空气低温等离子体（精选八篇）
空气低温等离子体 篇1
关键词：低温等离子体技术,空气污染控制,应用
1 前言
低温等离子化学学科形成于20世纪60年代, 技术人员通过等离子体净化气态, 保证气态的洁净程度更高。这项技术的实践开始于20世纪70年代, 其优点和发展前景非常广阔, 应用于社会生活的各个领域, 但是大部分低温等离子化学学科还处于研究和开发阶段。根据大量低温等离子化学研究, 等离子体法的特点是能耗低, 流程短和效率高, 同时也有非常广泛的适用范围。等离子体可以对废气进行处理, 同时也可以对固体废物, 废水和放射性物质进行处理, 应用范围非常广。因此, 对低温等离子体技术在空气污染控制中应用的分析非常必要。
2 低温等离子体对污染物分解的原理分析
很多离子, 电子和活性基存在于低温等离子体中, 这些粒子的化学活性较高, 能够发生活化能化学反应。有些污染物通过常规方法很难去除, 可以通过低温等离子技术转化。低温等离子体净化是通过高能电子发生碰撞, 对能量进行转化, 通过离析, 激发和电离等方法使气体保持活化状态。如果电子能量不高, 有活性自由基产生, 污染物分子经过活化, 通过化学反应将污染物脱除。如果电子超过污染物分子化学键结合能, 会断裂分子键, 分解污染物, 可能有各种化学反应发生于低温等离子体中, 主要由气体温度, 电子密度和污染物气体分子浓度决定。
3 低温等离子技术应用于空气污染控制
烟气中含有的污染物较多, 包括颗粒物, NOX和SO2, 在实际净化过程中可以应用等离子法。很多专家已经开始研究脱氮, 烟气脱硫和除尘等一体化系统的可行性。1985年技术人员专门研究在脉冲放电厂中脱除NOX和SO2的方法, 反应器中的自由基发生氧化。如果气体含有碱性物质, 发生异相反应生成液体, 并脱除这些液体。脉冲放电可以提高飞灰粒子的荷质, 对反电晕产生抑制, 有较高的除尘效率。从理论上表明脱氮, 脱硫和除尘的一体化过程, 也有一体化操作装置。
脉冲电晕放电等离子处理烟气的实验, 可以脱除烟气中的二氧化硫, 通过定向作用, 分解为氮气, 氧气和单质固体微粒, 分解率可以达到80%以上。技术人员通过脉冲可以氧化NOX和SO2, 使其形成相应的酸。技术人员将氨添加其中, 产生硝铵和硫铵。技术人员通过脉冲放电烟气除尘, 将二氧化硫进行脱除。如果烟气在反应器中停留时间较短, 水蒸气和灰飞结合, 可以对NOX和SO2进行脱除, 脱除率分别是33%和23%。根据实际烟气条件, 如果烟气温度不高, 可以通过等离子法处理, 取得的处理效果也比较好。如果存在灰飞现象, 脉冲放电可以有效去除二氧化硫。
4 对温室气体和难降解物质进行处理
近些年, 技术人员不断拓宽等离子体法的应用范围, 应用研究主要集中在温室气体效应的处理方面。技术人员对温室效应气体控制的过程中, 可以通过超高压脉冲电晕放电, 产生较高能量。低温等离子气体向二氧化碳气体分子作用时, 会断裂二氧化碳分子化学键。通过定向化学反应, 对二氧化碳气体进行分解, 使其形成单质固体微粒碳和氧气, 达到90%的分解率, 通过新技术方便温室效应气体的治理。
5 低温等离子处理技术的发展前景
我国工业发展需要的煤炭量非常大, 环境保护工作的重点是加强烟气治理工作, 传统的脱硫方法和烟气除尘方法的特点是具有复杂的工艺, 不容易对产生的废液进行处理。近些年, 我国发展的脱硫技术包括干法脱硫技术和半干法脱硫技术。受到传质条件差和操困难等因素的影响, 工业化过程是比较困难的。站在燃煤烟气的治理角度, 等离子体的发展前景非常好。根据现有的实验, 等离子体法具有良好的处理效果。
6 结语
综上所述, 低温等离子体技术属于新兴技术, 相对于传统技术, 这项技术具有一定的创新性和先进性, 可以处理传统技术无法处理的问题, 因此被广发应用于空气污染的控制中。文章首先分析低温等离子体对污染物分解的原理, 再分析低温等离子技术应用于空气污染控制, 再分析对温室气体和难降解物质进行处理, 最后提出低温等离子处理技术的发展前景。希望通过本文的研究对低温等离子体技术在空气污染控制中应用水平的提高有所帮助。
参考文献
[1]刘道清, 季学李.低温等离子体技术及在空气污染控制中的应用.
[2]张少军, 侯立安, 王佑君.应用低温等离子体技术治理空气污染研究进展.
[3]宁晓宇, 陈红, 耿静, 李昌建.低温等离子体-催化协同空气净化技术研究进展.
[4]余正贤.等离子体技术在大气污染控制中的应用.
