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标题: 低温等离子技术和环保技术平台 [打印本页]

作者: 娜娜世界 时间: 2012-12-21 14:52
标题: 低温等离子技术和环保技术平台

低温等离子技术和环保技术平台

——关于建立等离子技术（高科技核心技术）和环保技术的实验生产基地计划

德国安全技术博士生,微电子硕士,IT学士, 中国建筑学学士陈晓波

  1.  项目概况

  据中科院近年报道，低温等离子体技术已经是一个具有全球影响高科技时代的科学工程。低温等离子在半导体工业，新环保材料，节能材料，等离子电子学，等离子冶金，等离子化工，等离子“三废”处理等领域的市场每年达一千几百亿美元。在日本和德国无论是大学的研究所或者工业试验室，每年都递增性地投入大量的资金和人力进行研究，但由于我国的微电子和纳米电子工业的空白，致使这个低温等离子无法有实质性的发展。
  例如，纳米加工技术是公认的21世纪主要科技之一。现在国际上的先进工业国家，在精密加工技术上大都向纳米级加工技术上发展，并已取得很大的进展。其中最高效的是低温等离子技术，但以往的技术手段成本较高。2000年开始，通过常压介质阻挡放电（DBD），等离子体化学气相沉积（PECVD）的方法制备纳米颗粒膜技术已经十分成熟。由于成本比较低廉，在化工，生物医学和环保新材料得到了革命性的应用。因此，在欧美工业国正在加快步伐进行研究和生产，以达到跟新兴工业国家如中国，印度继续保持十年以上的技术优势，另一方面他们向中国等国家推销他们旧技术（所谓的成熟技术）以控制市场。
  等离子化工，等离子合成，等离子材料，等离子处理工艺等都需要等离子发生反应器提供支持。等离子发生反应器中的基本过程是一个物理，化学，力学，电子学，电工学，热学交叉的综合复杂过程。

  2.  项目意义和收益

  真正意义的高科技发展是需要最少一种核心技术的支持，而不是某些代加工技术，否则总是以泡沫效应收场。我国的现状恰恰如此，大型企业基本上靠国外的核心技术生存，所以在国际市场只能以低价位去竞争。高科技本身是经济廉价的，但由于企业市场策略，往往于高价销售，同时这也是发达国家阻止第三世界国家一种软性的技术壁垒。这些例子已经使中国企业吃尽苦头，比如电视机核心技术，DVD技术，汽车核心技术，计算机芯片技术等等。
  由于我们对高科技的错误认识和急功近利，我国工业失去许多机会。低温等离子技术近年来在成本上有实质性的突破，我认为这是一个大好的机会以市场高利润去赚取良好的研究和发展平台，最终达到与时共进，与世界同步。
  等离子技术应用在环保和医疗是现有最先进的工业成果，符合我国现在提倡的环保绿色GDP的国策。只要现阶段有政府的关心和支持，利用这一技术为工业环保和生活环保做贡献，同时带来巨大的经济利润，为下一代和现代的高科技打下个坚实的基础。

  3.  项目的应用产品

  3.1 医学生物应用产品（等离子手术刀、消毒应用）

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  蛀牙的等离子无痛楚治疗代替补牙
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  低温等离子手术刀用于耳鼻咽喉科领域
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  低温等离子消毒设备
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  无菌室

  3. 2新材料应用产品

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  纳米颗粒
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  纳米表面膜
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  纳米级半导体，电子元件
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  微芯片加工

3. 3表面清洗应用产品

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  金属表面去油及清洁

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  塑料、玻璃和陶瓷的表面活化和清洁
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  微电子产品的清洗工艺


  3. 4 环保系统，废气，废水的微粒清理产品

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  等离子处理汽车超标排气
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  等离子清理有毒废气
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  等离子处理工业污水和恶臭

  3. 5 保鲜应用产品

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  等离子加工海鲜产品技术
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  等离子技术用于荔枝龙眼的水果保鲜

  3. 6 保健治疗应用产品

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  等离子纯净水处理
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  人工矿物质温泉

