CN1386563A - 气体净化处理设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体净化处理设备,包括:一个风机,用于吸入气态污染物;一个低温等离子体发生器,产生等离子体,对风机吸入气态污染物进行低温等离子体进化处理;一个过滤层,对经过等离子体净化处理的气体进行过滤,过滤剩余的有害气体;一个负离子发生器,对过滤后的气体进行负离子处理,增加空气质量。本发明对有害气体的去除效果是非常理想的,尤其是对甲醛、H₂S的净化率达到了100%。此外,对细菌的的净化率达到98.9%,也就是说灭菌作用非常显著。

Description

气体净化处理设备和方法

技术领域

本发明涉及一种气体净化处理设备和方法，特别是一种采用等离子净化处理的气体净化处理设备和方法。

背景技术

目前国内外已有的净化技术还停留在静电吸附、活性炭吸附和空气负离子化的水平上，这些技术的应用对改善空气质量有一定的促进作用，但存在着吸附材料更换周期短、灭菌不彻底等弊端。而被国际上称做“21世纪环境科学的关键技术”之一的等离子技术是集物理学、化学、生物学和环境科学于一体的全新技术，其特点是对环境污染物兼具物理作用、化学作用和生物作用，具有费用低、处理效果好、无二次污染等优点，并以杀菌彻底、治理气态和小污染效果显著等特点受到各国环境保护工作者的青睐。

等离子体中存在大量活性粒子，这些活性粒子完全可以破坏环境中的难降解物质，如何利用等离子体处理环境中的有毒及难降解物质是近年来的研究热点。从目前的研究结果来看等离子体有可能作为一种高效率、低能耗、适用范围广和处理量大的手段用于处理环境的有毒及难降解物质。在这方面已有人做了不少工作，例如在70年代有人研究用电子束照射的方法来去除发电厂排放的SO₂和NO₂。但这种方法造价低、运行成本高，而且能量利用率不高。因此人们想到利用等离子体的方法来去除SO₂和NO₂，并做了一系列的工作。早期的研究以电晕放电为主，如ClementsJ.S等人用脉冲电晕放电产生常压等离子体对降解NO_x和SO₂进行过研究，他们在有2.6％H₂O存在的条件下，起始浓度1000ppm的SO₂在放电时间为5.2s后有90％被去除。我国依成武等人用类似方法也得出了相似结果，SO₂气体浓度在114.5-3259.8mg/m³范围内时，SO₂去除效率在98.1％-81.4％范围内；宁成等人还用正脉冲电晕放电和加氨水的条件下对脱NO_x和SO₂进行了研究，他们得出在加氨水和温度较高的条件下，有较高的脱硫效率，可达98.9％。而他们的实验结果表明，氨水对处理NO_x没有影响，电晕对去除NO_x没有影响，电晕对NO_x的降解率只有31％，电晕放电处理有害气体时被活化的气体体积小，这样限制了气体的处理能力。因此，近年来的研究以介质阻挡放电(DBD)为主，Li Jing等人用DBD放电产生非平衡态等离子体处理模拟烟道废气，他们得出去除每公斤SO₂需耗电75KWh。Sun Wanming等人也用DBD放电去除SO₂和NO₂，在SO₂的起始浓度为400ppm、NO₂的起始浓度为100ppm、得到了99％的降解率。用低温等离子体处理挥发性有机物(VOCs)方面的研究近年来也有不少报道传统的处理挥发性有机物的方法如吸收、吸附、冷凝和焚烧等对于低浓度的污染物很难实现，如ppb级的低浓度挥发有机污染物用上述的方法运行成本很高，而对于通常浓度在ppb-ppm级的挥发性有机污染物用等离子体处理则很合适。Chang M.B等人用DBD放电的方法降解了甲醛等易挥发有机物，他们得出HCHO的起始浓度为100ppm时在19KV的电压下和获得97％的解离率。Bubnov A.G也用同样方法降解了HCHO和苯酚，在较佳的条件下，苯酚等被降解为CO、CO₂和H₂O，解离率为90-99％。用等离子体处理氯氟烃的报道近年来也有一些，如Eakabayashi等人用射频放电分解CFC-11，在有Ar和H₂O存在的条件下，分解率可高达100％。此外，日本NEDO还研制出能加热至10⁴℃，处理能力为50kg/h的CFC分解装置。我国在这方面的研究也有一些，除前面提到脱硫和脱硝的研究外，还有报导了脉冲电晕放电对印染废水脱色的研究。所有这些都为用低温等离子体降解环境中的污染物提供了新思路。

