等离子体能的应用程度超出人们的想象

2022年08月15日 11:15 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

等离子体被认为是物质的第四种状态,是科学教育和研究的主要内容。它本质上是过热或电离的物质,其中电子从原子中被撕掉并留下带正电的原子核。等离子体构成了可见宇宙中的大部分物质。维持地球上生命的太阳本质上就是一个巨大的等离子体球。

在地球上,自然发生的等离子体的最好例子是两极周围的极光。在工业方面,等离子体最常见的用途是用于灯泡、霓虹灯和电视,但它在推动科学发展方面有着更大的发展前景。研究人员正在将等离子体用于火箭推进、遏制生物危害、医疗治疗和制造计算机芯片等应用。

令人惊讶的是,等离子体的应用还有环境的一面--业污染的灾难性影响已经不是什么秘密,地球已经发生了无法修复的变化,但将等离子体应用于我们管理废物的方式可以产生有希望的结果。根据发表在《Journal of Physics》上的一项研究,最好的方法是将等离子体用于燃烧废物的工厂进行处理。

为什么我们需要传统焚烧炉的替代品?

最常见的固体废物处理方法之一就是使用焚烧炉,它基本上是焚烧城市和医疗废物以减少其毒性潜力并防止它们伤害环境。焚烧炉在世界各地被广泛使用,在这个过程中产生的能源也是令人垂涎的。尽管如此,存在一些跟焚烧有关的严重健康问题。同样,在焚烧炉中发生的燃烧也会产生有害的化学物质如硫和氮的氧化物、二恶英、呋喃、铅汞和氯化有机化合物等等。

在涉及到燃烧温度和压力等变量时,焚烧炉的操作需要高度谨慎和精确以确保它们不会产生有害的化学品,这些化学品是部分燃烧的副产品。为了消除这种影响,需要像静电除尘器、湿式洗涤器、干式吸附剂注射等类似的资源来安全处理过程中产生的各种化学品,然而它们并不便宜。再加上缺乏技术专长,这些可能是发展中国家安全运行垃圾焚烧厂的巨大障碍。

研究表明,垃圾焚烧可能导致健康问题,如癌症、呼吸系统问题、先天性畸形、神经系统不正常、荷尔蒙不正常和流产等健康问题。此外,它们会进一步加剧环境问题如水体酸化和全球变暖,更不用说对臭氧层的化学影响、引发富营养化并产生光化学烟雾。

等离子体用于垃圾焚烧的好处

等离子体的一个关键优势是,相对较小的体积就能产生极高的热能,从而用于分解废物材料。简而言之,等离子体提供了一种极其有效的废物处理方法。在测试中,该团队对粉碎的木材进行了气化,在低流速下运行的等离子体火炬将木材完全变成了通常被称为合成气的氢气和一氧化碳的混合物。

研究论文称:“这个过程可以作为一种能量储存,即电能被转化为等离子体能量,然后作为所生产的合成气的化学能量储存。然而使用等离子体处理废物的最大优势是它能导致废物材料的完全分解,这意味着所有的有机化合物因为高温而被分解成气态形式。

这是一个巨大的优势,众所周知,焚烧炉中的废物不完全燃烧会产生危险物质。此外,跟焚烧炉中发生的燃烧不同,涉及等离子体的地方不需要氧气厂。另一个优点是,通过改变产生等离子体火炬的气态材料的成分,等离子体产生的温度范围可以很容易地改变,这取决于被输入的废物材料。

解决热问题

研究人员们会认为,只有当等离子体在几千开尔文的范围内产生高温时它才能被用作固体废物处理的有效方法。但等离子体也有非热的一面,可以同样有效。非热等离子体也被称为冷等离子体,它可以在跟室温相同的范围内运行,从而确保产生和维持等离子体状态的能量摄入量要低得多。到目前为止,科学家们已经尝试了多种创造非热等离子体的方法,如发射电子束、采用介质屏障放电和使用脉冲电晕放电。

无论采用何种生成方法,非热等离子体都被认为是去除氮氧化物的有效方法,众所周知,氮氧化物是酸雨的关键原因。此外,当跟金属催化系统一起使用时,冷等离子体通过将其转化为二氧化碳和水蒸气在摆脱挥发性有机化合物方面也相当有效。

另一个主要优势是,所有的废物分解可以在大气温度下发生,这意味着不需要专门的密封室也不需要花费额外的能量来维持高压条件。此外,通过简单地改变非热等离子体的化学性质,它可以用相对较少的努力和资源来处理各种各样的废物材料。

超越废物焚烧

等离子体支持的废物管理的主要副产品是合成气和一种由金属和其他无机材料组成的岩石状固体材料,看起来有点像玻璃碎片。后者可以作为建筑材料的填充物。另外,它的晶体结构可以防止它所持有的任何化学物质渗入土壤并污染它。至于废物中的金属部分,它们会渗入类似玻璃的硅质下面,随后可以被提取和回收。

这项技术已经在日本使用,根据《纽约时报》发表的一篇文章,截至2012年,价值数亿美元的项目已经在美国本土获得绿灯。根据2015年CNBC的报道,一家名为Advanced Plasma Power的公司已经开发出一种名为Gasplasma的方法--气体处理和等离子体焚烧的混合体,它可以产生有价值的合成气和一种名为Plasmarok的固体副产品--可用作建筑材料。

基于等离子体的设备的研究也正在进行中,该设备可以重新安排车辆中碳氢化合物燃料的化学成分从而减少由此产生的废气污染。等离子体驱动的装置可用于处理化学品泄漏也可作为有效的污染探测器部署。在水污染方面,由于低压等离子体电弧产生的紫外线的杀菌特性,低功率的便携式等离子体设备已经被证明可以有效地对池塘和河流等天然水库的水进行消毒

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