第2章　等离子体与等离子体净化有机废气

2.1　等离子体

2.1.1　等离子体定义与特征

传统意义上的等离子体是一个与血液联系的术语，它作为血液细胞悬浮于其中的液体成分。直到1928年，当Irving Langmuir把悬浮的血液细胞比作等离子体放电中自由电子时，他把电离气体称为等离子体。即使在这个新应用被研发出来后，人们对电离气体及其应用仍然知之甚少。事实上，直到等离子体电视被广泛销售，公众才了解到等离子体技术可产生光源和能源。

等离子体（plasma）就是处于电离状态的气体，由大量的电子、离子、中性原子、激发态原子、光子和自由基等组成。等离子体与气体、液体和固体特征不同：微观角度来看，带电粒子有正负之分，且所有负粒子的电荷总量与所有正粒子的电荷总量相等，而又能在宏观尺度内呈电中性；带电粒子之间不存在净库仑力，等离子体是一种优良导电流体；带电粒子之间无净磁力；具有一定的热效应，因此被称为第四态物质。

2.1.2　等离子体分类

等离子体在许多条件下都存在，并且其性质取决于多种参数（压力、温度以及密度）。等离子体能够自然产生，也能人工制造出来，温度可以从室温变化到太阳的温度。

自然界中有许多等离子体的例子。宇宙中99%的物质是以等离子体状态存在的，如太阳、恒星星系、星云等，自发产生的如闪电、极光等。

常见的人工等离子体有日光灯、霓虹灯、电弧放电、气体激光器等。人工产生等离子体的方法主要有气体放电法、光电离法和激光辐射电离射线、辐照法、燃烧法、冲击波法。

等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体，如表2-1所列。

表2-1　等离子体分类

电子温度（Te）、离子温度（Ti）、中性粒子（原子、分子、自由基和激发态粒子）温度（Tn）近似相等（Te≈Ti≈Tn）的热平衡等离子体称为热等离子体。Te≫Ti，Te≫Tn的非热平衡等离子体称为非热等离子体。低温等离子体的分类及特性如表2-2所列。在表2-2中，各种放电类型的激发压、电子能量、最大温度、载体、电子密度以及伏安特性均有介绍。

表2-2　低温等离子体的分类及特性

①1bar=100kPa，下同。

2.1.3　低温等离子体应用

低温等离子体正在向越来越多的工业应用领域进军：a.能源，其范围包括从更新、更高效的常规形式能源的产生途径到其他能源形式的产生途径，乃至能量节约；b.环境保护，其范围包括从环境净化技术到绿色生产，如图2-1所示；c.健康与生命科学，包括了生物医药工程不断出现的各个领域；d.信息技术，其范围从半导体制造到通信交流及传感应用；e.材料加工与合成，包括纺织品表面处理、纳米材料及智能材料合成。

图2-1　低温等离子体在环境相关领域中的应用