吴小云
国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心
摘要：介绍了低温等离子体发生技术及原理，对等离子体的应用领域进行了基本概述，包括低温等离子体活化水消毒、空气净化、废水处理以及低温等离子体射流灭菌。
关键词：低温等离子体 废水处理 空气净化 灭菌 活化水
1.引言
等离子体通常被简单定义为部分电离的气体，它由激发态的原子和分子、正负离子、自由基、电子、光子等 组成，整体表现出电中性；等离子体分为热等离子体和冷等离子体，热等离子体电离率高，冷等离子体电离率较低；冷等离子体即低温等离子体电子温度远高于离子温度 ,离子温度甚至可与室温相当，低温等离子体中存在着大量的 、种类繁多的活性粒子，比通常的化学反应，所产生的活性粒子种类更多、活性更强；低温等离子体通常通过气体放电的形式获得。根据放电形式的不同，低温等离子体可以分为下述几种：一、辉光放电：辉光放电属于低气压放电，工作压力一般都低于10mbar，其构造是在封闭的容器内放置两个平行的电极板，利用电子将中性原子和分子激发，当粒子由激发态降回至基态时会以光的形式释放出能量； 二、电晕放电：电晕放电为气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电；三、介质阻挡放电：介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电又称介质阻挡电晕放电或无声放电。介质阻挡放电电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之间充满某种工作气体,并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖,也可以将介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。
2.低温等离子体技术应用
2.1 低温等离子体活化水应用
低温等离子体活化水是通过等离子体装置利用自然空气为激发载体，直接向纯化水或蒸馏水中放电产生等离子处理水体，使水体氧化还原电位升高、pH 值降低而改变水体性质，从而形活化水[1];等离子体活化水主要应用于食物杀菌、鲜果蔬菜保鲜、对农产品农药清洗等方面。而提高等离子体活化水中活性自由基粒子的存活寿命、提高保持时间是目前研究的难点与热点之一。西安交通大学孔玉刚等团队提出了在碱性条件下制备等离子体活化液[2]，克服传统的认为在酸性环境下自由基粒子化学活性更高的认知，在PH>7的条件下制备等离子体活化液，发现产生的活性自由基浓度更高，保存时间更长。
2.2 低温等离子体空气净化应用
近年来，空气污染越发严重，常见的空气污染物有尘埃、有害气体、细菌、病毒等。利用低温等离子对室内空气进行净化处理时目前研究的热点之一[3]，利用等离子体放电的空气净化器也得到人们的普遍应用。等离子体空气净化的主要原理是：等离子中包含大量的高能电子、离子、激发态粒子和具有强氧化性的自由基，这些活性粒子的平均能量高于气体分子的 键能，它们与有害气体分子发生频繁的碰撞，打开化学键生成单分子和 固体壳体，同时产生大量的氢氧自由基以及臭氧，跟有害其他发生化学反应从而生成无害产物，对空气进行净化处理。
2.3 低温等离子水处理技术应用
随着新环保法的实施，环保要求日益 严重，对工业生产中产生废水的净化处理要求也越来越高，对于高难降解的废水，通常利用低温等离子体技术处理，低温等离子体水处理技术是一种新型高级氧化技术，由于其对环境友好而被普遍应用[4]。
废水中有机物在低温等离子体中的降解机理， 主要存在下面几个过程：一、 高能电子辐射作用；低温等离子体内存在高能电子，高能电子轰击水分子， 水分子发生电离， 水分子激发生成离子、激发分子以及次级电子， 再生成具有极强反应能力的游离氧、臭氧以及羟基自由基等物质。这些活性基团与邮寄分子反应生成中间产物，水中的溶解氧又将中间产物进一步氧化， 最终分解为小分子物质。二、臭氧氧化的作用，臭氧具有较强的氧化性， 可以使废水中的有机污染物氧化、分解成小分子较易去除的或者是无毒无害的物质。三、紫外线催化氧化的作用 ，等离子体中产生的紫外线能够分解有毒有害污染物，其基本原理是污染物分子吸收光子， 而后进入激发态， 处于激发态的分子通过化学反应返回到基态， 同时吸收能 量， 其吸收的能量能够使得污染物的分子键断裂， 断键之后形成相应的新物质， 游离基或离子， 当这些新的物质容易生成较易去除的物质时， 该种污染物就能够通过这种方式被去除。
2.4 医用低温等离子技术
低温等离子体羽医用细胞作用时体现出多样的生物学效应，从而在医学领域得到广泛应用[5]。如医疗器械的消毒灭菌、等离子体美容、根管治疗、伤口愈合、皮肤的消毒灭菌、血液的快速凝聚等，成为医疗领域的新宠。
目前对于消杀病毒、真菌等机理的认知还不是很完善，理论上还处于研究阶段，而国内外相关学习和提出了几种有关机理的假说。（1）等离子形成过程中产生的大量的紫外线直接破坏微生物的基因物质；（2）通过固有光子解吸附微生物被逐个原子地侵蚀。光致解吸附源于紫外光子打断微生物物质的化学键，并使其从原子本身到微生物都形成挥发性化合物；（3）通过刻蚀微生物被逐个原子地侵蚀。刻蚀源于来自等离子体中的活性种对微生物化学的和物理的作用。放电产生的大量高能电子轰击气体分子，将能量转换成基态分子的内能，发生激发、电离和离解等一系列过程使气体处于活化状态—产生各种活性种。电子能量较低时，产生的活性种吸附在微生物上，随后微生物经过等离子体定向链化学反应，发生刻蚀化学反应，形成挥发性化合物。
3.结语
低温等离子体技术应用研究涉及的领域相当广泛，在有限的篇幅中难以对低温等离子的应用领域做一个全貌的介绍。低温等离子技术作为高效能、低消耗(资源 )、无污染的绿色技术是人们所追求的，其在等离子体消毒（空气净化、废水处理、医疗消毒等）领域具有其他传统技术不可比拟的优点。
参考文献
[1]沈瑾，王佳奇，张茜，田莹，孙惠惠，姚孝元，低温等离子体活化水消毒相关性能研究[J].Chinese Journal of Disinfection，2017; 34( 4)：300-302；
[2]刘志杰，孔玉刚，庞波伦，王思滔，许德晖，CN111511088A[P]，2020.08；
[3]杨武，宋命哲，低温等离子体空气净化原理及应用[J].《电工技术杂志》，第 3期 ，2000:31-32；
[4]陈铭馥，低温等离子体技术对废水的处理[J].节能环保与生态建设，2017,24：3-4；
[5]常瑞雪，杨春俊，低温等离子体医学及其在皮肤科的应用[J],中国皮肤性病学杂志，2012，26（12）：1133-1135.