洁净空气——低温等离子体废气处理

随着城市化和工业化进程的不断推进,空气污染已经成为一个严峻问题。汽车废气、使用化石燃料的发电厂及石化工厂是主要的空气污染源,随着科技的发展人们开始利用低温等离子体来进行废气的处理。

洁净空气是多种气体成分组成的混合气体,主要成分为氮气和氧气,还含有少量氩气、二氧化碳、氖气、氦气及其他气体。臭氧、悬浮颗粒、氮氧化物、一氧化碳、重金属等污染物会造成空气污染,吸入人体后将危害健康。呼吸受污染的空气会罹患呼吸系统疾病、肺功能损伤、心肺疾病等,并导致死亡率上升。每年由于呼吸颗粒状空气污染物而导致肺部疾病死亡的人数甚至多余交通事故死亡人数。与成人相比,儿童更易遭受空气污染的影响。此外,孕妇还会将空气中含有的致癌物质传给胎儿。

空气污染并非仅仅是工业化的产物。在一些发展中国家,最大污染源是采用固体生物燃料来进行烹调和采暖用途时所产生。此外,稻田、牲畜和森林火灾释放出的甲烷也是一种天然污染源。

燃煤电厂、机动车废气和化工厂是城市空气污染的主要源头。化石燃料的燃烧是空气中微笑颗粒的主要来源;汽车尾气中含有碳氢化合物、氮氧化合物、二氧化硫、悬浮颗粒物和一氧化碳,以及甲醛、乙醛和苯等有毒的有机化合物;化工厂排放的大量挥发性有机污染物。近期公布的证据显示,柴油发电机废气的危害程度远远超过人们之前的认识。

空气中的悬浮颗粒物由微小的固体颗粒和液滴组成。悬浮颗粒物包括尺寸介于0.5~100um、在空气中漂浮的所有微粒。直径小于10um的悬浮颗粒物可以通过呼吸进入人体肺部。

燃料在发电厂锅炉和机动车的发动机内燃烧后,会产生二氧化氮及其他氮氧化物。二氧化氮是一种强氧化剂,在空气中可以通过化学反应生成具有腐蚀性的硝酸以及有毒的有机硝酸盐。汽车的发动机和工厂所释放出的氮氧化物及活性炭氢化合物,这两种污染物在大气中经紫外线照射后会产生化学性质高度活泼的臭氧。此外臭氧还是形成光化学烟雾的一种关键成分。

一氧化碳是一种由于煤炭、木材和石油的不完全燃烧而产生的有毒气体。在城市中,汽车尾气排放的一氧化碳占大气中一氧化碳总量的95%之多,其他一氧化碳则源自工业生产以及锅炉或焚化炉燃料的燃烧过程。

煤炭和柴油等含硫燃料在发电厂锅炉和柴油发动机燃烧时,会产生二氧化硫。与二氧化碳相似,二氧化硫在大气中也会形成酸性颗粒。

废气物燃烧过程中会产生飞灰,飞灰含有铅、镍、铜、汞等金属污染物,以及二噁英和呋喃等有毒物质。颗粒状污染物通常包含许多致癌物和有毒重金属,如砷,钡、铜、铬、氧化铁、汞等。在所有悬浮重金属污染物中,铅对环境的危害最大。

许多国家在制定更加严格的规章制度,试图在源头上消除污染物的产生。例如,美国于1990通过的《清洁空气法案》对二氧化硫排放设置了一个永久性封顶上限,要求2000年后美国全国的二氧化硫排放量不得超过890万吨。欧洲和日本也陆续发布了严格的环保规定。欧洲于1999年发布了《挥发性有机物法令》,目的在于杜绝或降低直接获间接挥发性有机物排放对环境的破坏,改善空气质量,并降低对公众健康的潜在威胁。该法令有望在1999~2010年将欧洲工业污染物的排放降低57%,这估计将会对属于22个产业部门的40万家企业造成影响。处于快速工业化进程中的拉丁美洲和亚洲国家也已经开始意识到环境污染问题的严重性。

采用等离子体辅助处理工艺可以减轻大气污染物造成的环境破坏。等离子体可以产生大量的活性组分。与传统的热激发方法相比,等离子体处理工艺可提供更多的反应消解途径。

非平衡等离子体中的电子能量分布不同于重粒子,且二者处于不平衡状态,因此可以认为含电子气体的温度远高于含中性粒子和离子的气体。由此可以可引导高能电子通过碰撞作用激发气体分子,或使气体分子发生分解和电离。上述过程中所产生的自由基则可分解污染物分子,等离子体的化学效应可以实现物质的化学转化。与仅依靠等离子体的热效应进行分子分解相比,利用等离子体的化学效应实现物质转化的效率更高,许多情况下,有毒污染物分子十分稀薄,在这种情况下采用等离子体辅助处理是一种事半功倍的办法,其效果类似于焚烧炉采用的焚烧工艺。

低温等离子体处理工艺采用高能电子轰击 载气(氮气和氧气),使其发生电离和分解,随后自由基/离子目标气体分子发生反应;工艺中要生成大量不可利用的离子/自由基,同时耗费大量电能。因此,美国橡树岭国家实验室研究人员认为,尽管低温等离子工艺优于热等离子体工艺,但是其能量利用率太低。目前橡树岭实验室正在努力开发一种新型等离子体化学处理工艺,该工艺的基础在于橡树岭国家实验室的近期发现,即对于特定分子,在电子处于高激发态时,会产生极大的附着电子的等离子体横截面。此外,相关科研人员正在研究采用放电效应的靶向激发应以亚稳态稀有气体的激发转移效应,可以精确激发靶向气体,而不会含有氮气和氧气的载气上浪费能量,因此可大幅度降低处理成本。

 

 

分享到:

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用 * 标注

您可以使用这些 HTML 标签和属性: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>