低溫等離子體技術(shù)與應用、未來研究進展趨勢

一、低溫等離子體的概念

目前對低溫等離子體(cold plasma) 的定義還不甚明確， 普遍認為低溫等離子體是物質(zhì)存在的第4種狀態(tài)，又稱為非熱力學平衡狀態(tài)等離子體，由大量正負帶電粒子和中性粒子組成，其中電子溫度(Te)>離子溫度(Ti)，電子溫度可達104K以上，而其離子和中性粒子的溫度卻可低至300~500K(2)。一般氣體放電產(chǎn)生等離子體屬于低溫等離子體。

二、低溫等離子體技術(shù)的產(chǎn)生
低溫等離子體主要是由氣體放電產(chǎn)生的。根據(jù)放電產(chǎn)生的機理，氣體的壓強范圍、電源性質(zhì)以及電極的幾何形狀、氣體放電等離子體主要分為以下幾種形式：(1)輝光放電；(2)電暈放電：(3)介質(zhì)阻擋放電；(4)射頻放電；(5)微波放電。由于對諸如氣態(tài)污染物的治理，一般要求在常壓下進行.而能在常壓(105P左右)下產(chǎn)生低溫等離子體的只有電暈放電和介質(zhì)阻擋放電兩種形式。
2·1輝光放電
輝光放電屬于低氣壓放電(low pressured i-charge) 工作壓力一般都低于10mbar， 其構(gòu)造是在封閉的容器內(nèi)放置兩個平行的電極板，利用電子對中性原子和分子的激發(fā)，當粒子由激發(fā)態(tài)(excited state向基態(tài)(e round state轉(zhuǎn)化時會以光的形式釋放出能量.由于輝光放電受低氣壓的限制，工業(yè)應用難于連續(xù)化生產(chǎn)且應用成本高昂.因而無法廣泛地在工業(yè)中應用。
2-2電暈放電
電暈放電是使用曲率半徑很小的電極，如針狀電極或細線狀電極，并在電極上加高電壓，由于電極的曲率.半徑很小，而靠近電極區(qū)域的電場特別強，電子逸出陽極，發(fā)生非均勻放電，稱為電暈放電。在大氣污染物治理上，電暈放電法多用于煙道氣脫硫和脫硝，也有用電暈放電法去除空氣中揮發(fā)性有機氣體、硫化氫、鹵代烷烴、以及對印染廢水脫色等。
2·3介質(zhì)阻擋放電
介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生于兩個電極之間，其中至少一個電極上面覆蓋有一層電介質(zhì)。介質(zhì)阻擋放電是一種兼有輝光放電的大空間均勻放電和電暈放電的高氣壓運行的特點。由于其電極不直接與放電氣體發(fā)生接觸，從而避免了電極因參與反應而發(fā)生的腐蝕問題。又因其具有電子密度高和可在常壓下運行的特點，所以介質(zhì)阻擋放電具有大規(guī)模工業(yè)應用的可能性，介質(zhì)阻擋放電還可應用于準分子紫外光源和環(huán)境中難降解物質(zhì)的去除。
2·4射頻低溫等離子體放電
射頻放電的電極通常安裝在放電空間的外部，通過感應耦合產(chǎn)生等離子體.產(chǎn)生射頻放電心的方式有電容耦合與電感耦合等兩種方式.由于射頻低溫等離子的放電能量高、放電的范圍大，現(xiàn)在已經(jīng)在材料的表面處理和有毒廢物清除和裂解中得到應用。
2·5滑動電弧放電
在兩電極上施加高壓使電極間流動的氣體在電極窄處被擊穿.一旦擊穿發(fā)生電源就以中等電壓提供足以產(chǎn)生強力電弧的大電流，電弧在電極的半橢圓形表面上膨脹，不斷伸長直到不能維持為止.電弧熄滅后重新起弧，周而復始.其視覺觀看滑動電弧放電等離子體就像火焰一般.滑動電弧放電產(chǎn)生的低溫等離子體為脈沖噴射，但可以得到比較寬的噴射式低溫等離子。

