大氣壓脈沖介質阻擋放電等離子體研究進展*

唐詩雅，劉全楨，王世強，關銀霞，牟洪祥，李棲楠

(中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266071)

近些年來，低溫等離子體在環境污染物處理、生物醫學、材料表面改性以及輔助燃燒等領域發展迅速。尤其是低溫等離子體技術處理揮發性有機氣體(VOCs)方面，因其工藝簡單、運行管理方便引起國內外研究者們和生產企業的極大興趣[1]。產生低溫等離子體的氣體放電形式多樣，根據放電結構主要分為介質阻擋放電(dielectric barrier discharge, DBD)、沿面放電(surface discharge)、滑動放電(gliding discharge)、射流放電(jet discharge)等。以上幾種放電形式在低溫等離子體處理VOCs中均有應用，其中介質阻擋放電結構簡單易實現、降解效率高，因而成為最常用的工業應用形式之一，受到廣泛關注[2]。

通常的介質阻擋放電(DBD)采用連續幾到幾十kHz的正弦波高壓源(即交流高壓)來驅動。放電過程中，在連續激勵電壓的作用下，極易轉變為非均勻放電模式(如火花放電等)，而且放電腔體、放電電極和中性氣體將被加熱，導致能量利用效率不高，更重要的是，反應器過熱會對裝置安全運行帶來隱患。因此，新的等離子體激勵源成為制約介質阻擋放電擴大應用的瓶頸之一[1]。對于介質阻擋放電形式，除了交流放電(AC discharge)，可采用的激勵源(即電源)還有脈沖放電(pulsed discharge)。脈沖電源能夠提供高功率密度，高E/N(折合電場強度)積累高能電子電離氣體，產生具有高反應效率的大氣壓等離子體，促進一些常規條件下無法實現的反應發生，并且反應體系接近室溫。這不僅極大地節約了能耗，而且避免了由于過熱帶來的安全隱患，保障了裝置的長周期穩定運行。綜上所述，脈沖介質阻擋放電等離子體是一項有潛力的重要應用基礎研究，可以拓寬大氣壓空氣放電等離子體的應用領域，促進民用脈沖電源技術的發展。

本文從脈沖等離子體電學特性、實際應用以及難點挑戰3個角度綜述大氣壓脈沖介質阻擋放電的研究進展。

1 脈沖介質阻擋放電等離子體電學特性

脈沖氣體放電具有極短的上升沿及脈寬時間。脈沖電壓能夠使電子在極短時間內充分加速以達到極高能量(通常為2～20 eV)，并在極短時間內消失，施加的能量幾乎都用于氣體電離、分子解離碰撞等過程，產生大量活性物種[3]。氣體分子幾乎不會被加熱，使得氣體溫度通常維持在室溫狀態。因此，脈沖氣體放電具有很高的能量利用效率。同時，脈沖的快速上升沿使得流柱發展時間小于流柱理論中的光電離時間，可有效抑制放電向非均勻放電(如火花放電)轉變，從而獲得均勻放電。隨著脈沖技術的不斷發展，目前脈沖的上升沿和脈寬時間可達到納秒數量級，稱為納秒脈沖(nanosecond pulsed discharge)。以下將從電學特性描述脈沖介質阻擋放電特征。

1.1 放電均勻性

DBD的放電特性中最為關注的是放電均勻性。近十年來，利用納秒脈沖電源激勵介質阻擋放電產生均勻放電等離子體取得了不少優秀的成果[4,5]。國際上Laroussi等采用微秒脈沖方波，通過5 ns曝光時間的高速相機拍攝獲得了一次放電和二次放電的發展過程。Walsh小組在脈沖上升沿10 ns、脈寬65 ns和頻率5 kHz的條件下也獲得了均勻介質阻擋放電低溫等離子體。當氣體間隙距離逐漸增大時，逐漸出現肉眼可觀察到的絲狀放電紋路。此外，通過2 ns曝光時間的高速攝像觀察到了大氣壓空氣中納秒脈沖DBD的發展過程，首次證實了氣隙≤2 mm大氣壓空氣均勻放電的存在，為在大氣壓下實現均勻放電提供了有利的實驗基礎。

