介質阻擋放電生成低溫等離子的實驗研究

【摘 要】低溫等離子技術在環境治理方面具備獨特的優勢。介質阻擋放電法不僅操作簡單，反應區域可控，并且在常溫常壓下也能進行，優勢明顯。本論文主要研究電壓值、電極間距、相對濕度和溫度對低溫等離子生成效率的影響，探索介質阻擋放電生成低溫等離子的最佳工作條件。

【關鍵詞】低溫等離子；介質阻擋放電

0.前言

低溫等離子技術由于在環境治理方面具備效率高，操作簡單，經濟便捷等特點，從而受到廣泛的研究。目前主要運用強電場、高能射線以及高溫等方法， 通過加速電子、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，從而產生低溫等離子。

目前產生低溫等離子的主要技術有弧光放電、輝光放電、介質阻擋放電等。弧光放電方法產生的等離子體溫度過高， 僅適合運用于高溫領域；常用的輝光放電方法一般需要在低壓下進行，在使用過程當中需要配備真空系統，因此使用步奏繁瑣，操作復雜，難以滿足連續生產的要求。介質阻擋放電法產生的低溫等離子能夠有效地控制在一定的區域范圍內，并且操作簡單，能在常溫常壓下進行，生產低溫等離子的濃度可以通過電壓、電極間距、溫度等因素來控制，因此介質阻擋放電法得以廣泛的運用。

介質阻擋放電是有絕緣介質插入放電空間的一種非平衡態氣體放電。工作原理是在兩個放電電極之間充滿某種工作氣體，并將其中一個或兩個電極用絕緣介質覆蓋，也可以將絕緣介質直接懸掛在放電空間或采用顆粒狀的介質填充其中，當兩電極間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體會被擊穿而產生放電，即產生了介質阻擋放電。介質阻擋放電的電極結構可以根據實際需求而設計得多種多樣。

目前雖然介質阻擋放電技術已被開發和廣泛應用， 但對它的研究仍不夠全面和完善， 本文主要研究不同條件對低溫等離子生成效率的影響。

1.實驗儀器和實驗方法

低溫等離子濃度測試目前分為直接測量法和間接測量法，直接測量法常用的方法有Langmuir探針法，間接測量法形式多，比如檢測低溫等離子對某物質的分解率。本實驗采取間接測量法，通過檢測甲醛的分解率來檢測低溫等離子的生成效率。

實驗儀器包括低溫等離子發生裝置，反應容器（0.4m*0.4m*0.5m），甲醛檢測儀，甲醛源，電源等。低溫等離子發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需要進行調節。

實驗方法為先往容器內加入10 ppm的甲醛，然后調節相應的實驗參數，比如電壓，氣體濕度和縫隙大小等，打開低溫等離子發生裝置，反應30 min后再檢測甲醛濃度，從而計算出甲醛分解率。通過檢測不同條件下甲醛分解率的大小來間接檢測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.結果討論

2.1電極間距對低溫等離子生成效率的影響

實驗中電壓值為5V、10V、20V、25V、30V，溫度為20℃，氣體相對濕度為5%。如圖1所示，電極間距為1mm和3mm時，電壓在5V-20V區間內，甲醛分解率隨電壓值的升高而升高，在20V-30V的區間內，甲醛分解率隨電壓值的升高而降低。因此在20V時甲醛的分解率最高，間距為1mm和3mm對應分解了出為95%和75%。電極間距為6mm和10mm時，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，電極間距對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 兩電極間距對甲醛分解率的影響

2.2相對濕度對低溫等離子生成效率的影響

實驗中電極間距為1mm，溫度為20℃，電壓值為5V、10V、20V、25V、30V。如圖2所示，電壓在5V-20V區間內，甲醛分解率隨電壓值的升高而升高，在20V-30V的區間內，甲醛分解率隨電壓值的升高而降低，因此在20V時甲醛的分解率最高。當電壓值為20V時，相對濕度為0%，5%，10%和20%相對應的甲醛分解率分別為95%，95%，91%，90%，可見相對濕度對甲醛分解率的影響較小。電壓相同時，不同相對濕度對應的甲醛分解率變化小，并且相對濕度相同時，不同電壓值對應的分解率差異不大，可見相對濕度的影響作用不大。

圖2 相對濕度對甲醛分解率的影響

2.3溫度對低溫等離子生成效率的影響

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

圖3 溫度對甲醛分解率的影響

3.總結

本研究主要探索電壓值、電極間距、氣體相對濕度和溫度四因素對低溫等離子生成效率的影響，通過測量甲醛分解率間接測量低溫等離子生成效率。研究結果表明相對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化的條件。 [科]

【參考文獻】

[1]張國平.高頻介質阻擋放電產生臭氧的實驗研究[D].浙江：浙江大學，2007.

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