2.2　低温等离子体净化有机废气

低温等离子体是一种可以减少挥发性有机物（VOCs）和其他工业废气排放的新兴技术，已经在大范围的排放物处理中得到有效应用，包括脂肪族烃、氯氟烃、甲基腈、碳酰氯、甲醛、硫和有机磷化合物、硫和氮氧化物，这样的等离子体可以通过各种放电（辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、滑动弧放电）或电子束产生。气体放电产生等离子体，其中主要的电能（大于99%）用于产生高能电子，而不是加热全部的气流。这些高能电子通过载气分子的电子轰击分裂、激发、电离产生激发粒子、自由基、离子和额外的电子。这些活性粒子则可氧化、还原或分解污染物分子，并不需要加热全部气流来破坏污染物。另外，低温等离子体技术具有高选择性和相对低的维护要求，高选择性使其在排放控制时有相对低的能耗，而低的维护要求减少了每年的维护费。等离子体净化过程的产物事实上很难与焚化产物（CO、H2O、SO2等）区别，但这些技术中发生的化学反应与焚烧中发生的反应基本不同。

有机废气放电反应器中的高电场为电击穿制造条件，在击穿中会产生许多电子-离子对。最初的电子被电场激发，并产生二次电离等，制造的激发粒子、原子、自由基、分子和离子、电子可以与挥发性有机物分子在一定程度下互相作用。通常，控制VOCs化学处理主要机制如下。

1）自由基诱导的VOCs破坏　羟基和其他活性自由基通过一个高能电子激发的多级机制产生。事实上，应用能量越高的电子，可以获得越高的破坏效率。

一方面，由于自由基反应的反应性很高，所以化学反应涉及的自由基进程通常非常快；另一方面，选择率对于实现合理的能量系数和副产品的性能是必不可少的。图2-2展示了一些自由基的反应路径。最理想的自由基污染物反应路径是路径CH-1。然而高反应性通常意味着低选择率。相同时间发生的还有竞争反应（路径CH-2）。这些竞争反应可能会引起自由基的选择率较低，尤其是当降解稀释后的污染物时。

图2-2　自由基的反应路径

2）直接由电子诱导的VOCs破坏　这个机制通常只发生在强电负性气体中。

3）直接由离子诱导的VOCs破坏　直接由离子引导的VOCs分解与氢氧基形成机制类似。当VOCs粒子或它们的中间产物通过有低电离势能的其他破坏机制产生时，电交换过程会促进进一步的分解反应。

4）水滴与簇加强VOCs破坏　在大气压放电下产生的离子是天然的核，且可以激发水的浓缩或簇的形成。液相捕获阳离子和臭氧分子；捕获的粒子引导液滴中羟基自由基的形成。当自由基遇到液滴时可以有效地破坏VOCs分子。

5）紫外线对VOCs破坏　等离子体中的紫外线（UV）辐射可以有效地选择性分解VOCs。尽管在非热等离子体中它并不是分解VOCs的主要机制，但在辅助VOCs破坏过程中，紫外线起到了很大的作用。通常，等离子体放电释放的紫外线辐射可以破坏分子键。

表2-3展示了不同的处理VOCs的非热等离子体技术。电子束产生带有最高平均电子能（5～6eV）的等离子体；脉冲电晕放电的平均电子能与之相近，为3～5eV。然而，脉冲电晕放电具有低投资成本的优势。总的来说，两个技术都已应用于处理煤发电厂释放的含有NOx和SO2的气体。

表2-3　VOCs处理的非热等离子体技术比较