  4.  等离子的应用领域基本原理

  4.1 医学生物应用（等离子手术刀、消毒应用）

图示：等离子手术刀治疗蛀牙

蛀牙的无痛楚治疗代替补牙就是运用了等离子体作为手术刀。在密封的环境下等离子体产生的纳米小微粒和强氧化分子离子，大概20秒的时间就可以把蛀牙的细菌清理99。9％。这完全改变了传统的牙钻工具，因为等离子体不会象金属接触牙齿神经那样给病人带来剧痛，更好的是不会钻个大洞，就是说不需要用传统的贡化物作为填充物去补牙。但是事后要矿化牙齿损伤处，使之得到自然生长恢复原来的牙质。
  等离子手术刀的基本原理是低温消融(英文称做Temperature-controlledRadiofrequency, TCRF或者称做：Coblation )，即利用低温等离子射频的高能量特性,以较低的温度（40-70度左右）来进行组织的切除，从而减轻组织的损伤，并能大大减轻病人的痛苦和缩短康复的周期。而传统的激光，微波治疗均采用超过150度的高温，对组织损伤较大，病人的痛苦较明显。低温等离子系统近年来在国外耳鼻咽喉科领域已经广泛应用于打鼾，鼻炎(慢性鼻炎及过敏性鼻炎)及慢性扁桃体炎，扁桃体肥大，腺样体肥大等疾病，并被证明有良好的效果，国内医院部分医院本世纪以来也开始应用低温等离子进行一些疾病的治疗。
  臭氧分子极不稳定，能分解产生氧化能力极强的单原子氧（O）和羟基（OH），是独有的溶菌型制剂，可迅速溶入细胞壁，破坏细菌、病毒等微生物的内部结构，对各种致病微生物有极强的杀灭作用。臭氧水比臭氧气体具有更强的氧化能力，对细菌、孢囊
  、芽孢菌、病毒等有更强的杀灭能力，杀菌速度比氯快200～3000倍，甚至几秒钟内可以致死细菌。对单细胞的藻类植物杀灭更快。当臭氧水中的臭氧浓度达到灭菌浓度0.30ppm时，消毒和灭菌作用瞬间发生，水中剩余臭氧浓度达0.30ppm时，在0.5～1分钟内就可以100%的致死细菌，剩余臭氧浓度达到0.40ppm时，1分钟内对病毒的灭活率达100%。HTH系列产品配备专用气水混合器，可控产出臭氧浓度达7ppm以上的高浓度臭氧水（注：臭氧水浓度1ppm=1mg/L）。
  臭氧氧化其它物质和有机质，最终生成无害的氧气、水和二氧化碳，剩余臭氧在常温下半衰期为20～50分钟，数小时后全部分解，还原为氧气。因而臭氧发生器也成为所有矿泉水、纯净水生产企业必选的先进杀菌消毒设备（水源过滤去除杂质后经气水混合处理成臭氧水直接无菌灌装，千家万户回收的5加仑水桶也都必用此臭氧水洗涤消毒，以快速彻底杀灭各种病菌，确保生产出完全达标的高品质桶装饮用水）。
  附:国内外公认的臭氧灭菌消毒的实验数据

臭氧消毒	投放浓度	投放时间	病毒、病原体种类	杀灭效率
	10mg/m3	20分钟	乙型肝炎表面抗原（HbsAg)	99.99%
	0.5ppm/L	5分钟	甲型流感病毒	99%
	0.13mg/L	30秒	脊髓灰质炎病毒I型（PVI）	100%
	40μg/L	20秒	大肠杆菌噬菌体 ms2	98%
	0.25mg/L	1分钟	猿轮状病毒SA-H 和人轮状病毒2型	99.60%
	4mg/L	3分钟	艾滋病毒（HIV）	100%
	8mg/m3	10分钟	支原体（Mycoplasma)、衣原体（Chlamydia)等病原体	99.85%

  4.2  新材料应用

  纳米表面加工技术是DBD等离子最重要舞台，所谓纳米尺度是人类肉眼无法看到，也就是说我们必须通过其他有效手段去进行检测和控制，才可以应用。通过等离子溅射出的纳米颗粒膜可以在材料表面进行分子级的结构重整，以达到不同用途。

纳米材料在表面工程中的应用，可分为纳米功能涂料、纳米结构涂料和纳米复合镀覆。纳米功能涂料是指因纳米材料的引入使涂料具有某些特殊的性能，如抗老化、抗菌性、导电和隐身等。纳米结构涂料，是指使涂料细度达到纳米量级的涂料。Dacromet技术和 Swandowell GZH技术是两种典型的纳米结构涂料。前者涂层性质与镀锌层相似，可为钢铁基体提供牺牲阳极性保护，结构类似于富锌漆，以铬的化合物为片状锌粉和铝粉（微米级）之间的粘接剂，其涂装过程与热固性涂料类似。该技术有污染小、耐蚀性高（8m m涂层耐盐雾试验1000h）和无氢脆等优点。后者技术属于水系磷酸盐涂层技术，自身兼备了屏蔽、阳极保护和缓蚀三大作用。涂层在盐雾试验中10128h涂层完好。

