化工过程强化关键技术丛书 低温等离子体化工 程易 刘昌俊著 低温等离子体过程强化原理 调控方法 新型装备设计及优化书籍

《低温等离子体化工》是《化工过程强化关键技术丛书》的一个分册。本书集中了国内外专家、学者在低温等离子体化工领域的长期研究成果，以具有代表性的实际应用案例为对象，通过全面、深入的研究揭示低温等离子体过程强化的原理、调控方法、新型装备设计及优化。全书共15章，介绍了低温等离子体在实际过程中的广泛应用，包括催化剂制备、挥发性有机化合物（VOCs）脱除、催化重整、CO2转化制备高附加值燃料和化学品、材料表面处理、生物技术、现代农业、高级氧化水处理、微通道有机合成、固氮技术、电除尘、工业废气处理、氢等离子体煤制乙炔、化学气相沉积制备纳米材料、超细粉体制备以及固体废物处置等，力图呈现给读者新、zui前沿的低温等离子体化工研发现状，并展望未来的发展前景。 低温等离子体强化的化工过程科学与技术是目前国际关注的前沿交叉发展领域之一。本书可供化工、材料、环境、能源、资源、医药、电子等专业领域的科研与工程技术人员阅读，也可供高等学校相关专业师生参考。

排名靠前章　绪论 /1
排名靠前节等离子体简介 2
第二节低温等离子体过程强化技术概述 3
一、冷等离子体过程强化 3
二、暖等离子体过程强化 5
三、热等离子体过程强化 5
第三节低温等离子体化工过程强化的关键问题 7
第四节展望 9
参考文献 9

第二章　冷等离子体在催化剂制备中的应用 /11
排名靠前节冷等离子体影响晶体成核与生长原理 11
第二节冷等离子体制备催化剂的尺度效应 13
一、辉光放电制备 13
二、介质阻挡气体放电制备 15
三、射频等离子体制备 16
四、其他等离子体 18
第三节冷等离子体制备催化剂的结构效应 18
一、辉光放电制备 18
二、介质阻挡气体放电制备 20
三、射频等离子体制备 22
四、其他等离子体 22
第四节冷等离子体制备热敏材料负载催化剂 23
一、多肽、氨基酸类 23
二、大比表面积炭材料 24
三、多孔有机聚合物类 24
第五节冷等离子体分解脱除分子筛模板 25
参考文献 27

第三章　循环模式等离子体催化氧化脱除VOCs与纳米金催化剂的等离子体原位再生 /31
排名靠前节等离子体技术脱除VOCs 31
第二节等离子体催化技术脱除VOCs 33
第三节循环模式等离子体催化脱除VOCs 36
一、存储阶段相关问题 37
二、放电阶段相关问题 39
三、循环模式等离子体催化全过程及其稳定性 45
第四节空气等离子体原位再生纳米金催化剂 46
一、氧等离子体原位再生与N2含量的影响 46
二、空气等离子体原位再生：湿度的影响 50
三、空气等离子体原位再生：交流正弦与脉冲方波高压放电对比 52
参考文献 55

第四章　等离子体转化二氧化碳制备高附加值燃料和化工产品 /60
排名靠前节等离子体分解二氧化碳 62
一、等离子体分解二氧化碳概述 62
二、等离子体协同催化分解二氧化碳 63
第二节等离子体催化二氧化碳加氢 64
一、二氧化碳加氢合成一氧化碳 64
二、二氧化碳加氢甲烷化 65
三、二氧化碳加氢合成高附加值液体产品（以甲醇为例） 66
第三节等离子体甲烷二氧化碳重整 67
一、甲烷二氧化碳重整反应 67
二、等离子体甲烷二氧化碳重整反应 67
三、等离子体甲烷二氧化碳重整反应影响因素 69
四、等离子体协同催化甲烷二氧化碳重整 69
第四节等离子体转化二氧化碳的化学反应动力学模拟 71
参考文献 76

第五章　电除尘器 /82
排名靠前节引言 82
第二节电除尘器基本原理 83
一、直流电晕放电 84
二、颗粒物荷电 84
三、迁移收集 85
四、振打清灰 85
第三节除尘效率影响因素 85
一、粉尘粒径 85
二、比电阻 86
三、电除尘器振打 87
四、高压电源 88
五、运行温度 88
六、本体选型和分区 89
七、离子风 90
第四节收尘效率预测模型 90
一、Deutsch公式及其修正 91
二、电除尘指数 92
三、电除尘指数公式推导 92
四、电除尘指数公式有效性 95
五、ESP指数和颗粒物排放 99
第五节除尘器电场优化 100
参考文献 101

第六章　大气压冷等离子体在生物技术中的应用 /104
排名靠前节CAP的产生方法及作用原理概述 104
一、电晕放电 105
二、介质阻挡放电 105
三、裸露金属电极放电 105
第二节CAP在生物技术中的应用进展概述 107
第三节CAP与生物作用机制 107
第四节CAP在生物技术中的应用 108
一、CAP在杀菌和消毒中的应用 109
二、CAP在生物诱变育种中的应用 110
三、CAP在农业和食品加工中的应用 114
四、CAP在生物医学中的应用 115
第五节展望 116
参考文献 117

