等离子体

 

随着温度上升物质的存在状态一般会呈现出固态、液态、气态三种物态的转化过程,我们把这三种基本形态称为物质的三态,对于气态物质、温度升至几千度时,由于物质分子热运动加剧、相互间的碰撞就会使气体分子产生电离,这样物质就变成自由运动并相互作用的正离子和电子组成混合物, 我们把这样存在的状态称为物质的第四态即等离子体,等离子体占宇宙物质存在形式达百分之九十九。其温度分布从100K的低温等离子体到超高温核骤变等离子体的108109K110亿摄氏度)。 


 
                                                         等离子枪

等离子体由自然产生的称为自然等离子体(如北极光和闪电),由人工产生的称为实验室等离子体。

不少人工产生等离子体的方法主要有:直流弧光放电法、交流工频放电法、高频感应放电法、低气压放电法(例如辉光放电法)和燃烧法。前四种放电都用电学手段获得,而燃烧则利用化学手段获得。

目前工业上使用的等离子体为电弧放电也即低温热等离子体,在实际的低温热等离子体发生装置中,阴极和阳极间的电弧放电作用使得流入工作气体发生电离,输出的等离子体呈喷射状,用作等离子体射流或等离子体喷焰等,喷焰具有很高的热焓,其焰芯温度可达10000℃30000℃,外焰部份也可达到3000℃ 。正是电弧放电等离子体的高温高热焓等特性,已被国外先进国家首选为无害化处理各种工业有毒有害废弃物的技术之一,并已逐步广泛应用。

等离子体发生器的放电原理

利用外加电场或高频感应电场使气体导电,称为气体放电。气体放电是产生等离子体的重要手段之一。被外加电场加速的部分电离气体中的电子与中性分子碰撞,把从电场得到的能量传给气体。电子与中性分子的弹性碰撞导致分子动能增加,表现为温度升高;而非弹性碰撞则导致激发(分子或原子中的电子由低能级跃迁到高能级)、离解(分子分解为原子)或电离(分子或原子的外层电子由束缚态变为自由电子)。

气体放电分为直流放电和交流放电。

直流放电  通常指低频放电,在气压和电流范围不同时,由于气体中电子数、碰撞频率、粒子扩散和热量传递速度不同,会出现暗电流区、辉光放电区和弧光放电区(图 1)。电流的大小是根据电源负载特性曲线(图 1)中两条相应于电阻R1、R2的下降直线和放电特性曲线的交点(工作点A、B、C)确定的。

Image:Lxbinea8.jpg   ①暗电流区 电子在电场加速的情况下,获得足够能量,通过与中性分子碰撞,新产生的电子数迅速增加,电流增大到10-710-5安时,在阳极附近才出现很薄的发光层。   ②辉光放电区 电流再增大(10-510-1安)时,在较低的气压条件下,阴极受到快速离子的轰击而发射电子,这些电子在电场作用下向阳极方向加速运动。阴极附近有一个电位差很大的阴极位降区。电极之间的中间部分是电位梯度不很大的正柱区,其中的介质是非平衡等离子体。正柱区的电子和离子以同一速度向壁面扩散,并在壁面复合,放出能量(这是没有气体对流时的情况)。经典理论中电子密度在横截面上的分布是贝塞耳函数的形式。在阳极附近有一个几毫米厚的阳极位降区,其中的电位差与气体电离电位的数值大致相等。   ③弧光放电区 当电流超过 10-1安且气体压力也较高时,正柱区产生的焦耳热大于粒子扩散带到壁面的热量,使正柱区中心部分温度升高,气体电导率增加,以致电流向正柱区中心集中,形成不稳定的收缩现象。最后,导电正柱缩成一根温度很高、电流密度很大的电弧,这就是弧光放电。 在气体压力和轴向电场在横截面上呈均匀分布的条件下,根据气体性质参数和管道的几何形状对磁流体力学基本方程组进行简化,可以算出管道中气流速度和温度分布以及电弧各参量。   交流放电 通常指工频和高频放电。   等离子体发生器的种类 目前,在科学技术和工业领域应用较多的发生器有电弧等离子体发生器(又称等离子体喷枪、电弧加热器)、工频电弧等离子体发生器、高频感应等离子体发生器、低气压等离子体发生器、燃烧等离子体发生器五类。最典型的为电弧、高频感应、低气压等离子体发生器三类。它们的放电特性分别属于弧光放电、高频感应弧光放电和辉光放电等类型。   电弧等离子体发生器 又称电弧等离子体炬,或称等离子体枪 。它是一种能够产生定向"低温"(约 3000K30000K)等离子体射流的放电装置,已在等离子体化工、冶金、喷涂、喷焊、机械加工和气动热模拟实验等领域中得到广泛应用。   电弧等离子体发生器主要由一个阴极、(阳极用工件代替) 一个阳极或多个阳极、以及等离子体工作载气供给系统三部分组成。等离子体发生器按电弧等离子体的形式可分成非转移弧发生器和转移弧发生器。

电弧等离子体发生器由于阴极损耗,必然使等离子体中混入阴极材料。根据不同的工程需要,可选用损耗程度不同的材料作阴极。如要阴极损耗尽可能小,一般采用难熔材料,但具体选择材料时应考虑到所使用的工作气种类。如工作气为氩、 氮、氢-氮、氢-氩时,常用铈-钨或钍-钨作阴极;工作气为空气或纯氧时,可用锆或水冷铜作阴极。

