《自然》科學(xué)報告——利用常壓低溫等離子體改善和凈化室內(nèi)空氣品質(zhì)

非熱等離子體（NTP）是一項很有前景的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量（IAQ）的凈化技術(shù)。與其他過濾凈化技術(shù)相比，DBD等離子體技術(shù)具有處理速度快、無二次污染的獨特優(yōu)勢。

在《自然》Nature 該篇Scientific reports論文[1]中，研究小組開發(fā)了圖1介質(zhì)阻擋放電（DBD）反應(yīng)器，用實驗數(shù)據(jù)為DBD等離子體空氣凈化應(yīng)用提供了較為全面的理論和實驗基礎(chǔ)。

圖1 DBD低溫等離子放電實驗裝置

1-干燥氣缸；2-含水氣泡塔、3-含甲醛氣泡塔、4-示波器、5-監(jiān)控電容、6-DBD反應(yīng)釜、7-GC、8-智能傳感器濕度計、9-氣體采樣器、10-aeroqual系列500、11-PVC管外殼、12-鋼板電極、13-氧化鋁介電材料。F1、F2、F3 是流量計。

 

實驗結(jié)果與討論

該研究記錄了以下6項討論和實驗結(jié)果：

【1】DBD放電功率增加，甲醛去除效率提高

放電功率的增加會產(chǎn)生大量的高能電子，從而增加等離子體電離密度，這將增加與 HCHO甲醛 分子多次碰撞的機會，從而增加去除效率。

【2】活性物質(zhì)的安全性

本研究中使用的強電離型DBD具有良好的安全性。

【3】空氣流速越慢，效率越高

特定體積的空氣流停留時間與氣體流速成反比。

【4】等離子體對甲醛降解的作用過程

論文回顧了Asilevi [11]、 Shimizu?[29]和 Storch?[37]之前研究了等離子體對甲醛降解的影響。[16[[17]涉及·HCO和·OH以及·HCO和·O非彈性碰撞。一系列等離子體化學(xué)反應(yīng)，引起空氣分子電離，將甲醛HCHO轉(zhuǎn)化為二氧化碳 (CO2) 和水蒸氣（水）。

圖2 等離子體對甲醛降解的作用過程

【5】相對濕度 (RH) 的影響

多個研究[13][14][15]表明，水蒸氣（H?2 O）被DBD低溫等離子分解而產(chǎn)生的·OH自由基。在水和空氣中的細菌凈化和 VOC 去除中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

圖3相對濕度 (RH)影響DBD等離子體分解甲醛的效率

 

在該論文中，發(fā)現(xiàn)甲醛去除效率隨著相對濕度的增加而增加；例如，在大氣壓和室溫下，將相對濕度從20% 增加到70%，0.8W放電模式下，去除效率從 60.5% 提高到97%以上。

【6】參數(shù)條件的優(yōu)化

為了確定使用強電離 DBD 裝置去除室內(nèi)空氣中低濃度 HCHO 的最佳條件，該研究在不同的處理條件下進行了多次實驗，并選擇樣品結(jié)果作為線性統(tǒng)計回歸分析的輸入數(shù)據(jù)，以確定哪些參數(shù)設(shè)置對去除效率的影響最大。研究分析了關(guān)鍵電氣和物理處理參數(shù)對祛除甲醛效率的影響：當放電功率（P）、初始濃度（C?in）、流量（F）和相對濕度（RH）分別為0.6 W、0.1 ppm、0.2 m?3?/h和60-70%時，效率可達到99%。

后記

在醫(yī)院病理實驗室、動物設(shè)施環(huán)境、研究機構(gòu)的理化實驗室、室內(nèi)建材污染環(huán)境等特殊場景中，普遍存在甲醛等VOCs有害揮發(fā)物。Natur-O離子凈化系列產(chǎn)品，是DBD類型的非熱等離子體（NTP）凈化技術(shù)類設(shè)施設(shè)備，并配套有多種氣流組織控制類產(chǎn)品，來自于菲蘭在德國和中國的科研團隊的研發(fā)成果。值得注意的是，在中國天貓網(wǎng)店上市的Natur-OF除甲醛凈化器的活動中，商家建議配套加濕裝置，來提高空氣的相對濕度，以進一步加速除醛速度。這與本論文提示的相對濕度影響甲醛處理效率的結(jié)論相符合。

 

參考文獻

1，Asilevi, P.J., Boakye, P., Oduro-Kwarteng, S.?et al.?Indoor air quality improvement and purification by atmospheric pressure Non-Thermal Plasma (NTP).?Sci Rep?11, 22830 (2021). https://doi.org/10.1038/s41598-021-02276-1

11，Asilevi, P. J.?et al.?Decomposition of formaldehyde in strong ionization non-thermal plasma at atmospheric pressure.?Int. J. Environ. Sci. Technol?17, 765–776 (2020).

15，F(xiàn)an, X, Wan, Y, & Zhu, T. Removal of low-concentration formaldehyde in indoor air by DC corona discharge plasma, in?The international symposium on non-thermal/thermal plasma pollution control technology and sustainable energy. 1-4. (Canada: N. p., 2010).

16，Zadi,?et al. Indoor air treatment of refrigerated food chambers with synergetic association between cold plasma and photocatalysis: Process performance and photocatalytic poisoning.?Chem. Eng. J.?382, 122951 (2020).

17，Yuan, J.?et al.?Experimental study on the removal of formaldehyde by plasma-catalyst.?IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci.?435, 012004 (2020).

29，Shimizu, K., Kuwabara, T. & Blajan, M. Study on decomposition of indoor air contaminants by pulsed atmospheric microplasma.?J. Sens.?12, 14525–14536 (2012).

37，Storch, D. G. & Kushner, M. J. Destruction mechanisms for formaldehyde in atmospheric pressure low temperature plasmas.?J. Appl. Phys.?73, 51–55 (1993).