空气低温等离子体 篇2
背 景
有機废气主要指挥发性有机化合物，挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,简称VOCs)是指室温下饱和蒸汽压大于70.91Pa，在空气中沸点在260℃以下的有机物。有机废气主要来源于石油化工、印刷、涂料和其他一些工艺。传统的VOCs治理方法主要有吸附法、液体吸收法、冷凝法、吸附－催化燃烧法、光催化法和生物降解法等，但是这些传统的治理工艺在处理低浓度大风量的有机废气存在一些缺点和不足。近年来兴起的低温等离子体催化技术由于具有操作简便、投资少、处理效率高等优点，被广泛应用于低浓度大风量的有机废气治理。
1.低温等离子体的定义
等离子体就是处于电离状态的气体，其英文名称为plasma。等离子体是被称作除固态、液态和气态之外的第四种物质存在形态。它是由大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子（原子、激发态分子及光子）所组成的体系，因其总的正、负电荷数相等，故称为等离子体，见图1。
根据等离子体的粒子温度，可以把等离子体分为两大类，即热平衡等离子体和非平衡等离子体。当电子温度Te＝离子温度Ti时，称为热平衡等离子体，简称为热等离子体。这类等离子体不仅电子温度高，其他粒子温度也高。当Te>>Ti时，称为非平衡态的等离子体。其电子温度可高达104K以上，而离子和原子之类等其他粒子温度却可低至300～500K，因此也叫做低温等离子体。
2.低温等离子体催化技术去除有机废气的机理
有研究指出[1]：对于有机物在低温等离子体中的氧化降解机理，反应主要有以下几个过程：（1）是低温等离子体中的高能电子与气体分子、原子发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子、原子的内能，发生激发、离解和电离等一系列过程，使气体处于活化状态；（2）在碰撞过程中产生了大量的O、OH、HO2等自由基和活性粒子及氧化性极强的O3，这些活性物种很容易与处于活化状态的气体发生化学反应。（3）O、OH、HO2与有机物分子、破碎的有机物分子基团、等发生一系列反应，有机物分子最终能被氧化降解为CO、CO2和H2O。
催化净化有机物属于多相催化作用。多相催化是发生在两相界面上的催化作用。通常催化剂为多孔固体，在多相催化反应中，有机物被吸附在固体催化剂表面，使反应物分子得到活化，降低了反应的活化能，而使反应速率加快。
低温等离子体催化与传统化学催化既有相似之处，也有其它特点。等离子体催化具有双重活化作用及等离子体－催化体系的协同作用，其作用机理极其复杂。低温等离子体催化协同净化有机废气的机制为：（1）有机物分子在高能电子的作用下形成各种自由基（O、OH、HO2）、带电中间体、小分子烃等；（2）在催化剂的作用下发生化学反应，由于催化作用有特殊的选择性，对相同的反应物，选择不同的催化剂就可以得到不同的产物。因此可以通过调整催化剂，控制有毒有害副产物的产生，使有机物分子降解为CO2和H2O。
3.低温等离子体催化技术去除有机废气的国内外研究现状
李党生等[2]采用介质阻挡放电与催化剂(MnO2，TiO2)联用降解空气中低浓度的苯。介质阻挡放点协同催化降解苯的氧化产物为一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)。添加MnO2、TiO2催化剂后，苯的降解效率得到较大的提高。研究发现苯的转化率随能量密度的增加而增加，当注入反应器的能量密度为1200J/L时，介质阻挡放电降解苯的降解效率约为50%，添加催化剂后苯的降解效率率可达到了92%。
魏长宽等[3]以苯系物作为处理对象，利用串齿线-筒体构成的等离子体反应器，以Pt/Al2O3或Mn/Al2O3催化剂置于等离子体区后，考察了苯系物转化率、COx产率和O3生成情况。结果表明，催化剂放在等离子体区后能大大提高苯系物的转化率，COx的选择性，减少臭氧的排放；认为放电产生的O3不仅参与催化氧化苯系物和CO的反应，而且自身也在催化剂表面分解。
赵雷等[4]采用介质阻挡放电净化甲苯，分析了在改变电压、污染物入口质量浓度等参数后净化效率的变化。实验观察到副产物CO浓度，随着甲苯浓度的增加而增加。通过在等离子体区添加催化剂TiO2，可以提高甲苯的去除能力（由12g/m3增加到16g/m3），降低了CO的产生量，使有机物更多地转化为无害的CO2。
Subrahmanyam等[5]制备了以石英管为介质的介质阻挡放电反应器，以负载了过渡金属的烧结金属纤维作为内电极，通过负载不同的催化剂（Mn，Ti，Co）降解甲苯、异丙醇、三氯乙烯。实验结果表明，增加电压和频率都可以提高能量密度，从而提高有机废气的去除效率和COx的选择性。
4.结语
随着生活水平的提高，人们对大气环境质量的要求日益提，挥发性有机废气带来的污染已受到普遍关注。低温等离子体催化技术理论研究上已经被证实了是去除VOCs的最有效方法之一，特别是在处理低浓度大气量的气体，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]黄立维等.高压脉冲电晕法治理有机废气实验研究.环境污染与防治,第20卷，第1期，1998年2月：4-7
[2]李党生,冯涛,姚水良.低温等离子体与催化剂联用降解空气中低浓度的苯[J].环境科学与技术, 2007, 30(10): 65-67
[3]魏长宽,朱天乐,樊星等.非热等离子体与催化相结合去除气相低浓度苯系物[J].环境科学学报, 2008, 28(4) : 676-680
[4]赵雷,周中平.低温等离子体技术净化空气中的甲苯.环境科学研究.2006,19(4):70 – 73
[5]Subrahmanyam C.; Renken A.; Kiwi-Minsker L. Novel catalytic non-thermal plasma reactor for the abatement of VOCs[J]. Chemical Engineering Journal, 2007, 134(1-3):78-83
