气液冷等离子体多相反应器基础研究与应用进展

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气液冷等离子体多相反应器基础研究与应用进展

蔡勇，梁闯，罗勇，初广 ，苏梦军，

孙宝昌，陈建峰

摘 要

等离子体作为物质存在的一种基本形态，因其特有的高活性而不同于固、液、气三种形态，逐渐应用于多个领域，并发展成了一门新兴学科。由于冷等离子体参与的气液化学反应能产生更多的活性物质，而且液体的流动性能够强化活性物质的传递，因此，气体放电产生的冷等离子体与液相反应在许多领域表现出重要的应用价值，更具有探究意义。综述了几种冷等离子体的放电形式以及表征技术，重点阐述了气液冷等离子体多相反应器的不同结构以及应用，并对气液冷等离子体技术发展进行了展望。

引 言

众所周知，固态、液态、气态是物质存在的三种基本形式。除此以外，自然界中广泛存在的闪电、极光等特殊现象，被称为物质的第四态——等离子体态，宇宙中约99%的物质都属于等离子体。等离子体的产生与气体放电现象有着密切的关系，从19世纪20年代开始，Faraday等就相继对气体放电现象进行研究，直到1928年，Langmuir最先提出“等离子体”这一术语，等离子体科学正式面世。等离子体即由大量带电离子、自由基、激发态的原子、分子等组成的集合体，内部正负电荷量相等，整体呈现电中性。根据系统温度的不同，等离子体可分为高温等离子体（如太阳日冕）和低温等离子体。其中，低温等离子体又可分为热等离子体（电子温度与气体温度大致相等（10 3～10 5K），如电弧焊等）与冷等离子体（电子温度（10 3～10 4K）远大于气体温度（300K），如极光、霓虹灯等）。

展 望

目前，气液冷等离子体技术的基础与应用研究已取得较为显著的进步。同时，在纳米材料制备和废水氧化处理等领域展现出较为广阔的应用前景。

离子液体是一种完全由离子构成的液体，具有极低蒸气压、不可燃、易于与其他物质分离的特性，将离子液体应用到气液冷等离子体技术中，为气液冷等离子体的研究提供了一条新途径。Qin等提出了一种以咪唑 盐离子液体作为基底，应用射频等离子体增强化学气相沉积的方法来合成硅纳米颗粒，由于硅纳米颗粒表面易被离子液体钝化，得到的硅纳米颗粒分散性和稳定性优异。

超重力反应器具有设备小、便于操作、易于工程放大等优势，在化工分离、纳米材料制备、环境保护等方面应用前景良好，将超重力与气液冷等离子体技术结合，在提高传质效率和活性物种利用率等方面意义重大。本实验室利用自主研发的等离子体耦合超重力反应器来处理罗丹明B溶液，其中旋转盘作接地电极。研究发现，由于超重力的作用，放电均匀性提高；转速增大到500 r·min ﹣1时，罗丹明B的降解效率增大约60%。这表明了等离子体与超重力技术结合应用的可行性，开辟了一条冷等离子体研究的新途径，将继续对超重力与冷等离子体联用的技术进行深入研究。

针对气液等离子体电能消耗等条件问题，以及实际工业的安全性测试、工艺设计等技术问题的限制，提出了未来的重点研究方向如下。

（1）基础理论研究的深入，气体放电产生的冷等离子体与溶液的相互作用涉及多个交叉学科，多种活性粒子的时空演变过程还存在一些理论空白。因此，未来研究的重点在于微观层面的理论研究，进而优化反应过程，实现能量利用的最优化。

（2）反应器放大与工业应用，目前对气液冷等离子体的研究仍以实验小试为主，在基本理论研究的基础上，实现气液冷等离子体反应器逐级放大，如希望实现等离子体耦合超重力反应器从单级到多级的工程放大。气液冷等离子体反应器的工业放大，是未来亟需突破的科学难题。

1 冷等离子体技术与表征

1.1 冷等离子体技术

1.2 冷等离子体特性表征

图1 气液等离子体传递与反应特性的测量系统、

浓度场分布、氧气放电过程发射光谱图

2 气液冷等离子体反应器

2.1 气液分层式冷等离子体反应器

图2 气液分层式冷等离子体反应器

2.2 鼓泡式冷等离子体反应器

图3 鼓泡式冷等离子体反应器

2.3 雾化式冷等离子体反应器

图4 雾化式冷等离子反应器

图5 气液冷等离子体反应器分解水中有毒有机物的

相对能量效率

图6 冷等离子体反应器能效对比

3 气体等离子体与水溶液相互作用的

仿真研究

图7 各种活性粒子的渗透深度

4 气液冷等离子体的应用

4.1 废水处理

4.2 重油加工

4.3 化学合成

4.4 纳米材料制备