  工业上应用的电弧等离子体发生器的主要技术指标是功率、效率和连续使用寿命。一般其输出功率范围为102107,效率较高(约为50%~90), 寿命可达数百小时 ,等离子体射流温度范围约在3700K25000K(取决于工作气种类和功率等因素),射流速度范围为1104米/秒。

高频感应等离子体发生器  又称高频等离子体发生器,或称射频等离子体发生器。它利用无电极的感应耦合,把高频电源的能量输入到连续的气流中进行高频放电。高频等离子体发生器及其应用工艺有以下新特点:

  ①只有线圈,没有电极,故无电极损耗问题。发生器能产生极纯净的等离子体,连续使用寿命取决于高频电源的电真空器件寿命,一般较长,约为20003000小时。在等离子体高温下,由于参加反应的物质不存在被电极材料污染的问题,故可用来炼制高纯度难熔材料,如熔制蓝宝石、无水石英,拉制单晶、光导纤维、炼制铌、钽、海绵钛等。   ②高频等离子体流速较低(约0103米/秒),弧柱直径较大。 工业上制备金属氧化物、氮化物、碳化物或冶炼金属时,反应物在高温区停留时间长,使气相反应很充分。   根据电源与等离子体耦合的方式不同,高频等离子体发生器可分为:电感耦合型(4a)、电容耦合型(4b)、微波耦合型(图4c)和火焰型(4d)。高频等离子体发生器由三部分组成:高频电源、放电室、等离子体工作气供给系统。    高频等离子体炬在工业中已有多方面的应用,特别是在等离子体化工、冶金和光学材料提纯等方面。它还可制备超导材料,如用氢高频等离子体还原钒-硅(或钒-锗),铌-铝(或铌-锗)的氯化物蒸气以制备超导材料。中国冶金、采矿企业中需处理的钛矿石、含钒矿渣、磷矿石以及工业难熔废料含稀有材料的矿渣很多,采用高频等离子体炬是颇有前途的冶炼手段,可从中炼出有用的金属和稀有元素。   高频等离子体发生器的功率输出范围为0.51兆瓦,效率为50%~75%,放电室中心温度一般约高达7000K10000K   低气压等离子体发生器 一种低气压气体放电装置,一般由三部分组成:产生等离子体的电源、放电室、抽真空系统和工作气(或反应气)供给系统。通常有四类:静态放电装置、高压电晕放电装置、高频(射频)放电装置和微波放电装置。把被处理的固体表面或需要聚合膜层的基体表面置于放电环境中,由等离子体处理。由于低气压等离子体为冷等离子体,当气压为 13313.3帕左右时,电子温度高达10000K,而气体温度只有300K,既不致烧坏基体,又有足够能量进行表面处理。   低气压等离子体发生器已日益广泛应用于等离子体聚合、制备薄膜、刻蚀、清洗等表面处理工艺中。成功的例子如:在半导体制作工艺中,采用氟里昂等离子体干腐蚀,用离子镀法在金属表面生成氮化钛膜等。70年代以来,低气压等离子体对非金属固体(如玻璃、纺织品、塑料等)的表面处理及改性技术也有迅速发展。  

  等离子体处理危险废物技术  

将等离子体用于处理各类污染物具有处理流程短、效率高、适用范围广等特点,尤其是对于多氯联苯类(PCB)、氟里昂类等难消解含卤化合物及生物技术产业、农药、医院等的特殊废弃物处理,常规的燃料热源技术的处理效率常不能达到国际规定的标准(PCB的消解效率必须大于99.9999%),并且更高毒性的多氯二苯并二(PCDDs) 与多氯二苯并呋喃(PCDFs) 的二次污染问题日益引起人们的重视。等离子体既可用于处理废气又可用于处理废水、固体废物、污泥、医疗垃圾甚至放射性废物。

  等离子体技术在环境污染物处理上的应用 (一)等离子体技术处理废物的特点利用大功率等离子体处理危险有害的废弃物和一般的焚烧方式大不一样,等离子体火炬的中心温度可高达摄氏23万度,火炬边缘温度也可达到3千度左右。当高温高压的等离子体去冲击被处理的对象时,被处理物的分子、原子将会重新组合而生成新的物质,从而使有害物质变为无害物质,甚至能变为可再利用的资源。因此等离子体废物处理是一个废料分解和再重组过程,它可将有毒有害的有机、无机废物转成有价值的产品。等离子体高温分解特性是:第一,温度越高产生的分子的分子量越小;且C/H比越高,炭沉积为烟灰;第二,高温分解的许多产物的化学反应随温度降低而降低。炭,氢,氯在300C左右容易形成致癌物质:二氧()芑,呋喃等,由于等离子体在处理废物时温度高,不易形成致癌物质,所以可以达到“零排放”。

  几乎所有废料均可被等离子体处理并转换成有用的产品。等离子体火炬处理废物有如下特点:

a. 可以处理有毒、有害危险及高危险废物,包括有机的、无机的、气体、液体及固体。

b. 能够完全地、安全地将有毒废料转化成无毒且有使用价值的产品。c. 符合最严格的排放标准,减容率高。许多有毒有害的物质是不能焚烧的,例如PCBs、农药、杀虫剂等等,而使用等离子系统则可以安全地处理并且可以随时起动和停机,而等离子设备的减容量非常高,其它处理设备做不到的。  

现在,低温等离子体技术与应用已经是一个具有全球影响的重要的科学与工程,对高科技经济的发展及传统工业的改造有着巨大的影响。