空气低温等离子体 篇3
关键词：低温等离子灭菌器,低温报警,维修
低温等离子体灭菌器工作过程主要包括: (1) 真空阶段使灭菌室内真空度达到等离子体放电的真空条件; (2) 注液扩散阶段系统自动注入过氧化氢溶液, 瞬间气化分成分子, 均匀扩散到整个灭菌室; (3) 等离子阶段气化的过氧化氢在RF的作用下产生等离子体, 通过低温离子体的活性Free-radical作用, 使微生物灭绝。当RF波停止时, 离子化状态结束, 转变成稳定的氧分子及水分子, 随后重复注液扩散阶段和等离子阶段, 以保证器械的灭菌效果。 充气阶段:灭菌循环的最后阶段, 通气阀打开, 吸进新鲜空气。
我院于2009年购进一台凯斯普GASP-80A低温等离子灭菌器, 共消毒1680锅, 有10多次消毒失败, 其中低温报警消毒失败三次。就这三次情况汇报如下:
(1) 开机后机器进入预热状态。通常情况下机器开机20 min锅体达到预热效果, 可进行下一操作流程, 但机器始终报温度低检查温度传感器。按合同已过保修期, 联系厂家发现维修价格较高。于是我们决定自己先修修看。打开机器外壳发现在锅体的一周包裹着三根加热带, 发现三路加热带供电正常均为220V。断电检查其中一根加热带电阻无穷大, 购得一加热带更换故障排除。
(2) 机器开机后无法达到预热效果, 我们以为是加热带没工作导致预热效果不好。检查发现三条加热带正常工作。既然加热部分工作正常, 那还有什么影响锅体的温度呢?仔细研究, 发现注液阀与锅体消毒仓直接相连, 如果注液阀关闭不严导致消毒仓与锅外相通从而影响锅体温度;在购得注液阀更换后故障排除。
(3) 机器通电后不能达到预热要求, 提示检查温度传感器。打开机器外壳检查发现三条加热带阻值在正常范围, 有一路没有220V加热电压。进一步检查发现三相固体继电器有一相无电压输出, 更换固体继电器后加热电压恢复正常。大约20 min后达到预热效果。
通过三次维修我们知道设备在出现故障时不能专等厂家服务, 有时依靠自己的智慧也能解决问题。一方面可以提高我们的动手能力, 另一方面也能为医院省下一笔可观的费用, 还可以为临床迎得宝贵的时间。
参考文献
[1]沈伟;国内外内窥镜消毒动态[J];中国消毒学杂志;2002年03期73-74
[2]黄昕, 李洁, 李思, 吴安华;过氧化氢低温等离子体灭菌机灭菌效果及有机物对其影响[J];中国感染控制杂志;2007年01期
[3]段莹, 何玮, 过氧化氢等离子低温灭菌效果观察[J];中华医院感染学杂志;2006年02期
[4]朱娟丽, 张明学, 邢玉斌, 聂颖, 王华生, 宋烽, 何丽, 陈琳, 张铮;刘玉杰;低温等离子体灭菌机的使用对关节镜灭菌效果的评价[J];中华医院感染学杂志;2008年05期
[5]刘玉红, 许多朵, 董薪, 宋烽, 低温等离子体灭菌方式在手术室的应用与管理[J];中华医院感染学杂志;2010年03期
[6]陈石妹;过氧化氢等离子体灭菌器用于腹腔镜消毒的临床应用评价[J];中华医院感染学杂志;2010年07期
空气低温等离子体 篇4
1 低温等离子体概述
低温等离子体主要是指在工业设备或实验室中, 经由高温燃烧或气体放电而生成的部分电离气体, 多为弱电离, 与其他物质存在相互作用。从物理角度出发, 低温等离子体主主要涵盖三类:第一, 冷等离子体;第二, 热等离子体;第三, 燃烧等离子体。在现阶段, 低温等离子体在工业上应用广泛, 有学者将冷等离子体、热等离子体统称为工业等离子体。一般情况下, 低温等离子体主要产生方法包括四种:一是气体放电, 二是射线辐照, 三是光电离, 四是热电离。在实验室或工业生产中, 高浓度等离子体主要经由交流或直流电源生成气体放电而获取, 具有一定的稳定性。而低温等离子体多由气体放电形式生成。立足于放电机理, 气体放电等离子体包括六种形式:一是辉光放电, 二是介质阻挡放电, 三是, 四是微波放电, 五是电弧放电, 六是高频放电。低温等离子体气体放电性质与电场种类、参数相关。
2 不同环境下N-异丙基丙烯酞胺聚合分析
2.1 N-异丙基丙烯酞胺在真空环境下的聚合分析
针对等离子体聚合装置设计而言, 为了促使基体材料表面获取N-异丙基丙烯酸胺聚合薄膜, 故将一个盛有N-异丙基丙烯酞胺的溶液瓶置入反应腔与Ar气瓶间, 在真空环境下可实现单体等离子体聚合 (详见图1) 。在常温下, N-异丙基丙烯酞胺呈白色晶体, 可溶于水, 制作的功能膜温度敏感性能高, 对凝胶渗透色谱、液相色谱填料具有控制作用, 可用作温度增稠剂、伤口贴、电阻墨水、防染剂等。而就聚N-异丙基丙烯酞胺而言, 属于一种热敏高分子材料, 生理相容性好, 相分离特性显著, 在物质分离提纯、药物控释等方应用广泛。基于真空环境下, 经由聚苯乙烯、载玻片作用下, 借助气体放电生成的等离子体, 可进行单体N-异丙基丙烯酞胺聚合, 采用扫描电子显微镜, 可分析形貌变化状况。
2.2 N-异丙基丙烯酞胺在大气压下的聚合分析
基于大气压环境下, 经由介质阻挡放电, 可实现N-异丙基丙烯酞胺聚合, 主要通过载玻片与聚苯乙烯的表面获取薄膜。在聚合过程中, 可将一个盛有N-异丙基丙烯的溶液瓶设置在放电区域与Ar气瓶间。当完全释放Ar气瓶内的气体后, 经由长导管 (溶液瓶) 侵入溶液, 再经短导管将其导出, 进而在放电区域置入N-异丙基丙烯酸胺单体。
3 低温等离子体材料表面改性与聚合薄膜性能分析