该技术采用的锌粉、铝粉均为普通粉体，粒度大，导致其三大作用必须采用厚的涂层（50~60mm厚）来解决。如果用纳米级片状锌粉、铝粉替代普通锌、铝粉应用于这两个技术，不但可以保持其原有的特点而大幅度降低涂层厚度，从而提高涂层的尺寸精度，而且由于片状锌粉的细度降低，涂层的封闭性提高，致使其耐蚀性得以极大的提高，进而扩大该技术的应用领域。现在的复合镀技术所采用的粉体均为普通粉体，在获得某种功能的同时，因粉体的粒度大，造成镀层屏蔽性降低，从而使镀层耐蚀性降低。而采用纳米金属粉，可使粉体完全包覆于镀层中，避免了普通粉体的副作用，且镀层表面光洁细腻；对纳米复合镀层进行热处理，使金属纳米粉体与镀层金属共熔，得到相应的合金镀层，以替代现行的合金电镀技术，可简化镀液的维护。

4.3   表面清洗应用
  金属表面去油及清洁金属表面常常会有油脂、油污等有机物及氧化层，在进行溅射、油漆、粘合、健合、焊接、铜焊和PVD、CVD涂覆前，需要用等离子处理来得到完全洁净和无氧化层的表面。在这种情况下的等离子处理会产生以下效果：

  a灰化表面有机层
  －表面会受到化学轰击（下图）

  －在真空和瞬时高温状态下，污染物部分蒸发

  －污染物在高能量离子的冲击下被击碎并被真空带出

  －紫外辐射破坏污染物

  因为等离子处理每秒只能穿透几个纳米的厚度，所以污染层不能太厚。指纹也适用。

  b氧化物去除
  金属氧化物会与处理气体发生化学反应（下图）

  这种处理要采用氢气或者氢气与氩气的混合物。有时也采用两步处理工艺。第一步先用氧气氧化表面5分钟，第二步用氢气和氩气的混合物去除氧化层。也可以同时用几种气体进行处理。
  c焊接
  通常，印刷线路板在焊接前要用化学助焊剂处理。在焊接完成后这些化学物质必须采用等离子方法去除，否则会带来腐蚀等问题。
  d键合
  好的键合常常被电镀、粘合、焊接操作时的残留物削弱，这些残留物能够通过等离子方法有选择地去除。同时氧化层对键合的质量也是有害的，也需要进行等离子清洁。

  塑料、玻璃和陶瓷的表面活化和清洁塑料、玻璃、陶瓷与聚丙烯、PTFE一样是没有极性的，因此这些材料在印刷、粘合、涂覆前要进行处理。同时，玻璃和陶瓷表面的轻微金属污染也可以用等离子方法清洁。等离子处理与灼烧处理相比不会损害样品。同时还可以十分均匀地处理整个表面，不会产生有毒烟气，中空和带缝隙的样品也可以处理。不需要用溶剂进行预处理 ; 所有的塑料都能应用; 具有环保意义; 占用很小工作空间; 成本低廉
  等离子表面处理的效果可以简单地用水来验证，处理过的样品表面完全被水润湿。长时间的等离子处理（大于15分钟），材料表面不但被活化还会被刻蚀，刻蚀表面具有最大润湿能力。常用的处理气体为：空气、氧气、氩气、氩氢混合气体、CF4等

  4.4 环保系统，废气，废水的微粒清理

  等离子环境可产生和制造各种高能量的纳米级微粒，这些高能量微粒可以分解大量的存在于气体或液体中的有毒和剧臭的气体微粒，甚至可以冲击空气中的细菌和病毒。低温高压等离子的化学环境更加复杂。比如在常温大气压的DBD产生的等离子体，可制造出强氧化剂——臭氧（O3）。这种手段是现阶段最先进的消毒杀菌手段，因为节能，无污染，最终化合产物是水和二氧化碳。

  德国工业常用的薄膜过滤技术（Menbrantechnik）:
  微过滤器Microflitraton，通过约1微米至10微米的颗粒，可阻挡部分细菌（约大于8微米）；
  超微过滤器Ultrafiltration，通过约0。1微米至1微米的颗粒，可阻挡所有细菌（约大于8微米）和部分病毒（约0。01至5微米）；

  纳米过滤器Nanofiltration，通过约1纳米至10纳米的颗粒，可阻挡所有病毒（约0。01至5微米）；
  反向压力过滤器Umkehrosmose，通过小于1纳米的颗粒，可阻挡所有有毒和重金属离子（约0。5纳米至5纳米）；