但上述利用低温等离子体的处理方法，大多处于实验研究阶段，生产性允许的装置基本没有，用于实际工程的范例尚少，且大多处理成分单一，主要研究对象为工业废气的处理，使用条件基本上都在暴露于大气的自然环境中，对等离子体所产生的臭氧未作严格规定，这些都不适合阵地密闭环境内的多组分空气净化。

发明内容

以所述的各个方面，主要是用于工业废气的处理，它们的特点是浓度较高、排放量较大、成分单一。而对于密闭环境内，例如坑道、阵地内的气态污染物的净化处理，则效果不佳，因为其气态污染物以有机物为主，组分复杂，浓度很小。据检测报告表明：阵地内有害气体共分为9大类，45种，其中最常见、对人体危害最大的是：NH₃、H₂S、CO、CO₂、甲苯、二甲苯、甲醛、甲醇、丙酮、细菌等。

本发明是针对上述情况提出的，其目的是提供一种对密闭环境内气态污染物能够进行有效净化处理的设备和方法。

根据本发明的一个方面，所提供的气体净化处理设备包括：一个风机，用于吸入气态污染物；一个低温等离子体发生器，产生等离子体，对风机吸入气态污染物进行低温等离子体进化处理；一个过滤层，对经过等离子体净化处理的气体进行过滤，过滤剩余的有害气体；一个负离子发生器，对过滤后的气体进行负离子处理，增加至气质量。

所述的低温等离子体发生器是介质阻挡层放电等离子体发生器，包括脉冲电源、针状电极、平板电极和陶瓷绝缘片，其中，针状电极与平板电极之间的距离为2-20mm。

所述的低温等离子体发生器是电晕放电等离子体发生器，包括脉冲电源、针状电极、平板电极，其中，针状电极与平板电极之间的距离为2-20mm。

此外，所述的过滤层是吸附一氧化碳和二氧化碳的吸附层。

所述的吸附层由霍加拉特和氢氧化钠等材料复合形成。

所述的电极之间的距离最好为3-10mm。

根据本发明的另一个方面，所提供的气体净化处理方法包括以下步骤：吸入气态污染物；对风机吸入气态污染物进行低温等离子体进化处理；对经过等离子体净化处理的气体进行过滤，过滤剩余的有害气体；对过滤后的气体进行负离子处理，增加空气质量。

本发明对有害气体的去除效果是非常理想的，尤其是对甲醛、H₂S的净化率达到了100％。此外，对细菌的的净化率达到98.9％，也就是说灭菌作用非常显著。

下面结合附图以举例方式对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明的空气净化处理设备的配置图；

图2是图1中所示的一种低温等离子体发生器(介质阻挡层放电)的原理图；

图3是图1中所示的另一种低温等离子体发生器(电晕)的原理图；

图4是图2和图3中脉冲电源的原理框图；

图5至图10是说明本发明的等离子体放电电极设计的分析图。

具体实施方式

参见图1，本发明的气体净化处理设备包括：一个风机，用于吸入气态污染物；一个低温等离子体发生器，产生等离子体，对风机吸入气态污染物进行低温等离子体进化处理；一个过滤层，对经过等离子体净化处理的气体进行过滤，过滤剩余的有害气体；一个负离子发生器，对过滤后的气体进行负离子处理，增加空气质量。

参见图2，本发明的低温等离子体发生器是介质阻挡层放电等离子体发生器，包括脉冲电源、针状电极、平板电极和陶瓷绝缘片，其中，针状电极与平板电极之间的距离为2-20mm。

参见图3，本发明的低温等离子体发生器是电晕放电等离子体发生器，包括脉冲电源、针状电极、平板电极，其中，针状电极与平板电极之间的距离为2-20mm。

此外，所述的过滤层是吸附一氧化碳和二氧化碳的吸附层。

所述的吸附层由霍加拉特和氢氧化钠等材料复合形成。

参见图1，本发明的气体净化处理方法包括以下步骤：吸入气态污染物；对风机吸入气态污染物进行低温等离子体进化处理；对经过等离子体净化处理的气体进行过滤，过滤剩余的有害气体；对过滤后的气体进行负离子处理，增加空气质量。