低温等离子体聚合N-异丙基丙烯酞胺分析。采用上海物竞化工科技有限公司生产的N-异丙基丙烯酞胺, 应用NIPAAm晶体配制溶液、去离子水, 以载玻片、聚苯乙烯为基片, 水溶液NIPAAm质量浓度确保为45g/L左右。首先, 取室温26℃, 基于特定大气压真空 (0.1atm) 下, 以Ar气携带模式在真空腔中引入单体, 经由等离子体聚合形式获取N-异丙基丙烯酞胺聚合薄膜。需要注意的是, 在反应过程中, 样品聚合时间必须要进行分文别类。分别设置处理时间为10、20、30、40min, 可获取Ar气流量, 均为1L/min。接着, 测量样品表面水接触角。此时, 环境温度为30℃, 在样品上取不同的点, 计算每点接触角, 依据不同的聚合时间, 进而将其绘制成曲线。于10-40min, 聚苯乙烯改性处理后的表面润湿性不同。随后, 对N-异丙基丙烯酞胺作聚合处理。采用6个样品, 设置5、10、15、20、25、30min六个聚合时间, 取6个点测量接触角。结果显示, 聚合时间越长, 薄膜越厚, 接触角呈增大趋势, 多因采用亲水性材料, 导致水滴在其表面的渗透性增加。此外, 载玻片经聚合处理后其表面导入了氮元素, 其成分中包含N-异丙基丙烯酞胺单体及聚合物。
4 结语
综上所述, 本文应用等离子体聚合方式, 获取N-异丙基丙烯酞胺聚合薄膜, 经由扫描电子显微镜对其样品表面形貌进行观察, 并探求聚合薄膜成分, 借助温控装置与接触角测定仪, 测量聚合薄膜热敏性, 充分证明了聚N-异丙基丙烯酞胺的空间存在感。伴随着科学技术的不断发展, 低温等离子体材料处理技术在生产、生活等领域得到了充分应用, 相信其在其他领域将会得到更为广阔的应用空间。
参考文献
[1]许小艳.PVDF中空纤维膜低温等离子体改性及性能研究[D].兰州交通大学, 2013.
[2]王洪艳.冷等离子体处理对木竹材胶合性能及纳米材料构筑的影响研究[D].南京林业大学, 2013.
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[4]王春莲, 陈浩, 赵丽娜, 王继库.低温等离子体在高分子材料表面改性中的应用[J].辽宁化工, 2011 (10) :1067-1069.
低温等离子体灭菌器产品设计及优化 篇5
本文将对灭菌器主要结构和参数提出设计方案, 优化现在市场上已有产品的结构和灭菌参数, 更好地实现产品的性能。
1 结构组成
主要结构包含:灭菌室、密封门、抽真空系统、等离子电源、放电极板、过氧化氢注入系统、无菌进气系统等。
灭菌室通过管路与抽真空系统和无菌进气系统相接, 灭菌室内设计放电极板, 放电极板通过高压屏蔽线与灭菌室外的等离子电源相接, 灭菌室的进出料口装有密封门。
在灭菌室内设计有过氧化氢注入口, 过氧化氢注入口与过氧化氢注入系统相接。
2 主要结构及参数的设计
2.1 密封门
门与门框的密封性直接影响灭菌室保压的水平, 采用通过斜面滑块结构的机械锁紧方式能够保证门与灭菌室门框紧密配合。通常门的移动采用皮带传动方式, 传动平稳、可靠, 无机械响声。
门的强度设计, 应能承受灭菌室内高负压给门体造成的变形和锁紧机构施加在门体上的压力变形, 同时要求门重量轻, 以减少上下移动时给传动皮带带来的压力, 材料应耐过氧化氢腐蚀, 所以门一般采用较厚的铝质材料, 门与门框之间的密封胶条选择硅胶条材料。
2.2 过氧化氢注入系统
过氧化氢注入系统由储液瓶, 电磁阀和汽化室等组成。
汽化室的加热温度应保证过氧化氢汽化, 同时避免温度过高, 使过氧化氢过早分解, 影响灭菌效果;电磁阀控制过氧化氢每次的注入用量;储液瓶内装有液位开关, 过氧化氢剂量不足时, 将信号反馈到控制系统, 显示添加过氧化氢的提示。
2.3 过氧化氢用量控制
在灭菌参数设计时, 控制过氧化氢注入量是灭菌是否成功的主要因素, 以什么形式控制用量是设计时着重考虑的方面。
3 设计方案及优化
3.1 密封门的结构设计及优化
3.1.1 现有产品门的缺点:
门体板上无视窗, 在运行中无法观察产生等离子体的状态, 无法保证灭菌效果与残留过氧化氢的分解。
3.1 2优化设计
设计门体玻璃视窗, 在运行中能够观察产生等离子体的状态, 确定等离子体产生。
设计方案:
(1) 门体上开的视窗孔一般为圆形, 避免采用方孔方式时尖角应力造成门的开裂, 孔不宜过大, 防止贴近视窗观看时, 同时给两只眼睛造成光刺激。
(2) 视窗应选择较厚的透明石英玻璃, 石英玻璃强度高, 同时能够很好地阻碍等离子光束的穿透。
(3) 视窗玻璃与门体的固定选用螺丝紧固形式, 中间应加有密封圈, 保证密封性。
3.2 过氧化氢注入系统的设计
3.2.1 现有产品的缺点:
采用从灭菌室顶部注入过氧化氢, 容易使部分未汽化的过氧化氢进入灭菌室, 造成灭菌不合格和液态过氧化氢不易分解, 液体从上面的喷散容易使被灭菌物品受到腐蚀。
3.2.2 优化设计
采用从灭菌室底部注入过氧化氢的系统, 保证了进入灭菌室的过氧化氢为汽化状态, 既使部分液态过氧化氢进入灭菌室, 也只是聚集在灭菌室底部, 不会给灭菌物造成腐蚀。
设计方案:
(1) 设计的汽化室加热行程足够长, 保证经过的液体过氧化氢完全汽化, 为了加长加热通道的长度, 管道采用迂回式形式。
(2) 汽化室应保持使过氧化氢汽化的温度, 汽化室温度不能过高, 避免过氧化氢过早分解, 降低灭菌能力。
汽化室应进行保温处理, 保温材料应选用耐热材料。
(3) 保证未汽化的过氧化氢不进入灭菌室, 采用U形结构, 使液体过氧化氢集聚在注入口的下方。
3.3 过氧化氢用量控制
3.3.1 固定用量的缺点
灭菌室内负载物的多少直接影响灭菌效果, 当灭菌负载多时, 灭菌效果好, 负载少时, 灭菌效果不好, 这是因为过氧化氢没有渗透性, 只能对物品表面进行灭菌, 对于相同容积灭菌室, 负载少时相对于负载多时, 内室相对空间大, 作用在同样面积负载表面上的过氧化氢分子少, 造成灭菌效果不理想。
3.3.2 优化设计
在参数优化时, 过氧化氢的注入量以压力值的形式反映, 过氧化氢的用量随被灭菌负载量的变化而变化, 无论负载多少, 其注入的汽态过氧化氢压力值保持不变, 从而保证了物品表面单位面积上灭菌剂量相同, 与使用固定用量的方式相比, 提高了灭菌成功率, 在同样使用条件下, 灭菌合格率达到100%。
结语
通过对低温等离子体灭菌器主要部分的设计说明, 为产品的优化改进提供了创新性思维和设计思想, 使产品的使用性和安全性得到提高。
参考文献
[1]GB 27955-2011, 过氧化氢气体等离子体低温灭菌装置的通用要求[S].
