低温等离子体技术在环保方面的应用研究进展

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1、低温等离子体技术在环保方面的应用研究进展摘要：本文介绍了等离子体相关概念及产生原理，对低温等离子体技术在环境治理方面的应用研究进展做了概述，内容涉及低温等离子体技术对废水和废气的净化处理。关键字：低温等离子体；环保；技术1、引言等离子体(Plasma)一种由自由电子和带电离子为主要成分的物质形态，广泛存在于宇宙中，也是宇宙中丰度最高的物质形态[1][2]，常被视为是物质的第四态(另一种第四态是液晶体)，被称为等离子态，或者“超气态”，也称“电浆体”。等离子体具有很高的电导率，与电磁场存在极强的耦合作用。等离子体是由克鲁克斯在1879年发现的，1928年美国科学家欧文·朗缪尔和汤克斯（Ton

2、ks）首次将Plasma一词引入物理学，用来描述气体放电管里的物质形态[3],Plasma是源自希腊文，意为可形塑的物体，此字有随着容器形状改变自身形状之意，如灯管中的等离子体会随着灯管的形状改变自身的形状。严格来说，等离子体是具有高位能高动能的气体团，等离子体的总带电量仍是中性，借由电场或磁场的高动能将外层的电子击出，结果电子已不再被原子核束缚，而成为高位能高动能的自由电子。1.1、等离子体的形成原理等离子体通常被视为物质除固态、液态、气态之外存在的第四种形态。如果对气体持续加热，使分子分解为原子并发生电离，就形成了由离子、电子和中性粒子组成的气体，这种状态称为等离子体。除了加热之外，还

3、可以利用如加上强电磁场等方法使其解离。当外加电压达到气体的着火电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子核自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，这时的等离子体称为低温等离子体。1.2、等离子体的性质等离子体与气体的性质差异很大，等离子体中起主导作用的是长程的库仑力，而且电子的质量很小，可以自由运动，因此等离子体中存在显著的集体过程（collectivebehavior），如振荡与波动行为。等离子体中存在与电磁辐射无关的声波，称为阿尔文波。等离子态常被称为“超气态”，它和气体也有很多相似之处，比如：没有确定形状和体积，具有流动性，但等离

4、子体也有很多独特的性质。等离子体中的粒子具有群体效应，只要一个粒子扰动，这个扰动会传播到每个等离子体中的电离粒子。等离子体本身亦是良导体。1.3、等离子体和气体的比较等离子体和普通气体的最大区别是它是一种电离气体。由于存在带负电的自由电子和带正电的离子，有很高的电导率，和电磁场的耦合作用也极强：带电粒子可以同电场耦合，带电粒子流可以和磁场耦合。描述等离子体要用到电动力学，并因此发展起来一门叫做磁流体动力学的理论。和一般气体不同的是，等离子体包含三到四种不同组成粒子：自由电子、带正电的离子、中性气体原子（未电离的原子）和自由基。因此可以针对不同的组分定义不同的温度：电子温度和离子温度。轻度电

5、离的等离子体，离子温度一般远低于电子温度，称之为“低温等离子体”。高度电离的等离子体，离子温度和电子温度都很高，称为“高温等离子体”。相比于一般气体，等离子体组成粒子间的相互作用也大很多。等离子体常称为固体、液体及气体以外的第四相[8][9]。但其特性和其他能量较低的物质状态有显著不同。等离子体和气体都没有一定的形状及体积，但两者仍有以下不同之处：1.4、常见的等离子体等离子体是宇宙中存在最广泛的一种物态，目前观测到的宇宙物质中，99%都是等离子体，虽然分布的范围很稀薄。2、等离子体化学理论及其应用研究2.1、等离子体化学理论等离子体是高度电离的气体，它由电子、离子、原子及分子组成的混合气

6、体，整个体系的正负电荷相等而呈中性，具有与一般气体不相同的性质，其内电子、离子、甚至中性粒子一般都具有较高的能量，所进行的各种化学反应，都是在高激发态下进行的，完全不同于经典的化学反应。这样使等离子体内的原子或分子的本性通常都发生改变，如惰性气体化学活泼性也会变得很强，能生成XeF6和O2F2等。地球上等离子体只能在实验条件下产生，气体放电是最常用的人工产生等离子体的方法，还可以用微波加热、激光加热、高能粒子轰击方法产生等离子体。例如氘气在温度高到105K时，就形成电子和氘核组成的等离子体，这时的气压可高达常压的1360倍。然而等离子体在自然界却是大量存在的，宇宙中绝大多数（或99%以上的

7、物质，都是以等离子状态存在的）。恒星和星际空间的物质，绝大部分呈等离子状态，地球上的一些自然现象，如电离层、极光、闪电等都和等离子体有关，研究天体物理的许多问题如星系结构，恒星表面现象，太阳风等也都与等离子体有关。等离子体理论涉及到物理学、气体动力学、电磁学、化学等学科，现已成为一门新兴的交叉学科。2.2等离子体理论的应用等离子体理论是一个新兴领域，各种人工产生的等离子体可用于等离子体切割、等离子体喷涂、磁约束/惯性约束