介质阻挡放电产生低温等离子体技术原理及特点。

如图2所示，电极之间充有被研究的气体，气体中总存在少量的电子，气体中电子的自由程较长。当电极两端加上高电压，气体中的电子被电场加速，当电子加速到一定程度时，轰击中性分子，使中性分子继续电离，产生正离子和新的电子。所产生的正离子和新的电子，再从电场中获得动能，轰击中性分子，使中性分子继续电离，这样的过程链式地发展下去，形成簇射，使气体导电。若电极之间加上交变电场，则电子和正离子可在两电极之间随外加交变电场而振荡，使放电继续下去。

介质阻挡放电(Dielecyric barrier discharge(DBD))是获得高气压下低温等离子体的一种途径。这种放电产生于两个电极之间，其中至少一个电极上面要覆盖一层电介质，其结构如图2所示。介质阻挡放电可以在(0.1-10)×10⁵Pa的气压下进行，是一种兼有辉光放电的大空间均匀放电和电晕放电的高气压运行的特点。主要特征是：整个放电由许多在空间和时间上随机分布的微放电构成，这些微放电的持续时间很短，一般在10ns级。介质层对此类放电有两个主要的作用：一是限制微放电中带电粒子的运动，使微放电成为一个个短促的脉冲；二是让微放电均匀稳定地分布在整个面状电极之间防止火花放电。因为介质阻挡放电不象空气中的火花放电那样会发出巨大的击穿声响，历史上也称为无声放电(Silentdischarge)。

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：一是微放电的形成，也就是发生电子雪崩击穿；二是电荷在放电间隙的运输，主要在这个过程中形成准分子和自由基；三是活性粒子之间的化学反应以及激发态粒子退激的发光过程。其中局部的击穿过程在纳秒量级以内，电流的输运过程大约持续1-100ns，而等离子体的化学过程则可持续纳秒到秒数量级。

介质阻挡放电具有电子密度高和可在常压下运行的特点，还可应用于准分子紫外光源的产生和环境中难降解物质的去除。

脉冲电晕放电产生低温等离子体技术原理及特点

参见图3，在常压下，脉冲电晕放电可以产生低温等离子体，当电场强度不均匀或是一个电极附近的电场比电极间其它部位的电场强的多时，电压声高到一定程度，电极附近的气体介质会被局部击穿而产生放电现象，这时，电晕放电就发生了。在电晕放电中，一般说来电极的形状起着主要作用。电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发生在曲率半径很小的电极附近或大或小的薄层中，这个区域就是电晕层。一般说来，如果电晕极是负极，则因电极表面强烈的电场加速电子而发生电子雪崩。如果电晕极是正极，则阴极附近因电场较弱而不能使电子电离气体分子而形成电子雪崩，而在阳极附近电子才有可能获得较高的能量电离和激发一些气体分子。

根据对正负极电晕的分析可知，正电晕过程中维持放电的再生电子少于负电晕过程中的再生电子。因此，从净化空气效率考虑，应选择电晕电流较高的负电晕放电。在电晕放电的过程中，传递能量。

在电晕放电低温等离子体中，有害物质通过以下方式被去除：

1)较低能量的电子与空气中的颗粒和微生物碰撞，使之荷电，从而被静电场吸附清除；

2)能量较高的电子直接与化学物质碰撞，使之电离分解；

3)能量较高的电子与空气中多种成分相互作用，产生自由基，有害物质与自由基进行两体甚至散体碰撞变为无害物种。

由于低温等离子体是一项高新技术，目前国内外将其用于密闭环境内的空气净化研究刚刚起步，可供借鉴的技术资料很少，故低温等离子体发生器的战术技术指标初步定为：

CO₂净化率(60min)≥70％

CO净化率(60min)≥40％

H₂S净化率(60min)≥85％

NH₃净化率(60min)≥80％

低温等离子体对有机污染物的降解规律

等离子体化学反应是以电子动能为动力的，因此，等离子体化学反应具有传统化学反应所没有的特点。但是，从等离子体空间所获得的可利用的基团是体系中丰富蓄积的中性自由基和激发态基团。由低温等离子体引起的气体有机物化学反应是在气相中进行的电离、离解、激发、原子·分子间的相互结合及加成反应。