空气低温等离子体 篇6
目前鞋类冷粘工艺中, 为了提高粘和效果, 刷处理水是必不可少的工序。但处理水因有机溶剂含量高, 其挥发在空气中的苯、二甲苯成为车间不良气体的重要污染源之一, 对生产环境和员工身体健康产生了不利影响。
苏州卫鹏机电科技有限公司经过多年潜心研发, 利用低温等离子体处理技术, 以气相的低温等离子体处理方法代替传统的液相刷处理水法, 彻底解决了这一难题, 为制鞋工艺带来了革命性的突破。
低温等离子体技术可以实现粘接面清洗、活化、接枝, 能有效去除鞋材表面残留的油脂、脱模剂或其他有机杂质, 使惰性的材料表面具有活性, 以利于与胶粘剂的化学结合或与后续接枝层的化学键合。当表面活化不能满足粘接性能时, 低温等离子可以在活化后的材料表面进行接枝, 利用接枝层的官能团实现与粘接剂的化学键合, 从而提高胶粘剂的使用效果。经验证, 该技术不仅适用于真皮、PVC人造革、PU合成革、化学纤维和天然纤维等帮面材料, 同样适用于橡胶、TPR、尼龙、底材、PU、EVA发泡、TPU等鞋底材料, 在制鞋行业具有广阔的应用前景。除在减少污染物排放方面的优势外, 该项技术处理效率较高, 第一代产品的处理量可以达到300-400双/小时 (包括底和帮) , 较比原有工艺人工使用量减少50%左右, 同时节省了刷处理水的费用, 使整鞋降低成本等优点。
空气低温等离子体 篇7
低温等离子体净化汽车尾气时,可能发生各种类型的反应,既有氧化反应,又有还原反应,这主要取决于电子的平均能量、电子密度、气体温度、污染物气体分子浓度及其共存的气体成分等[2]。由于汽车尾气中有害物成分复杂,所以很多学者以模拟气体为研究对象,对其反应机理进行研究,提出了很多方案但是由于反应机理很复杂目前尚未真正形成统一的理论。本文针对柴油机尾气中的主要有害气体成分NO,根据已有的研究基础,确定反应机理,建立动力学方程,并通过数值模拟与模拟尾气试验数据的对比对反应机理进行研究。
1 动力学模型的建立
1.1 反应过程的分析
低温等离子体是使分子活化的有效方法,它能使几乎所有的分子激发电离和自由基化产生大量的活性基团和高能量的自由电子[3]。
低温等离子体净化模拟汽车尾气时,放电产生的高能电子撞击尾气中的N2、O2等分子,使之离解为活性很强的原子。活性原子在气相化学过程中,与尾气中的NO作用,又会产生其他种类的活性物质,导致一系列复杂化学反应的发生。但由于在NO脱除过程中,中性物种-中性物种的反应起主导作用,因此,除了电子-分子的碰撞反应外,带电粒子的其他反应可以忽略。此外,由于放电阶段活性自由基和离子产生的时间与放电后发生化学过程的特征时间不重合,即放电开始以后在很短的时间内,自由基和离子的浓度就达到了稳定,然后才参与到与氮氧化物的反应中。因此,可以将整个反应过程的模型分为两部分:高能电子撞击气体的过程和一般的化学反应过程。
1.2 化学反应过程中反应速率常数的确定
1.2.1 高能电子撞击气体分子反应的速率常数分析
在低温等离子体反应条件下,高能电子与重粒子(分子、自由基等)之间的反应在整个体系中起着决定性作用。在用低温等离子体净化汽车尾气中的NO时,一般认为高能电子与N2、O2分子的基元反应引发了整个NO转化的反应,即下面两个反应:
反应速率常数是高能电子撞击气体反应的一个很重要的参量,可用公式(3)进行计算:
式中,ε为一个电子的动力学能量;ε0为气体分子的活化能;σ(ε)为电子与气体分子的碰撞截面;为电子速度;me为电子质量;f(ε)为电子能量分布函数。试验条件下,介质阻挡放电在常压下进行,放电区域电子达到平衡的时间小于10-11 s,而放电区域空间电荷的形成时间约为10-9s,所以在电子能量达到平衡的时间内,电场可以视为一个稳态电场,电子能量分布可以看作基本处于平衡状态[4]。因此,电子能量服从波尔兹曼(Boltzmann)分布规律,满足式(4),即:
于是有:
将式(5)代入式(3):
式中,ε0为活化能;kB为波尔兹曼常数;Te为电子的平均温度;kBTe为该电子系的平均能量,N2和O2的活化能分别为8.40 eV和5.58 eV[3]。电子与分子的碰撞反应截面与发生碰撞的离子种类和电子能量状态等有关,一般情况下取平均值,即在一定的条件下,可以将碰撞截面看作常数。对于电子撞击N2和O2的碰撞截面,已有不少学者进行了研究[4]。由于不同的学者采用的方法不同,因此得出的结果也不同。本文在下面的计算中根据文献[3]、[4]确定碰撞截面。
将式(6)积分,得到反应速率常数计算式为:
在介质阻挡放电条件下的平均电子能量取决于放电的折合电场强度。根据试验所用的介质阻挡放电构型,介质薄片厚度为ld,放电间隙为lg,介质和放电气隙间的电容率分别为εd和εg,介质通量密度是均匀的。当作用在电极上的电压为V时,有V=ldEd+lgEg,因此放电间隙间电场强度为:
