作品介绍

教学课程：《室内环境污染控制》 教学背景：针对本校室内检测与控制技术专业大二学生，已系统学习了《室内环境污染控制》这门课室内空气主要污染物来源、种类、危害，及室内环境污染控制技术。 教学方法：课堂讲授与多媒体相结合；理论与实际相结合；注意讲课内容逻辑性及对学生 进行启发。 教学内容：等离子体简介；等离子体发生技术；等离子体净化原理。 教学目标：①了解等离子体；②了解等离子体的发生技术；③掌握等离子体的净化原理。 教学重点、难点：等离子体净化室内空气的原理 教学过程： 一、导入新课 先问学生：你们所了解的室内空气的净化技术都有哪些？（学生回答） 听完学生的答案后，总结下目前室内空气净化技术的种类及发展趋势（目前，有关室内空气净化的技术包括纤维过滤技术、吸附法、等离子体技术、光催化氧化法、静电除尘技术、臭氧氧化法、负离子法等等。当然，每一种方法都有一定的优点和缺点，如何扬长避短—（即发挥各种方法的优点，避免或减少其缺点）是科研工作者目前研究的热点。因此，将各种单一处理技术相结合，比如光催化-等离子体技术、吸附-催化法、等离子体-催化技术等等是未来发展的趋势）。 最后强调：这些单一的处理技术是基础，掌握这些技术净化室内空气的原理是非常重要和必要的。从而引出本次课要讲述的“等离子体净化技术”。 二、新课 通过PPT，先告诉学生这次课要讲述的“等离子体净化技术”的主要内容包括三个方面（等离子体简介、等离子体发生技术、等离子体净化原理）。接下来就这三部分内容分别展开： （一、）等离子体简介 先讲我们比较熟悉的物质的常规存在状态有三种，分别为：固态、液态和气态。 然后通过举个生活中的例子让同学们了解物质常见的三种状态。如举个例子“H2O”，先问同学们这是什么？（回答水），再问它对应的三种存在状态是什么？（回答冰、液体水和蒸汽）。再问学生随着温度的逐渐升高冰将变成液态水，液态水将变成水蒸汽对不对？（回答对）。接着问学生，如果继续升高温度，结果会怎样？（学生可能回答不出）。告诉学生继续升温最终就会变成等离子体。从而引出物质除了以上三种状态外实际上还存在第四种状态--等离子体。由温度箭头讲解等离子体的分类：分为低温等离子体和高温等离子体；低温等离子体又包括冷等离子体和热等离子体。 通过以上内容的讲解过渡到等离子体的概念上来。什么是等离子体？（由自由电子和原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质）。问自由电子怎么产生的呢？（原子是由原子核和核外电子构成的，电子被原子核的引力吸引，当温度逐渐升高时，外层电子就会摆脱原子核的吸引而变成自由电子）。再结合PPT讲解等离子体的特性（放电产生的等离子体内部，正负电荷数几乎相等，总体呈准中性，所以叫“等”离子体）。 接下来为了开阔学生的视野，拓展些内容，讲讲等离子体的发展历史及介绍下著名科学家Langmuir（等离子体的产生始于19世纪对气体放电的研究，直到1928年美国著名科学家langmuir首次提出了等离子体（Plasma）的概念。这位科学家一生中做出了卓越贡献。比如在表面吸附方面，提出单分子吸附层的理论和著名的等温式（即兰茂尔吸附公式）; 在原子结构方面，发展了电子价键的近代理论；首次实现了人工降雨等等，并于1932年获得了诺贝尔化学奖。后来为了纪念他，创办了一本以他的名字命名的，现在全世界都非常有影响的学术刊物---LANGMUIR）。 再问学生等离子体在自然界中是否存在？（回答存在）。可以肯定的讲等离子体在自然界中存在，而且存在范围的非常广泛。比如：宇宙中99%的物质是等离子体状态，恒星内部、大气，气状星云，星际空间；地球：电离层、磁层，太阳风，极光，闪电，灯光等。 