对烃类污染物低温等离子体降解的反应机理

对烃类有机物主要发生烷基脱氢反应。有机化合物的烷基离解会得到丰富的原子态氢。有机物很少发生还原反应，主要是脱氢和π电子的自由基化反应。

当原子态氧与有机物的烷基作用时，先是烷基脱氢发生羰基化，随着氧化的进行，最后有机物分解为CO₂和H₂O。若有机物中含有双键，则经过环氧化过程分解。最后产物仍为CO₂和H₂O。

低温等离子体对芳香烃类的降解规律

芳香烃气态污染物中最常见的是甲苯(C₇H₈)、二甲苯(C₈H₁₀)，在它们的分子中，主要含有苯环(大π键)，其键能如下：苯环中的碳—碳键能大约为801.5kJ/mol(8.4eV)；苯环上碳—氢键能大约为424.6kJ/mol(3.6eV)。从对介质放电产生低温等离子体中的电子能量测定中，得出其反应体系中的平均电子能量约在2.42-9.8eV之间。根据公式： $f\left(\mathrm{\ϵ}\right)=2.07{\left(\mathrm{\ϵ}\right)}^{-3/2}\·{\mathrm{\ϵ}}^{-1/2}\·e^{-15\mathrm{\ϵ}/\mathrm{\ϵ}}$

其中f(ε)为平均能量为ε的低温等离子体体系中电子能量的分布。可以确定以上化学键都有可能在低温等离子体发生过程中发生断键解离。3.1.3  低温等离子体对醇类、醛类的降解规律

醇分子中含有羟基(-OH)官能团，可看作是烃分子中的氢原子被羟基取代后的生成物。在醇分子中，O-H键是一个氧原子以一个sp³杂化轨道与氢原子的1s轨道相互交盖而成的；C-O键是碳原子的一个sp³杂化轨道与氧原子的一个sp³杂化轨道相互交盖而成的。以甲醇为例，C-H键键长为0.110nm，键角109°；O-H键键长为0.096nm，键角110°；C-O键键长为0.143nm，键角108.9°，甲醇中氢键的键能为25.9kJ/mol。在甲醇发生反应时，主要有氢氧键和碳氧键两种不同类型。由于C-O键的键长较氢氧键键长大，因此，其断裂所需能量小于氢键键能，即小于25.9kJ/mol。根据公式： $f\left(\mathrm{\ϵ}\right)=2.07{\left(\mathrm{\ϵ}\right)}^{-3/2}\·{\mathrm{\ϵ}}^{-1/2}\·e^{-15\mathrm{\ϵ}/\mathrm{\ϵ}}$

其中f(ε)为平均能量为ε的低温等离子体体系中电子能量的分布。可以确定以上化学键都有可能在低翁等离子体发生过程中发生断键解离。

醛类的主要官能团为醛基(-CHO)，即羰基上连有一个氢原子。羰基中，碳和氧以双键相连接，碳氧双键与碳碳双键相类似，由一个σ键和一个π键组成。羰基碳原子以三个sp²杂化轨道与一个氧原子和两个其它原子形成三个σ键，这三个键分布在同一平面上，键角近似于120°。碳原子上还有一个p轨道侧面交盖形成π键，所以羰基具有三角形平面结构。如甲醛，C＝O键长0.120nm，H-C-O键角121.3°，C-H键长0.110nm，H-C-H键角116.5°。碳氧双键虽然是由一个σ键和一个π键组成，但是由于氧的电负性较大，其容纳电荷的能力很强，故碳氧双键是极化的，特别是其中的π键。因为π电子云容易流动，容易偏向于电负性强的氧原子周围，从而使氧原子附近的电子云密度增高，碳原子附近的电子云密度降低。因此，羰基是个极性基团，它的氧原子带有部分负电荷，而碳原子带有部分正电荷。对于醛类物质而言，由于其羰基上连有一个氢原子，因此，醛基容易被氧化。使用弱的氧化剂如费林试剂或托伦斯试剂就能够使其氧化。