在试验条件下,放电空间充满N2。放电间隙为5.4mm,石英介质厚度为2mm,εd=4,εg=1。作用电压V=u0sin(ωt),其中,u0=6 kV,ω=2πf,f=14.5kHz。可得放电间隙的电场强度为8.5kV/cm。
电场强度与电子能量有直接的关系,两者几乎呈线性关系,如图1所示。由图1可以得到电子能量的近似值为2 eV。根据式(7)可以计算出电子撞击N2和O2的速率常数k1、k2分别为1.08×10-9cm3/s和1.10×10-10 cm3/s。而介质阻挡放电下,电子浓度为1.0×1014/cm-3[3]。
1.2.2 NO去除的主要化学反应及其速率常数
根据前面的分析及相关文献(表1),在模拟气体试验条件下,发生的主要化学反应得到初步确定,见表1。
注:式中的M代表未参与反应,但与反应物间有能量交换的物质,如气体原子、容器壁、电极表面等。
设第i种粒子的浓度为y(i),则反应体系中出现的各种粒子的动力学数学通式[6]为:
式中,(lm∶ij)表示粒子l与m反应生成粒子i与j。
根据式(9),建立常微分方程组。应用MATLAB语言编写计算程序,用ode23s方法求解该常微分方程组,它基于修正的Resenbrock公式,属于单步解法,可以解决刚性问题。
2 反应动力学模拟结果
2.1 NO去除率模拟结果与试验结果对比
通过建立并求解上述动力学方程,得出试验条件和4种初始浓度下的NO动力学曲线。模拟计算结果与试验测量结果的对比如图2所示。由图2可见:通过表1所列反应体系模拟出的动力学曲线与试验数据一致性良好,说明该反应机理假定的合理性。
从模拟曲线和试验数据均可以看出:N2+NO模拟尾气在等离子体放电区域的停留时间是影响低温等离子体脱除NO的一个重要因素。延长停留时间可以增加单位量尾气的能量输入,这使NO分子被转化去除的可能性变大从而提高其去除率
在停留时间相同的情况下,提高初始浓度,意味着能够参与反应的NO分子的比例减小,因而,其去除率下降,这在图中也得到印证。
2.2 NO2浓度模拟结果与试验结果对比
选取NO初始浓度为1 103×10-6,在相同的放电条件下对体系中NO2的反应动力学进行研究,结果如图3所示。由图3可见:模拟结果与试验结果基本吻合。由于试验设备的流量控制系统的限制,仅能将流量控制到最大250 L/h,不能反应较短停留时间的情形。但仍可从图3观察到,假如停留时间再短一些,NO2浓度变化的趋势与模拟曲线也较吻合。
NO2在N2+O2模拟气体中的主要反应路径为:
其中,最主要的路径是反应(10)。这是因为NO去除的主要路径是通过反应(14)进行的:
在放电开始以后,电子与N2分子撞击,形成了大量的N原子,随后在很短的时间内,由于N原子的浓度很高,通过反应(14)形成了一定量的O原子。当停留时间很短时,反应器内NO还保持了一定的量,这样通过反应(10)就形成一定量的NO2。而且O原子与其他分子之间撞击形成的O2和O3浓度非常小,这样NO2转化为其他更高级的氮氧化物的可能性降低。所以NO2的浓度会呈现出一个峰值。但是当停留时间增加以后,反应(14)所消耗的N会逐渐达到稳定,而放电产生的N原子的数量增大,通过式(12)的反应将NO2消耗。同时也有一部分NO2转化成为其他形式的氮氧化物。
2.3 其他主要物种浓度的模拟结果
在NO+N2的模拟气体中,反应过程中产生的O原子与放电产生的活性N原子相比,数量非常少,因此由O原子参与反应生成的O3、NO3、N2O5等中间产物浓度必然非常低。本文选取NO初始浓度为1103×10-6,在相同的放电条件下对体系中其余主要组分的反应动力学进行研究。图4～图7分别为O2、O、O3、N2、N、NO3的浓度随停留时间的变化曲线。
由图4可见:O2的浓度在初始阶段呈上升的趋势,在停留时间为0.7 s时,基本达到了稳定;O和O3的浓度在初始阶段始终保持在一个很低的值,几乎为0。O3的浓度更是非常的小。在停留时间为0.7 s时,O原子和O3的浓度发生了突然的变化,随后保持在一个稳定的水平。并且O原子和O3变化的趋势均非常明显,几乎为瞬时即达到了稳定。但是从图4可以看出,O原子和O3浓度增加并不多,O原子浓度仅达到7.2×10-6,O3的浓度则只有4.4×10-19×10-6。
由于在停留时间较短时,NO的去除率不是很高,所以反应器内始终存在一定量的NO,O3通过反应(11)被消耗,所以浓度非常低。同时通过反应(14)生成的O原子之间相互撞击,通过反应(15):
生成了一定量的O2。同时通过反应(11)也生成了一定量的O2。当停留时间为0.7 s时,NO的去除率几乎达到了100%,NO的浓度几乎为0,NO2的浓度也只有几个10-6,这时反应(14)达到平衡。O原子的浓度同时达到了最大值,这样通过O原子相互撞击产生的O2和O3的浓度随着O原子浓度的稳定也保持在一个稳定的水平。
由图5可见:模拟尾气经过等离子体反应后,N2浓度会有少量增加,其浓度呈逐渐上升的趋势,在停留时间为0.7s时,即NO去除率接近100%时,达到稳定。这是由于模拟尾气中部分NO中的N原子最终转化为N2分子的结果。
