物質(zhì)比較有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。等離子體按等離子體焰溫度分為高溫等離子體和低溫等離子體其中，按重粒子溫度水平還可以分為熱等離子體和冷等離子體。非平衡等離子體產(chǎn)生方法主要有低氣壓輝光放電法、電子束照射法、介質(zhì)阻擋放電法和電暈放電法等。

本裝置選擇電暈放電法，作為非平衡態(tài)等離子體處理廢氣技術(shù)的具體實現(xiàn)方法中的一種，脈沖電暈放電激發(fā)等離子體化學(xué)反應(yīng)過程，目前被認(rèn)為是去除氣相有害物質(zhì)的很有前途的方法。其基本原理是在室溫、常壓條件下，由前沿陡峭、脈寬窄的脈沖高壓，在電暈線極附近產(chǎn)生激烈的脈沖電暈放電，利用脈沖電暈放電產(chǎn)生的高能電子同廢氣中氣體分子作用而產(chǎn)生豐富的離子和自由基等活性粒子，這些活性粒子再同污染物分子發(fā)生氧化或還原反應(yīng)生成低毒性的無機小分子化合物。由于脈沖上升時間短，只能使電子能量劇烈增加，而離子和原子之類的重粒子其溫度可降低至 300K，形成低溫等離子體。因為電子與電子之間處于同一熱力學(xué)平衡態(tài)，這就意味著電子具有足夠高的能量以使反應(yīng)物分子激發(fā)、離解、電離，反應(yīng)體系又得以保持低溫，這樣設(shè)備投資少，節(jié)省能源。

等離子體空氣凈化器工作原理分為三個部分：

1.1預(yù)荷電集塵

其基本原理是利用極不均勻電場，形成電暈放電，產(chǎn)生等離子體，其中包含的大量電子和正負離子在電場梯度的作用下，與空氣中的顆粒污染物發(fā)生非彈性碰撞，從而附著在上面，使之成為荷電離子，在外加電場力的作用下，被集塵極所收集。靜電集塵是一個物理過程，在這個過程中，對懸浮在空氣中直徑小于100μm 的總懸浮顆粒和直徑小于 10μm 的可吸入顆粒有較高的清除效率。

1.2催化凈化

以高能電子與氣體分子碰撞反應(yīng)為基礎(chǔ)，利用前后沿陡峭的脈沖高電壓，形成高頻脈沖電暈放電，在一定空間產(chǎn)生非平衡態(tài)低溫等離子體。其催化凈化機理包括兩個方面，在產(chǎn)生等離子體的過程中，高頻放電產(chǎn)生的瞬時高能量，打開某些有害氣體分子的化學(xué)鍵，使其分解成單質(zhì)原子或無害分子。等離子體中包含了大量的高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有強氧化性的自由基，這些活性粒子的平均能量高于氣體分子的鍵能，它們和有害氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞，打開氣體分子的化學(xué)鍵生成單原子分子和固體顆粒，同時產(chǎn)生的大量自由基和氧化性極強臭氧與有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無害產(chǎn)物。催化凈化可以清除空氣中絕大部分碳氧化物、氮氧化物、碳氫化合物和其他一些有害氣體分子。

圖1 NO轉(zhuǎn)換示意圖

1.3負離子發(fā)生

在產(chǎn)生等離子體的同時，也會產(chǎn)生大量的負離子。利用放電的方法，產(chǎn)生負離子，在風(fēng)力驅(qū)動下，將其擴散到室內(nèi)空間。負離子一方面調(diào)節(jié)了空氣中的離子平衡，另一方面，它還能有效地清除空氣中的污染物。高濃度的負離子同空氣中的有毒化學(xué)物質(zhì)和病菌懸浮顆粒物相碰撞使其帶負電。則這些帶負電的顆粒物就會吸引其周圍帶正電的顆粒物。這種積聚過程一直持續(xù)到顆粒物的重量足以使它降落在地面為止。

2.等離子空氣凈化器結(jié)構(gòu)

等離子空氣凈化裝置既是負離子產(chǎn)生源又是空氣凈化裝置。主要構(gòu)件是負電暈放電區(qū)和通風(fēng)風(fēng)扇。電暈線上加有負高壓，形成負電暈放電，在其周圍形成空間電荷區(qū)，產(chǎn)生大量的負離子，負離子隨著氣流進入室內(nèi)，起著空氣質(zhì)量調(diào)節(jié)和凈化作用，負直流高壓電源接到電暈線上，對地線開始電暈放電，脈沖電源圖如2所示。

圖2 脈沖電源電路

電暈線周圍的空氣在高壓下電離，其中，正離子在強大的負電壓電場下，被吸引至電暈線上，負離子則向正極方向移動，在風(fēng)機的作用下，進入到外部空氣，部分與空氣中的粉塵結(jié)合，迅速下降，起到凈化空氣的作用。在負電暈放電過程中除產(chǎn)生負離子外同時產(chǎn)生臭氧，從而影響了室內(nèi)負離子空氣凈化器的推廣使用。

本裝置使用電暈線加熱的方法抑制負電暈放電過程中臭氧產(chǎn)生和降低負離子發(fā)生器的臭氧濃度，其原理是：電暈線加熱，使電暈線溫度升高，降低電暈線內(nèi)金屬原子與表面的勢能差，減小電子從原子外層脫出的逸出功，使外層電子在較低能量作用下，就從原子中脫出，飛出電暈線表面等離子發(fā)生器的兩個主要性能參數(shù)是負離子濃度和臭氧濃度。負離子濃度決定著凈化效率，負離子濃度、臭氧濃度、電暈電流隨著放電電壓的升高增加，加熱可以提高負離子濃度、增加電暈電流，而降低臭氧濃度。

3.等離子空氣凈化裝置的優(yōu)點

等離子體是一種聚集態(tài)物質(zhì)，其所擁有的高能電子同空氣中的分子碰撞時會發(fā)生一系列基元物化反應(yīng)，并在反應(yīng)過程（下轉(zhuǎn)第53頁）（上接第51頁）中產(chǎn)生多種活性自由基和生態(tài)氧，即臭氧分解而產(chǎn)生的原子氧?；钚宰杂苫梢杂行У仄茐母鞣N病毒、細菌中的核酸，蛋白質(zhì)，使其不能進行正常的代謝和生物合成，從而致其死亡；而生態(tài)氧能迅速將多種高分子異味氣體分解或還原為低分子無害物質(zhì)。另外，借助等離子體中的離子與物體的凝并作用，可以對小至亞微米級的細微顆粒物進行有效的收集?？諝庵胸撾x子的含量是空氣質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。負離子不僅可高效殺滅家居空氣中因長期密閉而日趨增多的煙霧、灰塵、細菌，更可中和空氣中的正離子，活化空氣，改善肺功能，改善心肌功能，改善睡眠，促進新陳代謝，增強人體抗病能?；诜肿又亟M原理的新一代的空氣凈化器，利用等離子體技術(shù)，不僅具有對室內(nèi)顆粒污染物的一個凈化功能，而且對于氣態(tài)污染物，通過破壞分子間的鍵能，有效地分解氣態(tài)污染物，從而達到了凈化空氣的作用。 [科]

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