在等离子体系中，存在大量的自由基团，同时产生部分O₃，具有强的氧化性，完全能够使醛基氧化。因此，从理论上分析，等离子体对醛类物质的降解也是没有问题的。

电源设计

介质阻挡逆变电源的研制

为了提高发生器净化有害物质的能力，特别是提高清除化学物质的能力，必须增加电子和活性物质的产生率。作为直流电晕放电来说，放电的功率受到电击穿条件的限制，无法作较大幅度的提高。介质阻挡放电能够产生相当高密度的等离子体，如图2所示，将其应用于空气净化具有明显的优点，但它要求数十kHz、幅度达10kV的电源。

工频交流变直流再变高频交流过程统称为逆变。使用这种技术的电源统称为逆变电源。由于使用电子开关元件，又称逆变开关电源。

逆变开关电源的基本原理是：先将工频50Hz的220V交流电，经整流桥整流成308V直流电供给功率方波变换电路。由集成电路组成的电子振荡器经隔离放大后去推动IGBT大功率模块。这个振荡器输出连续的方波，方波的频率是由集成振荡器决定的。集成振荡器输出的频率从几千周到100千周。将电子开关输出的高频波经高频功率变压器隔离升压至8000V交流脉冲，若经整流输出单向脉冲。将脉冲信号提供到介质阻挡放电电极上，就能产生介质阻挡放电等离子体。

逆变电源技术参数如下：

输入电压：220V；

输出空载电压峰值：8000V-12000V；

输出电流峰值：50mA-300mA。

使用时接上负载，接通220伏电即可工作如红绿指示灯均亮，为正常工作状态；如绿灯亮红灯不亮，为小电压状态，可顺时针调节蓝色可变电阻使电压加大；如红绿灯均闪烁一下后断电，说明过流，电源自动保护，此时，要重新接通220伏电，电源才可重新工作。

脉冲电晕电源

脉冲电晕电源的工作原理是：输入220V电源经整流后得到308V，供方波发生器产生功率方波，经变频变压器升压，产生高压脉冲电源。参见图4，

参数如下：

输入电压：220V；

输出空载电压峰值：12000V；

输出电流峰值：300mA；

工作电压0-8000V可调。

使用时接上负载，接通220伏电即可工作。如红绿指示灯均亮，为正常工作状态；如绿灯亮红灯不亮，为小电压状态，可顺时针调节蓝色可变电阻使电压加大；如红绿灯均闪烁一下后断电，说明过流，电源自动保护，此时，要重新接通220伏电，电源才可重新工作。

等离子体放电电极的设计

本发明采用的电极结构为线板式(针状电极与平板电极)电板结构。因此，可根据电极结构形式，求出其近似值。在垂直于电晕极的截面上建立x、y坐标，在电晕极的轴线方向上建立z坐标如图5(电场的求解坐标)所示。

根据唯一性定理可知，在空间任意一定P(x，y，z)有唯一确定的电场

，由于电晕极上电荷沿电晕极方向即z轴方向均匀分布，所以当空间P(x，y)确定时，对于任意Z都有相同的电场，即空间电场分布与Z无关。本电极系统的边界条件：

E(oa)＝E₀，  E(ao)＝E₀，  E(by)＝常数    式1

我们采用电像法来解空间电场(如图6(线电荷Q和其像电荷Q’构成的电场)所示)，由于集尘极电势为零，假设在集尘极右边b处存在一像电荷分布Q′＝Q，则空间任意一点P(x，y)处的电场：