1.2 電氣參數

關于特征電氣參數，典型交流、微秒脈沖和納秒脈沖DBD特征參數對比如表1所示(表中微放電直徑以100 μm計)。可見，交流DBD<微秒脈沖DBD<納秒脈沖DBD。納秒脈沖DBD的微放電電流密度估算約為106A/cm2，遠大于交流DBD的微放電電流密度。此外，納秒脈沖DBD的微放電電子溫度約為10 eV，高于交流DBD的微放電電子溫度。納秒脈沖下發生的是典型的過電壓擊穿，具有相當高的初始電場強度，在納秒時間內達到的放電電流和功率都遠高于交流DBD。盡管如此，納秒脈沖DBD長時間運行后并沒有發現過熱現象，電極和介質溫升均不高。相對應地，在高頻高壓交流DBD經常出現熱點而燒穿介質的現象[5]。

表1 交流、微秒脈沖和納秒脈沖介質阻擋(DBD)放電特征參數對比

2 脈沖介質阻擋放電等離子體應用

2.1 VOCs處理

梳理歸納了近十年來脈沖電源驅動下，降解不同VOC氣體的研究結果，涉及烴類、小分子醛酮、鹵代物以及苯系物，如表2所示。應用脈沖電源的等離子體放電結構主要有電暈和介質阻擋。苯、甲苯依然是較難降解的一類化合物，其次是甲烷、丙烷等小分子烴類。大連理工大學Jiang等[6]運用沿面和填充床復合放電形式處理流速為0.5 L/min、濃度為400×10-6的苯，降解率最高為75%。當注入能量均為299 J/L時，采用雙極性脈沖電源的降解效率為67%，相對應的采用傳統交流電源的降解效率為58%。Wang小組使用正極性脈沖電源，通過電暈放電模式處理流速為0.3 L/min、濃度為80×10-6的苯，降解率最高達52%[7]。此外，對于甲苯、氯苯以及小分子烴類通過脈沖電源與加熱方式或者催化劑聯用，可以取得比單一放電處理更優的結果。

表2 脈沖電源降解不同VOCs氣體

2.2 材料表面處理

放電等離子體材料表面改性是放電等離子體的傳統應用領域。通過等離子體處理可以改善聚合物材料、纖維材料、金屬、非金屬以及生物材料的表面能較低、表面粘接性差、親水性差、電學性能差等缺點。研究認為，均勻等離子體對表面的改善效果要遠遠優于非均勻等離子體。均勻等離子體放電產生熱低，能耗低，可以簡化或免去了常用的電極冷卻系統，使放電系統的空間結構大大簡化，更有利于對放電的控制。邵濤等[18]采用上升沿15 ns的脈沖電源在空氣中分別獲得了典型的均勻放電和絲狀放電，用于處理聚乙烯材料。結果表明與絲狀放電相比，均勻放電在消耗更低平均功率密度的條件下能夠獲得更為均勻的處理效果。

3 結語

近年來，放電等離子體作為一種新型的能源載體，符合國家節能減排的戰略需求，在社會經濟發展和國防領域中有著廣泛應用。從生物醫學應用、新能源太陽電池背膜、柔性薄膜電路板、納米光電子學、自由電子激光器、等離子體推進器等高科技領域到廢氣廢水及有機污染物等環保處理都呈現出越來越廣闊的應用前景。脈沖電源能夠提供高功率密度、高E/N，激發出具有高反應效率活性粒子的大氣壓等離子體。隨著需求和應用領域的不斷深入和拓展，主要存在以下幾個方面的難點和挑戰。

a)脈沖氣體放電等離子體產生和作用機理。雖然目前有多種能解釋現象的機理假說存在，但仍然存在爭議。另外，等離子體的診斷方法，尤其是瞬態物質的判定和測量有限。使得脈沖氣體放電等離子體產生和作用機理成為一大難點。

b)大氣壓下大面積均勻放電產生技術。目前僅能在≤2 mm間隙中利用脈沖DBD激勵大氣壓空氣產生均勻放電，或者利用陡上升沿產生彌散放電，又或加熱空氣獲得大氣壓均勻放電，但以上這些形式仍然離實際工業應用有較大距離，大尺度極難均勻放電，加工成本過高。

c)緊湊型納秒脈沖電源技術。為了滿足不斷增長的工業化應用需求，不降低脈沖參數的條件下如何壓縮脈沖電源的體積，同時要考慮開關器件的散熱，對納秒脈沖電源開發提出了實際應用的挑戰。