等离子体物理学中的等离子体加热研究

第６卷　２００７正　第１期　

２月　广州大学学报（自然科学版）　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｅｄｉｔｉｏｎ）　Ｖｏ１．６　Ｎｏ．１　Ｆｅｂ．　２ｏｏ７　

文章编号：１６７１－４２２９（２００７）０１－００６５－０５　

塑料在高频等离子体中的热解气化研究　

唐　兰　，黄海涛２　

（１．广州大学土木工程学院，广东广州５１０００６；２．广东工业大学环境科学与工程学院，广东广州５１０００６）　

摘要：采用高频电容耦合等离子体对塑料聚乙烯进行热解处理，重点考察热解气体产物的分布及组成，结果　

表明，热解产物中包括可燃气和热解碳黑，几乎没有发现焦油产生．高频Ｎ　等离子体热解时，热解气体中主要　

成分为Ｈ，、ＣＨ　以及其它有机小分子；进入气体中的ｃ转化率低，而Ｈ转化率高．当采用水蒸汽等离子体热解　

时，热解除产生大量Ｈ　、ＣＨ　外，还有ｃ０以及其它有机小分子气体产生，同时进入气体中的ｃ转化率提高．　

关键词：高频等离子体；塑料；热解；废弃物利用　

中图分类号：ＴＱ　３５２　文献标识码：Ａ　

０　引　言　

废塑料通过热解处理，可以形成低分子量产　

物如气体（氢气、甲烷等）、液体（油）和固体（蜡、　

焦碳等），这些产物可直接进行利用，如油品可做　

燃料，也可进行深度加工，如单体可再聚合．然而，　

现有的很多聚合物热分解技术¨　由于经济性因　

素，遇到障碍和挑战，很难有竞争力，目前能生存　

下去的技术大多是针对组分单一的废旧塑料而开　

发的，它们的潜力有待进一步评估．塑料的热解循　

环技术，主要可以分为高温热解、真空热解、催化　

热解等　Ｊ，一般从生成油和气体的收率、组成等　

研究特定热解方式的主要特点．　

热等离子体技术是一种有别于常规热解的新　

工艺，采用热等离子体热解处理聚合物，对原料的　

要求不高，可以处理混合塑料聚合物，同时具有产　

物的选择性高，产物中没有焦油，易于分离等常规　

热解难以达到的特点，有望解决常规热解处理中　

南京大学物理系实验报告

题目 实验2.3 气体放电中等离子体的研究

姓名 董佳婧 学号 141120021

一、 引言

等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。

二、 实验目的

1、了解气体放电中等离子体的特性。

2、利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。

三、 实验原理

1、等离子体及其物理特性

等离子体有一系列不同于普通气体的特性：

（1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。

（2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。

（3）宏观上是电中性的。

2、等离子体的主要参量

描述等离子体的一些主要参量为：

（1）电子温度Te。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。

（2）带电粒子密度。电子密度为ne，正离子密度为ni，在等离子体中ne≈ni。

（3）轴向电场强度EL。表征为维持等离子体的存在所需的能量。

（4）电子平均动能Ee 。

（5）空间电位分布。

3、稀薄气体产生的辉光放电

本实验研究的是辉光放电等离子体。

辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10-102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阴极辉区。

如图1所示，其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为105Ｋ），但放电气体的整体温度并不明显升高，放电管的玻璃壁并不软化。

等离子体的基本原理

等离子体的基本原理是指当物质被加热至高温状态时，其原子或分子的结构发生变化，形成了带电的粒子（即离子）和自由电子。在等离子体中，正电荷和负电荷的数量基本相等，因此整体上呈中性。

等离子体的形成过程通常涉及能量的供给，例如高温、电弧放电、强电场等。在高温下，物质的原子或分子会因为能量的迅速增加而变得十分活跃，甚至能够失去或获得电子。这样，原本中性的物质就变成了具有带电离子和自由电子的等离子体。

等离子体的特性主要受到三个因素影响：温度、密度和电场。温度越高，等离子体中离子和自由电子的动能也越大，导致它们更容易进行碰撞和相互作用。密度指的是在单位体积内的离子和电子的数量，密度越高，则等离子体中的粒子之间的相互作用也越频繁。电场则对等离子体中的带电粒子施加力，并影响它们的运动。

等离子体的形成和特性使得它具有许多独特的物理特性。例如，等离子体具有良好的电导性，可以传导电流，并在磁场中感应电流。此外，等离子体还能够产生辐射，包括可见光、紫外线和X射线等。

应用上，等离子体的研究和利用涉及到许多领域，如材料加工、核能研究、等离子体显示器、等离子体发动机等。通过控制等离子体的温度、密度和电场等参数，可以实现对其物理性质的精确调控，为实现许多创新应用和科学研究提供了基础。

等离子体物理学原理

等离子体物理学原理即研究等离子态的性质和行为的学科，等离子体是一种由正负离子和自由电子组成的高度激发的气体。其物理学原理主要包括等离子体的形成条件、等离子体的宏观特性、等离子体的微观过程以及等离子体与外界的相互作用等方面。

首先，等离子体的形成主要依赖于能量输入。通常情况下，普通气体通过加热、电离、辐射等方式，可以将部分原子或分子激发或解离为带电粒子，形成等离子体。这些带电粒子在外加电场或磁场的作用下能够产生自由电子和离子的运动，进而形成等离子体。

其次，等离子体的宏观特性主要涉及等离子体的密度、温度、速度等参数。等离子体的密度一般由带电粒子的浓度决定，而温度通常是指等离子体内带电粒子的平均动能。速度则涉及等离子体中带电粒子的运动速度分布，也与温度密切相关。

在微观过程方面，等离子体的行为主要由原子和分子的电离、复合、碰撞等过程塑造。当带电粒子的速度变化过小时，它们之间会发生碰撞、能量交换等，从而影响等离子体的性质。此外，等离子体中还存在各种等离子体波，如等离子体振荡、等离子体波动等，这些波动有助于研究等离子体的动力学行为。

最后，等离子体与外界的相互作用广泛存在于各个领域。在等离子体物理学中，等离子体与电磁场的相互作用是一个重要课题。此外，等离子体还可以被用于电磁波的传输、粒子束加速、核聚变等应用。而在自然界中，太阳等恒星的内部就是等离子体，其与太阳风、行星磁场等的相互作用会导致地球磁层的变化、极光的出现等现象。

总体而言，等离子体物理学的研究内容十分丰富，涉及诸多物理学原理和应用。通过深入了解等离子体的形成、宏观特性、微观过程以及与外界的相互作用，可以为等离子体在能源、材料科学等领域的应用提供理论基础。