图6：考虑边界条件(式1)，可以得到空间中任意一点处的场强为：

式中：E₀为电晕极表面击穿场强。根据： 我们可得到空间中任一点电势：

考虑边界条件：(0，a)＝(a，0)＝-U，有：

式中：U：电晕极上所加电压，a、b、d为电极系统结构参数。由于电极结构关于xoy平面上y空间的电势分布即可。在此空间内y∈[a，b]，x∈[a，b]，z任意。根据式6可画出电极空间电势分布如图7(线板式电极结构电势分布图)所示。如果存在多条放电极的线—板电极系统，其电晕极设置如图8所示，当离子开始流动时，电位分布如图9(多电极系统空间电位分布)所示。尽管电压改变，电位线形状也不太改变。在电晕极之间所形成的电场较弱，且电晕极间隔2c越大，这种情况越明显。这时采用解析的方法求电场不可能，可以采用逐步近似的方法求得是位函数。式中： $d=c/K\sqrt{k};$ $K=c{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\μ}}^2{\sin }^2\mathrm{\φ}}}\mathrm{d\φ};$ $k={[2q^{1/4}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{q}^{n(n-1)}/1+2\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{q}^{n^2}]}^{1/2};$ $q=\exp (-\frac{2\mathrm{\πb}}{c});$ $U_0=a{E}_{0}1n\frac{d}{a}$ ：电晕起始电压； $S_n(\frac{K_z}{c},k)$ ：雅可比椭圆函数。当b/c≤0.6时，d≈4b/π；当b/c≥2时，d≈c/[πexp(πb/c)]；当0.6≤b/c≤2时，d的取值按图10(d/c与c/d关系图)所示。由此我们可以知道，当电极间隔d与电晕线间隔2c之比很小时，d与电晕线间隔有关。

根据式7，我们可以直接求出流向电晕极单位长度上的电流。当电晕空间没有离子流动时，电晕极上的电压为电晕超始电压V₀，这时I＝0，由式7得到：随电晕极电压的逐渐升高，电晕空间开始有离子流动，当达到平衡时，流向电晕极的电流(此时x＝0)：如果b/c≤0.6时，则： 如果b/c≥2，则

那么收集极上的电流密度为：

这表明当电晕线间隔足够大时，流向电晕极的单位长电流与电晕极数及间隔无关，同时收集极上的电流密度不随电晕极间隔变化。因此，在设计电极结构时，电晕极间隔参数c的大小是不重要的，重要的是正负电极间隔参数b的大小。但从式11和12可知：i∝l/bⁿ，当b/c≤2时，n＝2；当b/c＞2时，n＝3。因此，两电极间隔b和电晕极间隔2c的比值对电晕电流的影响也较为重要。一般情况下在b/c＝0.6～2.0之间时，i最大。对式8求位置的导数，则可得到线板式电极系统由极空间的电场强度。在收集极附近，即x→b时，可得到近似公式：

当b＝c时：

这和圆筒型电极系统收集极附近的电场 $E\≈\sqrt{I/2{\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{\μ}}_i}$ 相比，在收集极附近电场达到同样水平的条件下，线板式电极系统的电晕电流只需圆筒型电极系统电晕电流的一半。

由以上推导可以看出：线板式电极系统产生等离子体较圆筒型电极系统容易。因此，本课题采用线板式电极是很有效的。

在设计发生器时，我们选用直径很小的针电极作为放电极，此时，a可忽略不计；取两电极之间距离为10mm，即2c＝10mm，此时两电极之间电场相互干扰很小，由于b/c＝0.6～2.0之间时电晕电流最大，因此电极与电极板之间距离c＝8mm。

臭氧的去除

在电晕放电过程中，具有离解电离氧分子能力的电子都集中在电晕区内。如果电晕区内的电子密度较高，能量大于氧分子键能，则就会产生或多或少的臭氧。臭氧因具有强氧化性而对净化效果有正面影响。因此，在放电净化过程中应适当产生臭氧以提高净化率，但必须将净化后的臭氧的浓度控制在一定范围内(GJB3143-97)，否则会对人体产生危害。

对于等离子体发生器而言，臭氧的产生是不可避免的，因此，就如何消除过量的臭氧以避免其对人体产生不良影响，课题组进行了大量的工作。

臭氧分子的键角为116.8°，键能1.05±0.02eV，但在常温下分解缓慢。如遇热、光辐射或催化则迅速分解成氧原子和氧分子。因此对臭氧的分解处理一般采用紫外光分解、电晕线加热分解和催化分解等方法。

资料表明：臭氧经过紫外光解的效率与紫外灯的功率、气体流速以及臭氧的初始浓度有关。紫外灯功率越高，气体流速越慢，臭氧降解效率越高。由于装置的风量要求较高，因此气体流速不易控制，而且，从经济及其它因素综合考虑，在本课题中采用紫外光分解是不合适的。

除紫外光解外，还可以采用电晕线加热来清除多余臭氧。当臭氧所处的环境温度达到163℃时即可分解，电极加热虽能使臭氧发生量在一定时间内有所降低，但由于电晕极加热会使电晕电流迅速增加，所以臭氧仍然会随着电晕电流呈线性增加。