第七章　气液等离子体高级氧化过程 /123
排名靠前节气液等离子体高级氧化过程的诊断与机理 124
第二节气液等离子体传递与反应特性的可视化研究 126
第三节气液等离子体反应器 130
一、反应器的类型及相对能量效率 130
二、高效反应器设计及应用实例 131
第四节气液等离子体高级氧化的应用研究进展 132
第五节展望 135
参考文献 135

第八章　微通道气液等离子体有机合成 /142
排名靠前节微流体过程强化以及等离子体相关关键概念 143
一、流动化学和微流体反应器 143
二、流动化学合成应用举例 145
三、低温等离子体辅助有机合成过程 148
第二节过程强化原理 151
一、帕邢定律与微型反应器 151
二、气液界面自由基传质与反应的精确控制 152
第三节应用实例 153
一、鼓泡型微通道气液等离子体反应器 153
二、ESR自由基检测技术在微通道气液等离子体反应器中的应用 161
第四节展望 167
参考文献 168

第九章　等离子体固氮技术 /173
排名靠前节非热等离子体固氮技术 174
一、非热等离子体固氮技术的优势 174
二、非热等离子体固氮反应 175
第二节等离子体氮氧化物NOx合成 181
一、等离子体类型及反应器 181
二、等离子体催化NOx合成 184
三、等离子体合成NOx的能效 185
第三节等离子体合成氨技术 187
一、非热等离子体类型及反应器 188
二、等离子体催化合成氨 191
三、等离子体合成氨技术的优化 193
第四节展望 193
参考文献 195

第十章　低温等离子体工业应用技术与装备 /204
排名靠前节典型的等离子体放电现象和设备 204
一、辉光放电 204
二、介质阻挡放电 206
三、滑动电弧放电 208
四、低温等离子体实验电源和放电实验装置 210
第二节低温等离子体材料表面处理 211
一、汽车制造业 211
二、纺织行业 216
三、光伏行业 217
四、农业 218
五、消费电子行业 219
六、生物医疗业 221
第三节低温等离子体工业废气处理 223
一、低温等离子体去除污染物的机理 224
二、低温等离子体废气处理技术适用对象和应用行业 224
三、低温等离子体工业废气处理技术介绍 226
第四节低温等离子体物理农业 233
一、等离子体育种 233
二、等离子体肥料 235
三、等离子体养殖水处理 236
四、等离子体冷杀菌技术 237
参考文献 237

第十一章　暖等离子体催化重整 /239
排名靠前节暖等离子体反应器与其重整应用前景 239
第二节暖等离子体放电特性及其光电诊断 243
第三节暖等离子体重整过程及其影响因素 246
一、实验定量方法 246
二、等离子体重整反应的引发 248
三、等离子体重整反应的影响因素 249
第四节高效的滑动电弧等离子体催化重整 254
一、生物气重整 255
二、电能存储新方法 256
三、液体燃料重整在线制氢 258
参考文献 259

第十二章　热等离子体煤制乙炔过程的基础研究和工业发展 /262
排名靠前节热等离子体法制乙炔概述 262
一、乙炔生产技术 262
二、热等离子体超高温热转化过程特点 263
三、热等离子体法制乙炔的过程原理和研究进展 264
四、热等离子体煤制乙炔过程的关键科学技术问题 270
第二节热等离子体煤制乙炔过程研究 271
一、热力学分析 271
二、煤裂解过程实验研究 275
三、煤粉热解动力学 277
四、单颗粒煤粉热解过程的传递和反应分析 281
五、等离子体煤裂解过程的跨尺度多相计算流体力学模型和模拟 284
第三节煤制乙炔过程的物流、能流分析和技术经济评价 288
一、裂解气烃类循环过程分析 288
二、高温乙炔产品气淬冷优化和能量利用 293
三、化学淬冷过程联产乙炔、乙烯 296
第四节展望 299
参考文献 301

第十三章　热等离子体化学气相沉积法制备纳米材料 /306
排名靠前节热等离子体在纳米材料制备领域的应用概述 307
第二节热等离子体化学气相沉积纳米材料制备过程的关键问题 308
一、超高温化学气相沉积反应过程在线监测 309
二、材料微观结构性能调控机制 311
第三节过程强化原理 312
一、热等离子体强化化学气相沉积原理分析 312
二、典型热等离子体强化化学气相沉积反应器设计 312
第四节应用实例 314
一、少层石墨烯纳米片制备过程研究 314
二、硅/碳化硅纳米晶制备过程研究 319
三、以盐湖资源为原料的高纯氧化镁制备过程研究 328
参考文献 332

