介質(zhì)阻擋放電生成低溫等離子的實(shí)驗(yàn)研究

【摘 要】低溫等離子技術(shù)在環(huán)境治理方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。介質(zhì)阻擋放電法不僅操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)區(qū)域可控，并且在常溫常壓下也能進(jìn)行，優(yōu)勢(shì)明顯。本論文主要研究電壓值、電極間距、相對(duì)濕度和溫度對(duì)低溫等離子生成效率的影響，探索介質(zhì)阻擋放電生成低溫等離子的最佳工作條件。

【關(guān)鍵詞】低溫等離子；介質(zhì)阻擋放電

0.前言

低溫等離子技術(shù)由于在環(huán)境治理方面具備效率高，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)便捷等特點(diǎn)，從而受到廣泛的研究。目前主要運(yùn)用強(qiáng)電場(chǎng)、高能射線以及高溫等方法， 通過(guò)加速電子、離子或高能中性粒子的非彈性碰撞作用使得氣體分子電離，從而產(chǎn)生低溫等離子。

目前產(chǎn)生低溫等離子的主要技術(shù)有弧光放電、輝光放電、介質(zhì)阻擋放電等。弧光放電方法產(chǎn)生的等離子體溫度過(guò)高， 僅適合運(yùn)用于高溫領(lǐng)域；常用的輝光放電方法一般需要在低壓下進(jìn)行，在使用過(guò)程當(dāng)中需要配備真空系統(tǒng)，因此使用步奏繁瑣，操作復(fù)雜，難以滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求。介質(zhì)阻擋放電法產(chǎn)生的低溫等離子能夠有效地控制在一定的區(qū)域范圍內(nèi)，并且操作簡(jiǎn)單，能在常溫常壓下進(jìn)行，生產(chǎn)低溫等離子的濃度可以通過(guò)電壓、電極間距、溫度等因素來(lái)控制，因此介質(zhì)阻擋放電法得以廣泛的運(yùn)用。

介質(zhì)阻擋放電是有絕緣介質(zhì)插入放電空間的一種非平衡態(tài)氣體放電。工作原理是在兩個(gè)放電電極之間充滿某種工作氣體，并將其中一個(gè)或兩個(gè)電極用絕緣介質(zhì)覆蓋，也可以將絕緣介質(zhì)直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質(zhì)填充其中，當(dāng)兩電極間施加足夠高的交流電壓時(shí)，電極間的氣體會(huì)被擊穿而產(chǎn)生放電，即產(chǎn)生了介質(zhì)阻擋放電。介質(zhì)阻擋放電的電極結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際需求而設(shè)計(jì)得多種多樣。

目前雖然介質(zhì)阻擋放電技術(shù)已被開(kāi)發(fā)和廣泛應(yīng)用， 但對(duì)它的研究仍不夠全面和完善， 本文主要研究不同條件對(duì)低溫等離子生成效率的影響。

1.實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)方法

低溫等離子濃度測(cè)試目前分為直接測(cè)量法和間接測(cè)量法，直接測(cè)量法常用的方法有Langmuir探針?lè)?，間接測(cè)量法形式多，比如檢測(cè)低溫等離子對(duì)某物質(zhì)的分解率。本實(shí)驗(yàn)采取間接測(cè)量法，通過(guò)檢測(cè)甲醛的分解率來(lái)檢測(cè)低溫等離子的生成效率。

實(shí)驗(yàn)儀器包括低溫等離子發(fā)生裝置，反應(yīng)容器（0.4m*0.4m*0.5m），甲醛檢測(cè)儀，甲醛源，電源等。低溫等離子發(fā)生裝置電極為兩圓柱形電極，電極材料為摻雜ZrO2納米線的CaTiO3陶瓷電極材料，兩電極間的距離可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)方法為先往容器內(nèi)加入10 ppm的甲醛，然后調(diào)節(jié)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，比如電壓，氣體濕度和縫隙大小等，打開(kāi)低溫等離子發(fā)生裝置，反應(yīng)30 min后再檢測(cè)甲醛濃度，從而計(jì)算出甲醛分解率。通過(guò)檢測(cè)不同條件下甲醛分解率的大小來(lái)間接檢測(cè)低溫等離子生成效率，甲醛分解率越高則生成低溫等離子效率越高。