为有效避免等离子体产生过多臭氧对人体造成危害，课题组在发生器末端采用自行研制的活性碳纤维对臭氧进行吸附，实验证明该吸附材料能有效吸除等离子体发生器产生的臭氧，使臭氧浓度符合国家标准的规定。

经军事医学科学院卫生学环境医学研究检测表明，净化后臭氧浓度为0.03-0.07mg/m³(见检验报告)，符合GJB3143-97的规定。

试验及结果分析

为检验低温等离子体的净化性能，我们对自行研制的介质阻挡放、电晕放电低温等离子体以及目前国内其它类型的低温等离子体进行了全面的比较。

对无机污染物净化效果比较

氨气和硫化氢是目前较常见的气态无机污染物，我们检验了四种低温等离子体对氨气和硫化氢的去除效果。

实验仪器、设备

QGS-08一氧化碳红外线气体分析仪(北京)；

Z-300甲醛测定仪(美国)；

Z-800氨测定仪(美国)；

电子时控大气采样器；

JWL-IIB型空气微生物监测仪；

超声雾化器；

实验用聚丙烯塑料袋(1.7m³)；

空气压缩机；

1/100扭力天平；

实验舱(4.0m³)；

有害气体检测管；

手提式电热压力蒸气消毒器；

接种环、接种管、培养皿、注射器(100ml)。

试剂

分析纯试剂：甲醛、甲苯、二甲苯、甲醇、丙酮、氨、硫化亚铁、盐酸。

标准气：一氧化碳

其它：生理盐水、营养琼脂

试验方法

将介质阻挡、电晕放电低温等离子体分别放入1.7m³体积的塑料袋中，电源线和采样管与外界相通，密闭袋口，用采样器将空气吹入袋中，同时加入所配有害气体，待气袋充满，混匀后用仪器或气体检测管测定气袋中有害气体浓度。不开机，静置1小时，观察静置时自然衰减率；开机1小时后关机，测定有害气体浓度。

试验结果及分析

对氨气、硫化氢的试验结果如表1、表2所示。

表1：对氨气净化效果比较(1h)

	介质阻挡放电	电晕放电	某1号	某2号
					净化前	10.0	15.0	8.0	8.0
净化后	3.0	7.0	6.0	5.0
					净化率％	70.0	53.3	25.0	37.5

表2：对H₂S净化效果比较(1h)

	介质阻挡放电	电晕放电	某1号	某2号
					净化前	130.0	380.0	20.0	186.0
净化后	30.0	1.0	10.0	168.0
					净化率％	76.9	99.7	50.0	8.7

从以上结果可以看出：低温等离子体对于去除NH₃、H₂S两种气体是有效的，这可能是由于NH₃、H₂S具有还原性，能被等离子体中具有氧化性的自由基(如O₃)氧化所致。在上述四种等离子体中，对NH₃、H₂S净化效果最好的是电晕放电低温等离子体。

对有机污染物净化效果比较

由于目前常见的气态污染物以有机物居多，因此，我们将四种等离子体对甲苯、二甲苯、甲醇、丙酮等常见有机气态污染物的净化效果进行了检验。

对甲苯、二甲苯、甲醇、丙酮的净化效果见表3-表6所示。

表3：对甲苯的净化效果比较(1h，mg/m³)

	介质阻挡放电	电晕放电	某1号	某2号
					净化前	700.0	700.0	120.0	1000
净化后	250.0	250.0	50.0	850.0
					净化率％	64.3	64.3	58.3	15.0

表4：对二甲苯的净化效果比较(1h，mg/m³)

	介质阻挡放电	电晕放电	某1号	某2号
					净化前	8000	7500	6000	6000
净化后	5000	2000	3000	4500
					净化率％	37.5	73.3	50.0	25.0

表5：对甲醇的净化效果比较(1h，mg/m³)

	介质阻挡放电	电晕放电	某1号	某2号
					净化前	420.0	350.0	800.0	200.0
净化后	370.0	10.0	750.0	200.0
					净化率％	11.9	97.1	6.2	0.0

表6：对丙酮的净化效果比较(1h，mg/m³)

	介质阻挡放电	电晕放电	某1号	某2号
					净化前	200.0	250.0	700.0	100.0
净化后	150.0	100.0	400.0	100.0
					净化率％	25.0	60.0	42.9	0.0

