高能離子體中的化學反應主要是通過氣體放電產生的快電子激發來完成的。這些快電子與氣體分子碰撞，使氣體分子激發到更高的能級。被激發到高能級的分子，由于其內能的增加，既可發生鍵的斷裂也可以與其它物種發生化學反應；而由于碰撞失去部分能量的電子在電場的作用下仍可得到補償。典型的反應類型如下：
電子/分子反應
激發 e + A2 → A2+ + 2e
離解 e + A2 → 2A + e
附著 e + A2 → A2-
離解附著 e + A2 → A- + A
電離 e + A2 → A2+ + 2e
復合 e + A2- → A2
離脫 e + A2- → A2 + 2e
分子/原子反應
潘寧離解 M* + A2 → 2A + M
潘寧電離 M* + A2 → A2+ + M + e
電荷轉移 A+ + B → B+ + A
離子復合 A+ + B- → AB
中性復合 A + B + M → AB + M
分解反應
電子的 e + AB → A + B + e
原子的 A* + B2 → AB + B
合成反應
電子的 e + A → A* + e
A* + B → AB
原子的 A + B → AB
可以看出，低溫非平衡態高能離子體是使分子活化的有效方法，它能使幾乎所有的分子激發、電離和自由基化，產生大量的活性基團，如 O2-、O、OH、O3 和高能量的自由電子。這些活性物種使得在通常條件下難以實現的反應可以很容易地在高能離子體系統中完成。尤其對空氣中污染物的脫除，可以在很短的時間內使其分解甚至*分解。研究表明，等離子體分解空氣污染物可通過兩種途徑完成：(1)在產生等離子體的過程中產生的瞬間高能量，打開某些有害分子的化學鍵，使其分解成單質原子或無害分子。(2)高能離子體中包含了大量的高能電子、離子、激發態粒子(其能量范圍如表 1)和具有強氧化活性的自由基，這些活性粒子的平均能量高于氣體分子的鍵能，它們和有害氣體分子發生頻繁的碰撞，打開氣體分子的化學鍵，同時產生的大量•OH、HO2• 、O•等自由基和氧化性*的 O3 跟有害氣體分子發生化學反應生成無害產物。
表 1 高能離子體中各種粒子能量和幾種氣體分子鍵能
高能離子體空氣凈化的作用機理如下：
O2 →2O
N2 → N2*(A) → • H + •OH
NOx → N2+O2
SOx → S+O2
O2(+M) + O→ O3(+M)
• OH+H2S → HS• +H2O
O+H2S→ HS •+ •OH
HS •+ •OH→S+H2O
•OH+NH3 → NH2+H2O
•OH+NH2 → N2+H2O
•OH+CO → CO2 +•H
此外，高能離子體還有去除空氣中的煙塵顆粒、細菌、花粉、病毒、孢子等污染物的作用。去除顆粒污染物放電產生的等離子體中包含有大量的電子和正負離子，它們在電場梯度的作用下，與空氣中的顆粒污染物發生非彈性碰撞，從而附著在上面，使之成為荷電離子，若外加電場，可被集塵極收集。這一過程對懸浮于空氣中直徑小于100 微米的顆粒和直徑小于 10 微米的可吸入顆粒有較高的清除效果。去除細菌、花粉、病毒、孢子放電產生的負離子同空氣中的有毒化學物質以及病菌懸浮顆粒物相碰撞使其帶負電。這些帶負電的顆粒物會吸引其周圍帶正電的顆粒物(通常空氣中的細菌、病毒、孢子等是帶正電)。這種聚集過程一直持續到顆粒物的重量足以使它降落在地面為止。除了聚集過程外，在有限的空間里空氣中帶負電的顆粒物還被吸附到帶正電的表面(通常情況下，房間里面大多數物體的表面，包括墻壁、地面、家具、電器等都是帶正電的)。
表 2 高能離子體氣體凈化處理設備的參數
