氣液兩相介質(zhì)阻擋放電影響因素研究
研究氣液兩相介質(zhì)阻擋放電( DBD) 的放電特性，對其在環(huán)保等工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重要意義。本文利用氣液兩相DBD 在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體，以堿性苯胺溶液作為工作溶液，研究了外加電壓幅值、電源頻率、放電間隙等因素對其放電特性的影響。測量得到電壓電流波形和Lissajous 圖形等電氣特性以及發(fā)射光譜和發(fā)光圖像等光學(xué)特性，進一步計算得到放電功率、傳輸電荷、分子振動溫度和分子轉(zhuǎn)動溫度等主要放電參量，研究他們的變化規(guī)律，并結(jié)合放電理論對放電機制進行了分析。結(jié)果表明，堿性苯胺溶液中氣液兩相DBD，放電與純氣相DBD 類似，但要考慮液體阻抗對放電的影響，其氣體溫度在650 ～ 750 K 之間變化，且在光譜特性圖波長589 nm 處出現(xiàn)Na 原子譜線，隨頻率變化會出現(xiàn)諧振效應(yīng)，在電源頻率為17. 5 kHz，放電間隙為4 mm 時，其發(fā)光強度最強，放電功率和傳輸電荷最大。
介質(zhì)阻擋放電( DBD) 能夠在大氣壓下產(chǎn)生穩(wěn)定的低溫等離子體放電，該技術(shù)在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，有液體參與放電活動的氣液兩相DBD 技術(shù)作為一種特殊放電形式，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。氣液兩相DBD 反應(yīng)器既解決了傳統(tǒng)純液相放電區(qū)域小和放電效率低的問題，又能將氣相放電產(chǎn)生的大量自由基和活性粒子直接作用于液相處理對象，在污水處理以及離子化液體等領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢。因此對不同條件下氣液兩相DBD 放電特性和機制進行研究對于深入理解放電機理和促進其應(yīng)用具有重要意義。
與純氣相DBD 放電類似，影響氣液兩相DBD的因素很多，如電極結(jié)構(gòu)、介質(zhì)類型、電源參數(shù)以及液體性質(zhì)等。馮景偉等研究了放電反應(yīng)器
結(jié)構(gòu)對氣液兩相DBD 放電特性的影響，采用石英玻璃作為阻擋介質(zhì)的環(huán)-筒式結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，發(fā)現(xiàn)減小介質(zhì)層厚度和減小放電間隙均能提高反應(yīng)效率。文鳳等研究了放電間隙等因素對氣液兩相DBD 放電均勻性及放電通道強度的影響，在放電間隙為10mm 時，能夠獲得均勻性較好的氣液兩相DBD 等離子體。Kim 等采用同軸式氣液兩相DBD 反應(yīng)器，并在處理樣品中通入多種氣體，研究發(fā)現(xiàn)，通入氧氣后的反應(yīng)效率較高。Dojcinovic 等研究了阻擋介質(zhì)性質(zhì)對氣液體兩相DBD 放電特性的影響，發(fā)現(xiàn)將待處理廢水均勻覆蓋在玻璃阻擋介質(zhì)表面，可以提高反應(yīng)效率和能量利用效率。Helena Oi Lun LI等研究了驅(qū)動電源和溶液性質(zhì)對氣液兩相DBD放電特性的影響，比較了水和苯溶液中的放電特性，結(jié)果表明，苯溶液中放電需要較高的驅(qū)動電壓。
目前，國內(nèi)外學(xué)者對于氣液兩相DBD 的研究側(cè)重于反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計，電極優(yōu)化等方面，而針對氣液兩相DBD 影響因素的系統(tǒng)研究尤其是對于放電參數(shù)對放電特性的影響較少涉及。氣液兩相DBD 應(yīng)用中，通常需要根據(jù)應(yīng)用要求來配置不同的處理參數(shù)如電源頻率、放電間隙等，以獲得最好的處理效果及能源利用效率。因此，需要研究這些因素對氣液兩相DBD 放電特性的影響，這對于這種放電形式的實際應(yīng)用中反應(yīng)器設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化具有重要的參考價值。本文研究了堿性苯胺溶液中氣液兩相DBD的放電特性，系統(tǒng)比較了不同影響因素下氣液兩相DBD 的電氣特性和光學(xué)特性等，進一步研究了其主要放電參量的變化規(guī)律，并結(jié)合放電機理對結(jié)果進行了分析討論。
1、實驗裝置及測量方法
圖1 給出了本文實驗研究所采用的氣液兩相DBD 實驗裝置以及其電氣接線圖。電源采用電壓幅值范圍為0 ～ 25 kV，頻率范圍為10 ～ 20 kHz 的高壓高頻交流電源。氣液兩相DBD 反應(yīng)器由高壓電極、地電極和石英玻璃器皿組成。高壓電極由四根并聯(lián)的不銹鋼棒構(gòu)成，每根電極長為10 cm，直徑為2. 5 cm，其表面覆蓋有陶瓷管作為阻擋介質(zhì)，地電極采用直徑為15 cm 的不銹鋼盤構(gòu)成，玻璃器皿內(nèi)徑為19 cm，高為4. 5 cm，壁厚為4 mm。實驗時玻璃器皿放在地電極上，液體放入到器皿內(nèi)，液面高度為5 mm。本文實驗采用的溶液為200 mg /L 的苯胺溶液( 加入NaOH 后PH 值為11) 。
放電電壓波形由Tek P6015 高壓探頭( 帶寬為75 MHz，分壓比為1000：1) 測量，放電電流由一個串聯(lián)在放電回路中阻值為200 Ω 的無感電阻測得。放電空間傳輸?shù)碾姾赏ㄟ^在放電回路上串聯(lián)一個0. 022 μF 的測量電容C 獲得，放電Lissajous 圖形通過把高壓探頭測得的反應(yīng)器上的電壓和電容兩端的電壓分別加在示波器的X-Y 軸得到。實驗時測得的電壓-電流波形及Lissajous 圖形由TDS-3054c 數(shù)字示波器記錄，示波器的帶寬為500 MHz，分辨率為5GS /s。放電圖像用置于放電空間側(cè)面的數(shù)碼相機Canon 400D 拍攝得到，曝光時間為1 s。光譜特性由Ocean Optics HR4000CG 光譜儀放置在反應(yīng)器側(cè)面1 cm 處測量得到，光譜儀的波長范圍為250 ～650 nm，光學(xué)分辨率為0. 75 nm。
圖1 實驗裝置
2、結(jié)論
(1) 堿性苯胺溶液中氣液兩相DBD，除要考慮氣體和阻擋介質(zhì)對放電的影響，還要考慮液體對放電的影響，可用等效電阻來等效液體的影響，對放電特性進行分析。放電在氣相產(chǎn)生的活性粒子除有N +2外，還包含液相蒸發(fā)到放電空間的Na + ，他們的譜線強度均隨著電壓幅值的增加而增大。放電的氣體溫度在650 ～ 750 K 之間變化，也屬于低溫等離子體范疇。
(2) 隨著電源頻率和間隙距離的增大，電流脈沖幅值、放電功率和傳輸電荷等放電參量均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，說明放電在一定條件下存在諧振效應(yīng)。本文實驗條件下氣液兩相DBD 在驅(qū)動頻率為17. 5 kHz，放電間隙為4 mm 時，放電最強烈，并且具有良好的穩(wěn)定性，放電功率及傳輸電荷最大，外加電壓18 kV 時，他們的值分別可達139. 7 W和2920 nC，具有良好的應(yīng)用前景。