  低温等离子体污水处理恶臭控制专用设备的性能特点：
  “低温等离子体”设备，自动化程度高,工艺简洁,操作简单,方便.无需专人看管，遇故障自动停机报警。
  节能：运行费用低廉是“低温等离子体”核心技术之一,处理1000M3/h臭气，耗电量仅250W。
  适应范围广：在高温250℃,低温-50℃的环境内,净化区均可运转,特别是在潮湿,甚至空气湿度饱和的环境下仍可正常运行。
  设备使用寿命长：设备由不锈钢材，铜材、钼材、环氧树脂等材料组成，抗氧化性强，在酸性气体中耐腐蚀。使用寿命长达15年以上。
  “低温等离子体”设备组合性强：可以窜并联混合应用，在处理高浓度异味气体时能发挥明显优势。

  4.5 保鲜应用

  (1) 等离子加工海鲜产品技术
  a)  常温等离子保鲜海产品，如鲜鱼，虾，蟹等各种在餐馆或家庭
  食用肉类。

  传统方法夏日海鲜的保鲜时间大约在三个小时即使采取有氧冷气运输的保鲜方式，也很难超过5个小时

  等离子加工方法估计可超过三天
  b)  低温等离子冰保鲜海产品用于长途运输和长期捕捞作业。

  传统敷冰保鲜方法是采用机制冰在渔船出海前充注于渔舱内（约30吨～50吨/次不等），待鱼上网装箱后将冰块敷于表面，在船舱内进行保鲜的一种方法。在冷量不均匀、鱼货量少的情况下，尚能在短时期内（7天～10天）保持一级鲜度。

  等离子加工方法
  估计可超过三十天保持一级鲜度

  c)  常温等离子海水养殖，用于水族馆或家庭养，不用换水和加氧。

  传统方法
  换水清洁排泄物，加空气。。。

  等离子加工方法
  只需定时加电

  (2) 等离子技术用于荔枝龙眼的水果保鲜


  等离子保鲜：通过特定电场实现无声放电，可以产生低温等离子体。在此过程中，高能电子与工作气体分子碰撞，发生一系列物理、化学反应并将气体激活，产生多种活性基。低温等离子体对果蔬保鲜和降解农药残毒有明显效果，表现为清除乙烯、乙醇等有害于果蔬贮藏保鲜的代谢物，诱导果蔬气孔缩小，降低果蔬呼吸强度等作用；对于真菌、细菌类病害有较强的防除作用，对病毒也有一定的抑制作用。

  等离子产生的臭氧是一种强氧化剂，又是一种良好的消毒剂和杀菌剂，既可杀灭消除果蔬致病微生物及其分泌毒素，又能抑制并延缓果蔬有机物的水解，从而延长果蔬保鲜期。

  等离子中的高能脉冲破坏DNA和细胞分裂，从而消灭食品中的微生物。这样可延长农产品的保鲜期，减少防腐剂的使用，使农产品更安全，并能延缓果蔬成熟，抑制蔬菜发芽。用一种装置产生名为“软电子”的微弱电子辐射农产品表面，可有效抑制和杀灭微生物。这种电子波最深只能深入农产品表面50~150μm处，它能杀掉农产品表面附着的细菌同时，不致使农产品的内部结构和营养成分遭到破坏。

  等离子发出紫外线照射既可起到杀菌作用，又可起到诱导农产品的抗病作用。紫外光毒物兴奋效应是一个较新的概念，它表明在果蔬中能诱导对采后贮藏的腐烂抵抗能力，并通过推迟完熟过程而延长货架寿命。“毒物兴奋效应指的是由低剂量试剂，如化学抑制剂或物理胁迫因子刺激得到的植物有益反应”。短时暴露在UV光下可减少采后由病原菌引起的腐烂。

  2.6 保健治疗应用（人工离子温泉）

  由等离子的高能束激发各种矿物质和金属，从而产生不同的可溶性离子，再通过高压注入水中，改变水中矿物质成分，成为人工温泉。
  温泉是包括温度低于25℃的冷泉、25～37℃的温泉、38～42℃的热泉和水温超过42℃以上的高热泉4种。其中，温泉水的温度最适宜于人体沐浴。
  　　温泉中含有一定量的矿物质，例如碳酸盐、硫酸盐、硫磺、碘、氟、铁、硼等。一般以每升水中含有的矿物质低于1 000毫克为宜，它不仅对人体无害，而且还有治疗疾病的作用。所以，在种种矿泉水中，温泉格外受到人们的重视。
  温泉可以治疗的疾病很多，常见的有早期高血压、关节炎和各种皮肤病，如慢性湿疹、银屑病(牛皮癣)、神经性皮炎、皮肤瘙痒。即使没有疾病，洗个温泉澡，既能舒筋活血，也能滋润皮肤，增强皮肤的抵抗力。
  　　由于各温泉所含的矿物质不同、水温也不同，所以它们的治疗效果会不相同。这里简单介绍几种常见的温泉。