接下来启发学生既然等离子体存在的这么广泛，那我们是不是想弄明白它是如何产生的呢？（回答是） （二、）等离子体的发生技术 首先将等离子体的发生技术缩小到低温等离子体的发生技术（通过刚才的讲解大家已经清楚了等离子是分为高温等离子体和低温等离子体的。而我们现在介绍的等离子体净化技术是要应用到室内环境的，那你说我们用哪种等离子体更合理？（回答低温等离子体）。 接下来讲气体放电产生低温等离子体的种类较多，按电极结构和供电方式的差异可分为电晕放电、介质阻挡放电和表面放电等。其中电晕放电又包括直流电晕和脉冲电晕放电。目前获得广泛应用的是介质阻挡放电，其已应用于室内空气的净化过程，比如住宅、医院、办公楼和生物实验室等场所。 那产生的等离子体如何净化室内空气呢？我们接下来就进入净化原理的讲解。 （三、）等离子体净化原理 等离子体净化室内空气主要包括三个过程：预荷电集尘、催化净化和负离子发生。接下来我们就分别讲一下这几个过程。 1)预荷电集尘 等离子体包含大量的自由电子和正负离子，在电场梯度的作用下与空气中的微粒发生非弹性碰撞，从而附着在上面使其成为荷电粒子，在外加电场作用下荷电粒子向集尘极迁移最终沉积在集尘极上。给学生解释下荷电过程通俗点儿说就是带电过程。主要分为以下三个步骤： e- + M(气体分子) → M- M- + PM(微粒) →(PMM)- (PMM)- → PMM(沉积在集尘极上) 得出结论：荷电集尘过程对总悬浮颗粒物（TSP）和可吸入颗粒物（PM10）均有一定的清除作用。问下学生什么是TSP和PM10? （回答TSP是空气动力学直径在10μm-100μm的颗粒物；PM10是空气动力学直径≤10μm的颗粒物）。 2)催化净化 催化净化机理包括两个方面：一方面，在产生等离子体的过程中，高频放电产生瞬间高能量，打开某些有害气体分子的化学键，使其分解成单质原子或无害分子；另一方面，等离子体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、臭氧，这些活性粒子的平均能量高于气体分子的键能，它们和有害气体分子发生频繁的碰撞，打开气体分子的化学键，从而使其无害化。 这个过程涉及到的等离子体的反应有：电子-分子的反应和电子-原子的反应。具体包括激发、离解、附着、电离等很多反应，由于时间的关系我们在这里不一一展开了，有兴趣的同学可以课下多了解下。 研究表明，等离子体分解空气污染物可通过以下两种途径进行： ① 高能级电子直接作用于污染物分子 e-＋污染物分子 → 各种碎片分子 ② 高能级电子间接作用于污染物分子 e-十O2（N2，H2O） → 2O（N，N*，•OH）＋污染物分子 → 中性分子 结论：当气体污染物的浓度也不高时，途径①成为主要反应。当污染物浓度较高时，途径②的作用便不可忽视。 3)负离子发生 在产生等离子体的同时也产生大量的负离子。问同学们了解负离子吗？（回答不了解）。接着问那你们知道森林里氧负离子比较高吗？（回答知道）。告诉学生说负离子是对人体非常有益的。若将产生的这些负离子释放到室内空间，一方面能调节空气离子平衡；另一方面还能有效地清除空气中的污染物。因为高浓度的负离子同空气中的有毒化学物质和病菌悬浮颗粒物相碰撞使其带负电，进而会吸引其周围带正电的颗粒物（如空气中的细菌、病毒、孢子等） 并积聚，直至颗粒物的质量足以使其降落到地面为止，这样就由飘尘变成了降尘，从而起到净化空气的作用。 三、结束讲课 将PPT放到最后一页”Questions?”，同时简单总结下本次授课内容，主要包括等离子简介、等离子体的发生技术及净化室内空气的原理。 最后问下同学们还有什么问题或不明白的地方？（回答有或者没有）。如果没有的话，这次课我就们就讲到这里，谢谢大家。