低溫等離子體中的化學(xué)反應(yīng)主要是通過氣體放電產(chǎn)生的快電子激發(fā)來完成的。這些快電子與氣體分子碰撞,使氣體分子激發(fā)到更高的能級(jí)。被激發(fā)到高能級(jí)的分子,由于其內(nèi)能的增加,既可發(fā)生鍵的斷裂也可以與其它物種發(fā)生化學(xué)反應(yīng);而由于碰撞失去部分能量的電子在電場的作用下仍可得到補(bǔ)償。典型的反應(yīng)類型如下:
| 電子/分子反應(yīng) | ||
激發(fā) | e + A2→ A2+ + 2e | ||
離解 | e + A2→ 2A + e | ||
附著 | e + A2→ A2 | - | |
離解附著 | e + A2→ A- + A | ||
電離 | e + A2→ A2+ + 2e | ||
復(fù)合 | e + A2 | -→ A2 | |
離脫 | e + A2-→ A2 + 2e | ||
| 分子/原子反應(yīng) | ||
潘寧離解 | M* + A2→ 2A + M | ||
潘寧電離 | M* + A2→ A2+ + M + e | ||
電荷轉(zhuǎn)移 | A+ + B → B+ + A | ||
離子復(fù)合 | A+ + B-→ AB | ||
中性復(fù)合 | A + B + M → AB + M | ||
| 分解反應(yīng) | ||
電子的 | e + AB → A + B + e | ||
原子的 | A* + B2→ AB + B | ||
| 合成反應(yīng) | ||
電子的 | e + A → A* + e | ||
| A* + B → AB | ||
原子的 | A + B → AB | ||
可以看出,低溫非平衡態(tài)等離子體是使分子活化的有效方法,它能使幾乎所有的分子激發(fā)、電離和自由基化,產(chǎn)生大量的活性基團(tuán),如O、OH、O2,O3和高能量的自由電子。這些活性物種使得在通常條件下難以實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)可以很容易地在等離子體系統(tǒng)中完成。尤其對(duì)空氣中污染物的脫除,可以在很短的時(shí)間內(nèi)使其分解甚至分解。研究表明,等離子體分解空氣污染物可通過兩種途徑完成:
(1)在產(chǎn)生等離子體的過程中產(chǎn)生的瞬間高能量,打開某些有害分子的化學(xué)鍵,使其分解成單質(zhì)原子或無害分子。
(2)等離子體中包含了大量的高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子(其能量范圍如表 1)和具有強(qiáng)氧化活性的自由基,這些活性粒子的平均能量高于氣體分子的鍵能,它們和有害氣體分子發(fā)生頻繁的碰撞,打開氣體分子的化學(xué)鍵,同時(shí)產(chǎn)生的大量?OH、HO2、O等自由基和氧化性的 O3 跟有害氣體分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成無害產(chǎn)物。