在等离子体反应体系中,放电产生的高能电子撞击N2产生活性N原子,然后通过反应(16):
直接将体系中一部分NO中的N原子转变为N2分子。当停留时间增加,使得NO的去除率达到接近100%以后,上述反应达到平衡,同时N原子相互撞击的反应也达到了平衡。这样当N2的消耗和产生均趋于稳定之后,N2的浓度也保持不变。
由图6可见:N原子的浓度变化曲线与O原子浓度变化曲线的趋势比较相似,即在初始阶段,呈逐渐上升的趋势,但变化得比较缓慢。在停留时间为0.7 s时,N原子浓度迅速增加,随后达到稳定。
N原子是由N2分子与放电产生的电子相互撞击产生的,主要是被NO消耗,其余的N原子则有一部分通过反应
又生成了N2。一旦停留时间足够长,使得NO的浓度几乎为0的时候,那么N原子的消耗量就保持不变了,同时放电产生的N原子浓度不改变,N原子之间相互撞击的反应达到平衡状态,则N原子的浓度也就同时达到了稳定状态。
由图7可见:NO3的浓度变化也是呈逐渐上升的趋势,当停留时间较短的时候,其浓度增长速度缓慢;在停留时间为0.7 s时,则迅速地上升,并维持在一个稳定的水平。NO3的浓度非常低,只达到6.9×10-22×10-6。
NO3在模拟体系中主要参与了下列反应:
由于O原子和O3的浓度始终保持微量级的水平,而且从反应速率常数的角度来看,NO3的生成速度非常慢,因此NO3浓度非常低。
从N2+NO混合气体组分浓度的模拟曲线可以看出:O2、O、N2、N、NO3的浓度在初始阶段持续升高,大约在气体停留0.7 s时达到稳定值。这说明混合气中各组分均受NO去除率的影响而变化,一旦NO的去除率达到很高,接近100%以后,整个反应体系几乎达到平衡,各组分的浓度也保持在稳定的水平。
2.4 O2对NOx去除率结果影响的模拟
在N2+NO体系中加入2%(体积比)的O2,基于N2分子的离解能相比O2分子要大得多,相对N2分子而言,O2分子的离解要容易得多,因此放电产生的高能电子将主要用于离解O2分子,产生活性O原子。动力学模拟中NO的浓度为1103×10-6,试验数据也在相同条件下所得。
图8为NO去除率模拟与试验结果的对比。图9为NO2浓度(体积比)模拟与试验结果的对比。由图8和图9可见:模拟结果和试验结果具有良好的一致性,NO的去除率很高,而且去除的效率更快,在停留时间为0.2 s时就达到了90%以上;但是与不加入O2的条件下相比,NO2的浓度迅速增加,几乎所有的NO最终均转变为NO2,而总的氮氧化物浓度几乎没有改变。这意味着在尾气中存在O2的情况下,如果单一使用等离子体反应器对尾气直接进行净化,并不一定起到很好的去除作用。
3 结论
(1)推导出了高能电子撞击气体分子的反应速率常数的计算公式,并给出了不同电子能量下,N2和O2分子与电子的反应速率常数。
(2)给出了在N2、O2及NO模拟气体中,NO去除的主要化学反应,建立了NO去除的反应动力学模型。应用MATLAB语言编写了计算程序,用ode23s方法求解该常微分方程组,得出了在模拟气体条件下,各组分在不同停留时间下的浓度曲线。
(3)通过比较发现,不管是否添加O2,试验曲线和模拟曲线均吻合较好,验证了动力学模型的合理性和正确性。
参考文献
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空气低温等离子体 篇8
1 实验部分
1.1 材料与仪器
UHMWPE纤维 (FT-103) , 北京同益中特种纤维技术开发有限公司;丙酮 (AR) 、马来酸酐 (CP) 、无水乙醇 (AR) 、甲醇 (AR) , 以上药品均为沈阳昌德隆化工原料有限公司生产;高锰酸钾 (AR) , 沈阳试三生化科技开发有限公司。
低温等离子体仪 (DT-01型) , 苏州奥普斯机电科技有限公司;电热恒温鼓风干燥箱 (DGG-9070AD型) , 上海森信实验仪器有限公司;傅立叶红外光谱仪 (AVATAR-560型) , 美国NICOLET公司;扫描电子显微镜 (JSM-6360LV型) , 日本JEOL公司;电子单纤维强力仪 (LLY-06E型) , 中国莱州电子仪器有限公司;恒温水浴锅 (HH-S1型) , 山东鄄城华鲁电热仪器有限公司;电子天平 (FA2004B型) , 上海越平科学仪器有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 预处理
将UHMWPE纤维置于丙酮溶液中, 浸泡24 h后用蒸馏水淋洗干净, 置于烘箱中70℃烘干12 h, 称重, 备用。
1.2.2 低温等离子体处理[3,4,5]
按照前期工作的结论[6], 低温等离子体处理的最佳工艺即:空气条件下, 150 W, 处理8 min对纤维进行低温等离子体处理。
1.2.3 接枝实验