2.結(jié)果討論

2.1電極間距對(duì)低溫等離子生成效率的影響

實(shí)驗(yàn)中電壓值為5V、10V、20V、25V、30V，溫度為20℃，氣體相對(duì)濕度為5%。如圖1所示，電極間距為1mm和3mm時(shí)，電壓在5V-20V區(qū)間內(nèi)，甲醛分解率隨電壓值的升高而升高，在20V-30V的區(qū)間內(nèi)，甲醛分解率隨電壓值的升高而降低。因此在20V時(shí)甲醛的分解率最高，間距為1mm和3mm對(duì)應(yīng)分解了出為95%和75%。電極間距為6mm和10mm時(shí)，甲醛分解率隨電壓值的增加而升高，但是甲醛分解率低，位于20%以下。由此可見(jiàn)，電極間距對(duì)甲醛分解率的影響較大，在相同電壓下間距越小，甲醛分解率越高，最佳的間距為1mm。

圖1 兩電極間距對(duì)甲醛分解率的影響

2.2相對(duì)濕度對(duì)低溫等離子生成效率的影響

實(shí)驗(yàn)中電極間距為1mm，溫度為20℃，電壓值為5V、10V、20V、25V、30V。如圖2所示，電壓在5V-20V區(qū)間內(nèi)，甲醛分解率隨電壓值的升高而升高，在20V-30V的區(qū)間內(nèi)，甲醛分解率隨電壓值的升高而降低，因此在20V時(shí)甲醛的分解率最高。當(dāng)電壓值為20V時(shí)，相對(duì)濕度為0%，5%，10%和20%相對(duì)應(yīng)的甲醛分解率分別為95%，95%，91%，90%，可見(jiàn)相對(duì)濕度對(duì)甲醛分解率的影響較小。電壓相同時(shí)，不同相對(duì)濕度對(duì)應(yīng)的甲醛分解率變化小，并且相對(duì)濕度相同時(shí)，不同電壓值對(duì)應(yīng)的分解率差異不大，可見(jiàn)相對(duì)濕度的影響作用不大。

圖2 相對(duì)濕度對(duì)甲醛分解率的影響

2.3溫度對(duì)低溫等離子生成效率的影響

實(shí)驗(yàn)電壓為5V、10V、20V、25V、30V，電極間距為1mm，氣體相對(duì)濕度為5%。如圖3所示，電壓相同時(shí)不同溫度對(duì)應(yīng)的甲醛分解率沒(méi)有太大變化，比如20V時(shí)20℃、40℃、60℃、80℃對(duì)應(yīng)的甲醛分解率分別為90%，92%，92%，94%，并且相同溫度下，不同電壓值對(duì)應(yīng)的分解率差異小，因此溫度的影響作用不大。

圖3 溫度對(duì)甲醛分解率的影響

3.總結(jié)

本研究主要探索電壓值、電極間距、氣體相對(duì)濕度和溫度四因素對(duì)低溫等離子生成效率的影響，通過(guò)測(cè)量甲醛分解率間接測(cè)量低溫等離子生成效率。研究結(jié)果表明相對(duì)濕度和溫度的影響不大，電壓為20V，電極間距為1mm是生成低溫等離子較優(yōu)化的條件。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]張國(guó)平.高頻介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生臭氧的實(shí)驗(yàn)研究[D].浙江：浙江大學(xué)，2007.

[2]王輝，孫巖洲，方志，邱毓昌.介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體的產(chǎn)生[J].印染，2005.19：5-7.