三、低溫等離子體的作用機理研究
之一，通過遙感遙測技術(shù)獲取血吸蟲病疫區(qū)地面植被信息，為螺情監(jiān)測和血吸蟲病流行病學研究提供了有力的工具〔10)。通過對遙感圖像的聚類分析，可以辨別、提取出適宜釘螺孳生的植被區(qū)域(11)。將遙感數(shù)據(jù)以“穗帽變換”植被指數(shù)分析后，可以得到釘螺孳生地分布和釘螺空間擴散二個空間模型，并且在遙感圖像中可直接正確地測算出釘螺孳生面積數(shù)和釘螺擴散潛在面積數(shù)(12) 。此外， 對NDVI遙感圖像與釘螺分布指數(shù)圖、溫度分布圖、高程分布圖等資料的的空間分析、重疊分析研究提示，準確、快速地利用遙感資料來預測血吸蟲病流行范圍和強度具有應用前景〔13)。遙感圖像的植被指數(shù)分析在我國流行病學領域的應用雖然還處在起步階段，但我們相信，隨著各項研究的深入開展，植被指數(shù)在流行病學研究中的應用前景將是十分廣闊的。
目前對低溫等離子體的作用機理研究認為是粒子非彈性碰撞的結(jié)果(4)。低溫等離子體內(nèi)部富含電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子，其中高能電子與氣體分子(原子)發(fā)生非彈性碰撞，將能量轉(zhuǎn)換成基態(tài)分子(原子)的內(nèi)能，發(fā)生激發(fā)、離解和電離等一系列過程，使氣體處于活化狀態(tài)。一方面打開了氣體分子鍵，生成一些單原子分子和固體微粒，另一方面，又產(chǎn)生OH、H2O2等自由基和氧化性*的03，在這一過程中高能電子起決定性作用，離子的熱運動只有負作用(5)。常壓下.氣體放電產(chǎn)生的高度非平衡等離子體中電子溫度(數(shù)萬度)遠高于氣體溫度(室溫100℃左右)。在非平衡等離子體中可能發(fā)生各種類型的化學反應，主要決定于電子的平均能量、電子密度、氣體溫度、有害氣體分子濃度和共存的其它氣體成分。這為一些需要很大活化能的反應如大氣中難降解污染的去除提供了理想途徑。另外也可以對低濃度、高流速、大風量的含揮發(fā)性有機污染物和含硫類污染物等工業(yè)廢氣進行處理。

四、低溫等離子體的應用研究
等離子體是和固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)處于同一層次的物質(zhì)第四態(tài)。低溫等離子體富含電子、離子、自由基和激發(fā)態(tài)分子，電子與離子有很高的反應活性，可以使通常條件下難以進行或速度很難的化學反應變得十分迅速。

近年來，由于工業(yè)的迅速發(fā)展而造成的嚴重的環(huán)境污染已成為影響人類生存與發(fā)展的性問題，研究減少污染物的排放或者是采用新方法使其轉(zhuǎn)化為無害物，已成為環(huán)境保護工作者的迫切任務.低溫等離子體污染物控制技術(shù)作為一種新興的污染物處理技術(shù)，具有流程短、效率低、能耗低、使用范圍廣等特點，因此用其作為各類環(huán)境污染物的處理已成為當前國內(nèi)外的熱門研究之一。目前，低溫等離子體技術(shù)在廢氣處理、汽車尾氣處理、廢水處理、臭氧的合成等環(huán)境工程方面已獲得日益廣泛應用。

五、低溫等離子體存在的問題
由于低溫等離子體是由多種粒子組成的復雜體系，其內(nèi)部及等離子體與固體表面存在多種物理化學過程，而且易于受各種外場與自生場(電場、磁場、電磁場、光場)的影響(2)，受加工工藝有關(guān)的因素多，參數(shù)范圍大，過程復雜，因而大多數(shù)過程的機理圖象還不夠清晰、完整，難以確定用以在線性反饋控制的內(nèi)部參量，導致一些非線性變化及由于不穩(wěn)定性造成的重復性差的問題〔15)。
六、展望低溫等離子體的未來發(fā)展趨勢
低溫等離子體處理排放于環(huán)境中的各類污染物，與其它方法如高溫焚化法、催化燃燒法及活性炭吸附法，比較起來更具高效性以及較低的能耗，在環(huán)保領域?qū)⒕哂袕V闊的應用前景。