迅速将低温等离子体处理后的纤维置于马来酸酐接枝单体溶液中进行水浴回流操作。实验采用正交试验法, 考察四因素三水平。四因素依次为溶剂种类、单体浓度、接枝反应时间和反应温度;溶剂三水平依次为蒸馏水、甲醇、乙醇, 所配浓度三水平依次为0.5、1.0、1.5 mol·L-1, 反应时间三水平依次为1、1.5、2 h, 反应温度三水平依次为40、60、80℃。反应结束后, 用蒸馏水冲洗纤维并置于烘箱中40℃, 24 h烘干, 称重, 计算接枝率, 得出接枝反应的最佳工艺。实验结果见表1。接枝率计算公式如下:
式中:η———接枝率, %
Wo———原纤维质量, g
W1———接枝后质量, g
2 结果和讨论
2.1 接枝处理的最佳工艺
由表1数据分析可以得出UHMWPE纤维接枝马来酸酐单体的最佳工艺是:在80℃的1.0 mol/L的马来酸酐水溶液中加热1.5 h。四因素对接枝率影响的主次顺序为:温度、浓度、时间、溶剂。表1中所用的纤维经历了两个处理过程, 即低温等离子体处理和接枝处理过程。第一个处理过程即经过低温等离子体处理后, 纤维表面产生自由基, 致使纤维质量降低;继而经第二个处理过程即接枝处理后, 纤维的表面引入极性基团, 质量又相对增加。因此, 纤维总体质量下降时, 接枝率呈负值, 其绝对值越小, 接枝效率越高。反应温度的影响最明显跟自由基反应机理有关[7], 只有外界提供的能量达到自由基反应的能垒, 该反应才能发生。
2.2 红外光谱分析
按照低温等离子体处理和接枝的最佳工艺处理UHMWPE纤维, 并测定红外光谱谱图见图1, 并与原丝对比, 分析表面成分变化。
在UHMWPE纤维的红外光谱图中, 波数在2 920 cm-1和2 849 cm-1处吸收峰分别为CH2反对称和对称伸缩振动峰;1 463 cm-1和1 474 cm-1处是晶区内CH2对称变形吸收峰;730 cm-1和715 cm-1处分别是晶区内CH2面内、平面摇摆振动吸收峰[8]。
(1) 由IR谱图1中谱2分析可知, 低温等离子体处理后在2 921 cm-1处吸收峰强度明显变小, 这是由低温等离子体处理产生自由基CH·而产生的。2 920 cm-1处吸收峰归属于亚甲基的伸缩振动峰, 经低温等离子处理之后, CH2转化成CH·, 造成聚乙烯长链中CH2的相对数量变少。
(2) 由IR谱图1中谱3分析可知, 接枝处理后在2 921 cm-1和715 cm-1处吸收峰强度增大, 表明在分子中CH2数量又相对增多, 可见接枝马来酸酐后在聚乙烯长链上又引入了CH2;谱3中1 720 cm-1处出现了一个较弱的新峰, 归属于羰基 (C=O) 伸缩振动峰, 证明接枝马来酸酐后引入了羰基;在谱3中1 235 cm-1和926 cm-1处有明显的吸收峰, 归属于聚马来酸酐的特征吸收带[9], 这进一步证明了纤维表面存在马来酸酐特征官能团 (-COCH2CH2COOH) 。综上分析表明, 接枝马来酸酐后, 在UHMWPE纤维表面引入了马来酸酐特征官能团-COCH2CH2COOH。
2.3力学性能分析
由图2可见, 在空气下采用低温等离子处理/接枝后, UHMWPE纤维的断裂强度变化并不明显, 说明纤维的内部结构没有受到影响。因此, 可以得出结论:在维持原有的拉伸性能的前提下, 采用低温等离子/接枝处理来改善UHMWPE纤维的表面性能。
2.4 表面形貌分析
图3是UHMWPE纤维在空气下采用低温等离子、接枝马来酸酐处理前后纤维表面的电镜照片。由图3可见, 处理后的纤维表面刻蚀现象相对增多, 但并未影响纤维的整体形貌。这跟接枝反应的机理有关。接枝反应使UHMWPE纤维表面的聚乙烯长链断开, 引入了极性基团, 表面刻蚀增多, 可以增强纤维表面与其他材料之间的咬合能力[10]。因此, 可以在维持纤维原貌的前提下, 采用低温等离子/接枝处理对纤维表面进行改性。
3 结论
对UHMWPE纤维进行低温等离子体处理, 会使UHMWPE纤维表面产生自由基, 而在产生的自由基上又接枝马来酸酐处理, 从而在纤维长链的侧链引入极性基团 (-COCH2CH2COOH) , 增大了与其他基质材料之间的化学键合能力, 同时增强了纤维表面与其他材料之间的咬合能力。这两方面的改善, 大大提高了纤维表面的浸润性, 从而达到表面改性的目的。
摘要：用低温等离子体技术和接枝反应对超高分子量聚乙烯 (UHMWPE) 纤维进行表面处理.纤维进行低温等离子体后接枝处理的最佳工艺条件是:在80℃的1.0 mol/L的马来酸酐水溶液中加热1.5 h在维持整体形貌的前提下, 在纤维长链表面引入了活性基团, 增大了纤维与其他基质材料之间的化学键合能力和咬合能力, 提高纤维的表面性能, 从而达到表面改性的目的。
关键词：低温等离子体,超高分子质量聚乙烯纤维,马来酸酐,表面改性
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