潔凈空氣—低溫等離子體廢氣處理
隨著城市化和工業化進程的不斷推進,空氣污染已經成為一個嚴峻問題。汽車廢氣、使用化石燃料的發電廠及石化工廠是主要的空氣污染源,隨著科技的發展人們開始利用低溫等離子體來進行廢氣的處理。
潔凈空氣是多種氣體成分組成的混合氣體,主要成分為氮氣和氧氣,還含有少量氬氣、二氧化碳、氖氣、氦氣及其他氣體。臭氧、懸浮顆粒、氮氧化物、一氧化碳、重金屬等污染物會造成空氣污染,吸入人體后將危害健康。呼吸受污染的空氣會罹患呼吸系統疾病、肺功能損傷、心肺疾病等,并導致死亡率上升。每年由于呼吸顆粒狀空氣污染物而導致肺部疾病死亡的人數甚至多余交通事故死亡人數。與成人相比,兒童更易遭受空氣污染的影響。此外,孕婦還會將空氣中含有的致癌物質傳給胎兒。
空氣污染并非僅僅是工業化的產物。在一些發展中國家,最大污染源是采用固體生物燃料來進行烹調和采暖用途時所產生。此外,稻田、牲畜和森林火災釋放出的甲烷也是一種天然污染源。
燃煤電廠、機動車廢氣和化工廠是城市空氣污染的主要源頭?;剂系娜紵强諝庵形⑿︻w粒的主要來源;汽車尾氣中含有碳氫化合物、氮氧化合物、二氧化硫、懸浮顆粒物和一氧化碳,以及甲醛、乙醛和苯等有毒的有機化合物;化工廠排放的大量揮發性有機污染物。近期公布的證據顯示,柴油發電機廢氣的危害程度遠遠超過人們之前的認識。
空氣中的懸浮顆粒物由微小的固體顆粒和液滴組成。懸浮顆粒物包括尺寸介于0.5~100um、在空氣中漂浮的所有微粒。直徑小于10um的懸浮顆粒物可以通過呼吸進入人體肺部。
燃料在發電廠鍋爐和機動車的發動機內燃燒后,會產生二氧化氮及其他氮氧化物。二氧化氮是一種強氧化劑,在空氣中可以通過化學反應生成具有腐蝕性的硝酸以及有毒的有機硝酸鹽。汽車的發動機和工廠所釋放出的氮氧化物及活性炭氫化合物,這兩種污染物在大氣中經紫外線照射后會產生化學性質高度活潑的臭氧。此外臭氧還是形成光化學煙霧的一種關鍵成分。
一氧化碳是一種由于煤炭、木材和石油的不完全燃燒而產生的有毒氣體。在城市中,汽車尾氣排放的一氧化碳占大氣中一氧化碳總量的95%之多,其他一氧化碳則源自工業生產以及鍋爐或焚化爐燃料的燃燒過程。
煤炭和柴油等含硫燃料在發電廠鍋爐和柴油發動機燃燒時,會產生二氧化硫。與二氧化碳相似,二氧化硫在大氣中也會形成酸性顆粒。
廢氣物燃燒過程中會產生飛灰,飛灰含有鉛、鎳、銅、汞等金屬污染物,以及二噁英和呋喃等有毒物質。顆粒狀污染物通常包含許多致癌物和有毒重金屬,如砷,鋇、銅、鉻、氧化鐵、汞等。在所有懸浮重金屬污染物中,鉛對環境的危害最大。
許多國家在制定更加嚴格的規章制度,試圖在源頭上消除污染物的產生。例如,美國于1990通過的《清潔空氣法案》對二氧化硫排放設置了一個永久性封頂上限,要求2000年后美國全國的二氧化硫排放量不得超過890萬噸。歐洲和日本也陸續發布了嚴格的環保規定。歐洲于1999年發布了《揮發性有機物法令》,目的在于杜絕或降低直接獲間接揮發性有機物排放對環境的破壞,改善空氣質量,并降低對公眾健康的潛在威脅。該法令有望在1999~2010年將歐洲工業污染物的排放降低57%,這估計將會對屬于22個產業部門的40萬家企業造成影響。處于快速工業化進程中的拉丁美洲和亞洲國家也已經開始意識到環境污染問題的嚴重性。
采用等離子體輔助處理工藝可以減輕大氣污染物造成的環境破壞。等離子體可以產生大量的活性組分。與傳統的熱激發方法相比,等離子體處理工藝可提供更多的反應消解途徑。
非平衡等離子體中的電子能量分布不同于重粒子,且二者處于不平衡狀態,因此可以認為含電子氣體的溫度遠高于含中性粒子和離子的氣體。由此可以可引導高能電子通過碰撞作用激發氣體分子,或使氣體分子發生分解和電離。上述過程中所產生的自由基則可分解污染物分子,等離子體的化學效應可以實現物質的化學轉化。與僅依靠等離子體的熱效應進行分子分解相比,利用等離子體的化學效應實現物質轉化的效率更高,許多情況下,有毒污染物分子十分稀薄,在這種情況下采用等離子體輔助處理是一種事半功倍的辦法,其效果類似于焚燒爐采用的焚燒工藝。
低溫等離子體處理工藝采用高能電子轟擊 載氣(氮氣和氧氣),使其發生電離和分解,隨后自由基/離子目標氣體分子發生反應;工藝中要生成大量不可利用的離子/自由基,同時耗費大量電能。因此,美國橡樹嶺國家實驗室研究人員認為,盡管低溫等離子工藝優于熱等離子體工藝,但是其能量利用率太低。目前橡樹嶺實驗室正在努力開發一種新型等離子體化學處理工藝,該工藝的基礎在于橡樹嶺國家實驗室的近期發現,即對于特定分子,在電子處于高激發態時,會產生極大的附著電子的等離子體橫截面。此外,相關科研人員正在研究采用放電效應的靶向激發應以亞穩態稀有氣體的激發轉移效應,可以精確激發靶向氣體,而不會含有氮氣和氧氣的載氣上浪費能量,因此可大幅度降低處理成本。