  (1)单纯泉水温在25℃以上，可溶性固体含量每升水中在1 000毫克以下，主要依靠热量产生治疗作用。热水具有镇痛作用，还可以通经活络，加快人体的新陈代谢，促进血液循环。所以温泉水常用来治疗风湿性关节炎、类风湿性关节炎、神经性皮炎等皮肤病。对慢性咽炎、便秘的病人，也有一定的治疗作用。

  (2)碳酸泉碳酸泉一般是指每升泉水中含游离二氧化碳在1 000毫克以上，而含可溶性固体成分在1 000毫克以下的温泉。洗浴以后，可以使毛细血管扩张，血压下降，对增强心脏功能有较好的效果，用来治疗动脉硬化、坐骨神经痛等疾病。

  (3)重碳土类泉泉水中含有可溶性的固体成分每升在1 000毫克以上。水中含有的阴离子为重碳酸根，含有的阳离子则有钙离子、镁离子等。除了对皮肤粘膜的炎症有治疗作用以外，还有兴奋神经、降低血管内皮细胞通透性的作用。

  (4)重碳酸钠泉水中含有可溶性固体成分每升在1 000毫克以上。以重碳酸根离子和钠离子为主要成分。这种泉水有类似肥皂的作用，洗完以后，皮肤显得很光滑。温浴可以治疗皮肤瘙痒、皮肤癣症、神经性皮炎、慢性前列腺炎、腰肌劳损和风湿病等。

  (5)食盐泉所谓“食盐泉”，是指温泉中含盐量每升水在1000毫克以上，主要为氯离子和钠离子。沐浴后觉得非常温暖，并能刺激皮肤，使血管扩张，从而增进体表的血液循环，加速汗腺和皮脂腺的分泌，增加胃肠蠕动。对神经性疼痛、风湿病均有疗效。

  (6)铁泉泉水含有较多的铁离子，每升水中的含量在10毫克左右。可以治疗风湿病、腰腿痛、痔疮、月经不调、各种皮肤癣症。

  (7)硫磺泉每升水中的硫磺含量在1毫克以上。硫的成分触到皮肤以后，能溶解角质、软化皮肤，并有消炎杀菌的作用，可用以治疗癣、疥、疮、疖，以及腰腿痛等。

  (8)放射能泉在这类泉水中，含有镭、氡等放射性物质，所以称为放射能泉。当人体浴用这种含氡的温泉时，由于氡的放射作用，能够调节和改善神经系统的功能，平衡中枢系统的兴奋和抑制过程，促进睡眠，减轻疼痛，并使血压下降。
  　　在进行温泉治疗的时候，应该经过医生的全面检查，并且在医生的指导下，根据各处温泉所含的不同成分，以及每种疾病的特点，进行针对性选择，做到因人而异，对症“下水”。或采取全身浸浴、半身浸浴，或采取手浴法、足浴法等不同的方法。
  　　不同疾病的不同患者，还应当注意选择不同的水温。如治疗神经官能症的病人，水温需偏低(35～36℃)；治疗关节病变的水温，需在39～40℃。浴疗的时间，短者一次10～30分钟，每天2～3次；长者1～4个小时，15～30次为一个疗程，然后每隔3～7天再开始下一个疗程。

  5.  总结

  在现代工业和生物技术加工，等离子技术将是一个很广泛的手段，这个技术通过微电子，高压电子电力，物理，化学，光学等综合的学科得以实现和应用，
  在德国科学家30年代发明这个技术以后，美国，德国和日本一直投入大量人力财力去研究发展，80年代后由于半导体的产业化和普及应用，这个技术得到了新的使用，德国的大部分工科大学都有等离子的研究所，但是中国目前只有大连海事学院等几所大学得到日本的资助近年来建立的等离子研究所，也只是偏向高温等离子（大于3000k）的研究. 江苏有个民间低温等离子研究室是台湾学者创立的，在某些方面是很有成效。

  所以，政府的资助和支持建立等离子技术和环保技术的研究室是这个技术的生根发芽理想温室，有了成果就很容易跟企业合作生产产品得到很高经济回报。由于这种技术是现代工业的核心技术之一，所以他不会受制于其他工业生产环境，也就是说它可以决定新的工业发展方向，所谓的龙头技术。它可以带动我们常说高科技产业。

  作者注: 以上的所有数据来源于不同的学术杂志和本人的研究成果，部分没有专业论证，请勿公开发表或复印。

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