第十四章　热等离子体强化反应及其在制备超细粉体中的应用 /334
排名靠前节热等离子体强化反应基本过程 334
一、热等离子体的定义和特点 334
二、热等离子体强化反应基本过程 335
三、热等离子体强化过程在微细粉体合成中的应用 336
第二节热等离子体强化反应典型应用 340
一、氩-氢等离子体制备超细钨粉 340
二、氩-氢等离子体制备微细镍粉 344
三、氩-氧等离子体制备超细氧化物粉体 349
四、等离子体强化还原过程机制 350
第三节等离子体强化固相放热反应制备非氧化物陶瓷粉体 353
一、非氧化物陶瓷粉体制备现状 353
二、等离子体制备非氧化物陶瓷粉体 354
三、等离子体强化镁热还原合成高温陶瓷粉体 356
第四节展望 359
参考文献 359

第十五章　热等离子体在固体废物处置中的应用 /362
排名靠前节热等离子体处置固体废物的意义、原理及发展现状 362
一、热等离子体处置固体废物的意义 362
二、热等离子体处置固体废物的原理 363
三、热等离子体处置固体废物的发展现状 365
第二节热等离子体固体废物处置中的关键问题 368
一、等离子体热解反应 368
二、等离子体气化反应 371
三、等离子体熔融反应 373
第三节热等离子体固体废物处置中的过程强化原理 376
一、热等离子体的气相反应强化 376
二、热等离子体的固相反应强化 383
第四节热等离子体在固体废物处置中的应用实例 385
一、生活垃圾焚烧飞灰等离子熔融技术研究 385
二、镇江30 t/d飞灰等离子熔融示范工程 389
三、热等离子体固体废物处置的其他应用 389
参考文献 392

索引 /395

程易，博士，教授。1994年本科毕业于清华大学，2000年获得清华大学博士学位，师从金涌院士、魏飞教授，2002年获得全国百篇优秀博士论文。1998～2003年分别在荷兰和加拿大工作，2003年3月任清华大学副教授，2007年底晋升为教授。长期从事多相化学反应工程研究和新过程开发；近10年来致力于等离子体化工和微化工技术的前沿研究工作，主要用于能源、资源、环境、化工等领域的高效率、集约化反应过程开发。以排名靠前完成人获得教育部自然科学奖一等奖和中国石油和化学工业联合会科技进步奖一等奖各一项；曾获中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖和全国化工优秀科技工作者、中国颗粒学会宝洁青年颗粒学奖、清华大学教学优秀奖等奖项；入选教育部新世纪优秀人才支持计划、科技部创新人才推进计划中青年科技创新领军人才、国家“万人计划”科技创新领军人才。现为四川大学客座教授、中国颗粒学会常务理事、中国化工学会化工过程强化专业委员会委员；担任国内《化工进展》?《石油化工》《天然气化工》，国际Green Processing and Synthesis、Clean Energy、International Journal of Chemical Reactor Engineering等期刊的编委。 刘昌俊，博士，教授。1985年本科毕业于大连工学院，1988年硕士毕业于大连理工大学（期间作为交换培养研究生在天津大学完成学业），1993年博士毕业于天津大学。1994～1997年在美国作访问学者。1998年5～11月在瑞士ABB公司任职。1999年在天津大学晋升为教授。2000年建立天津大学-ABB联合实验室并任中方主任。2002年获得国家杰出青年科学基金，2004年获聘教育部“长江学者奖励计划”特聘教授，2011年11月任英国皇家化学会会士。第十二、十三届全国政协委员。主要开展CO2化学利用、天然气转化、等离子体化学与材料制备等研究。在镍催化剂结构性能关系、CO2活化、纳米金属组合材料等方面取得创新研究成果。2014年起连续进入Elsevier“高被引”中国作者（化学工程）榜单。指导的研究生已获得全国百篇优秀博士学位论文、国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、青年长江学者等。曾任美国化学会（ACS）燃料化学分会2010年程序主席、国际二氧化碳利用大会第十届大会主席、中国力学会等离子体科学技术专业委员会副主任；现任中国化学会催化专业委员会委员，Applied Catalysis B、Journal of CO2 Utilization、Chinese Journal of Catalysis编委，Greenhouse Gases: Science & Technology顾问。

等离子体是除气、液、固三态之外的第四态物质。根据温度的不同，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体。其中，低温等离子体可分为热等离子体和冷等离子体（或称“非热等离子体”），在能源、化工、材料、环境、生物技术、冶金等领域有广泛的应用。低温等离子体强化的化工过程科学与技术是目前国际关注的前沿发展方向之一。 随着相关学科的快速发展，低温等离子体参与的化工过程研究和产业化开发逐步进入蓬勃发展阶段，并不断取得丰硕成果，也同时凝练出更多的共性科学问题和特性的技术问题。本书作为《化工过程强化关键技术丛书》的分册之一，由清华大学程易教授和天津大学刘昌俊教授主编，集成了国内外专家、学者在低温等离子体化工领域的长期研究成果，力图呈现给读者创新、前沿的低温等离子体化工研发现状。

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