由以上结果可以看出：低温等离子体对甲苯、二甲苯的去除效果较好，这可能是由于对于C₆-C₇的芳香烃，在经过放电形成等离子体的过程中，存在以下过程：在经电场加速后的携能电子的作用下，烃分子吸收能量后被激发，一部分处于激发态的烃分子发生断键解离而形成许多短碳链的自由基碎片所致。对甲醇、丙酮的净化率相对较低，这可能是由于-OH结合较紧密而造成的。

在上述四种等离子体中，对甲苯、二甲苯、甲醇、丙酮四种有机污染物净化效果最好的是电晕放电低温等离子体。

指标完成情况

通过以上比较可以看出：电晕放电低温等离子体对气态污染物的处理效果比较理想，因此，申请人采用这种放电方式制成电晕放电低温等离子体发生器，并全面检验了它的性能。

试验

实验仪器、设备、方法同前。

净化效果检验

对有害气体的净化效果检验

申请人对电晕放电低温等离子体发生器的净化效果进行了全面的检验与评价，具体结果见表7。

表7：电晕放电低温等离子体发生器净化效果

有害气体种类	有害气体浓度(mg/m3)		净化率(％)
				净化前	净化后
	H2S	33.0				0.0	100.0
NH3			110.0	7.0	93.6
	CO	140.0				63.0	55.0
CO2			11.5万	2.0万	82.6
	甲苯	750.0				250.0	66.7
二甲苯			650.0	60.0	90.8
	甲醇	300.0				20.0	93.3
丙酮			550.0	150.0	72.7
	甲醛	2.3				0.0	100.0
O3				0.03-0.07	—
	负离子					1.5×106个/cm3	—

从表7中数据可以看出，电晕放电低温等离子体发生器对有害气体的去除效果是非常理想的，尤其是对甲醛、H₂S的净化率达到了100％，这与理论分析相符，也满足了战术技术指标的要求。

对微生物的净化效果将稀释后的菌液用超声雾化器雾化于实验舱后，立即采样作为本底，测得其细菌数为2300CFU/m³，打开低温等离子体发生器，于净化后30分钟采样，测得细菌数为25CFU/m³，经计算得净化率为98.9％。这说明低温等离子体发生器的灭菌作用非常显著。

实验证明，本发明的电晕放电低温等离子体发生器对氨气的净化率为93.6％；硫化氢净化率：100.0％；一氧化碳：55.0％；二氧化碳：82.6％；甲苯：66.7％；二甲苯：90.8％；甲醇：93.3％；丙酮：72.7％；甲醛：100.0％；灭菌率：98.9％(30min)；臭氧浓度：0.03-0.07mg/m³；负离子浓度：1.5×10⁶个/cm³。完全满足战术技术指标的要求。

Claims (8)

1、一种气体净化处理设备，包括：

一个风机，用于吸入气态污染物；

一个低温等离子体发生器，产生等离子体，对风机吸入气态污染物进行低温等离子体进化处理；

一个过滤层，对经过等离子体净化处理的气体进行过滤，过滤剩余的有害气体；

一个负离子发生器，对过滤后的气体进行负离子处理，增加空气质量。

2、根据权利要求1所述的设备，其中所述的低温等离子体发生器是介质阻挡层放电等离子体发生器，包括脉冲电源、针状电极、平板电极和陶瓷绝缘片，其中，针状电极与平板电极之间的距离为2-20mm。

3、根据权利要求1所述的设备，其中低温等离子体发生器是电晕放电等离子体发生器，包括脉冲电源、针状电极、平板电极，其中，针状电极与平板电极之间的距离为2-20mm。

4、根据权利要求1所述的设备，其中所述的过滤层是吸附一氧化碳和二氧化碳的吸附层。

5、根据权利要求4所述的设备，其中所述的吸附层由霍加拉特和氢氧化钠等材料复合形成

6、根据权利要求2、3所述的设备，其中所述针状电极与平板电极之间的距离为3-10mm。

7、根据权利要求2、3所述的设备，其中所述针状电极与平板电极之间的距离为8mm。

8、一种气体净化处理方法，包括以下步骤：

吸入气态污染物；

对风机吸入气态污染物进行低温等离子体进化处理；

对经过等离子体净化处理的气体进行过滤，过滤剩余的有害气体；

对过滤后的气体进行负离子处理，增加空气质量。

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