磁場環境下針板DBD臭氧發生的參數影響

魏林生，徐龍圣，章亞芳，袁 萍

(南昌大學資源環境與化工學院，江西 南昌 330031)

臭氧具有較強的氧化性和環境友好性，廣泛應用于飲用水凈化、廢水處理、空氣凈化、食品加工、化工生產等領域。近幾十年來，人們對提高臭氧產率進行了大量的研究[1-4]。然而，商用臭氧發生器的臭氧產率仍然很低，與理論值相差甚遠。臭氧通常是在氣體放電中產生。為了提高臭氧的產生效率，人們嘗試在電場上施加超聲波[5]、紫外線[6]和磁場[7-9]等外界刺激。在這些外部刺激中，靜止磁場因為不需要額外的能量從而表現出更好的性能。許多學者研究了外部磁場對氣體放電基本特性的影響[10-12]。他們預言磁場增強可以應用于各種工業應用。在實際應用中,磁場被廣泛應用于電除塵器[13]、聚電解質薄膜改性[14]、污染氣體控制[15]，放電電磁輻射[16]等領域。

就放電特性方面，Pekarek[7-9]研究了在有氣流的恒定磁場中，介質阻擋放電(DBD，Dielectric Barrier Discharge)產生氮氧化物的過程。結果表明，磁場可以改善放電特性和氮氧化物的產生。K.Elabbas[11]研究了橫向磁場對低真空直流電暈放電行為的影響。Liu[12]等通過光電測量研究了平行磁場對重復納秒脈沖DBD的影響。Mi Junfeng[13]等通過比較兩種不同磁場對負電暈放電電流的影響，并揭示了磁場增強負電暈放電的機理。顯然，外加磁場可以有效地改變放電特性。在介質阻擋放電過程中，放電特性的改變會決定臭氧發生器性能和效率，從而影響臭氧發生。然而，對于磁場作用下DBD臭氧發生的重要參數的影響鮮有報道。為此，本文通過進行磁場增強針板DBD臭氧發生實驗，研究了不同放電電壓、放電頻率和氣體流量下磁場對放電特性、臭氧發生的影響。所得結果對開發新型臭氧發生器具有重要意義。

1 實驗裝置

實驗系統如圖1所示。其中，放電室采用針板DBD結構(見圖2)，其由70 mm長的純鐵空心針高壓電極(外徑/內徑：8/6 mm)、1 mm厚的陶瓷板(相對介電常數為9.6)作為介質板、1 mm厚的接地銅板電極組成。放電間隙為1 mm。針電極同軸放置在靜止磁場中。該磁場由Nd2Fe14B外/內徑72/48 mm，高為6 mm的的圓環磁鐵產生。空氣以0.1 MPa的壓力進入反應器，由流量控制裝置(DF-07質量流量控制器；D08-3F質量流量顯示儀)控制。臭氧濃度由臭氧濃度分析儀(LT-05m，IN China Inc，量程0～1 000 r·min-1，精度為30 r·min-1)測量。

放電由CTP-2000K交流高壓電源(正弦交流，峰值電壓0～30 kV，頻率2～15 kHz)供電。使用數字示波器(泰克MDO3034)記錄放電的電氣特性。分別使用高壓探針(P6015A)和電流探頭(2878200mhz，Pearson)對外加電壓和電流進行采樣。霍爾探針和HT200高斯計(IN China Inc，①量程0～20 mT,精度0.01 mT；②量程0～200 mT時，精度為0.1 mT)測量環形磁鐵外的磁場分布。

圖3示出了磁感應矢量的軸向分量Bx和徑向分量Br相對于徑向位置r的關系

2 外加磁場對放電特性的影響

圖4顯示了有無磁場環境下典型的電壓電流波形。從這些波形可以看出，隨著磁場的加入，電流脈沖的數量增多，幅值增大，從而導致電流增加。

為了評估外加磁場對電荷傳輸的影響因素，本文通過一個公式來計算當空氣通過空心針進入帶有磁場的放電間隙中時的電荷傳輸[10]：

j=±μNE+νN±μN(ν×B)

(1)

式中：j為電流密度，A/m2；N=e·n等于帶電粒子的密度，m-3；μ為帶電粒子的遷移率，cm2/(V·s)；E為電場強度，V/m；ν為局部速度，m/s；B為磁感應強度，T。

如何評估式(1)中相關參數對電荷傳輸的影響是一個復雜的問題。其中一個問題是放電的電參數隨電場和放電電流的正弦變化而變化。放電特性還受介質板表面電荷的積累、微放電通道內氣溫的變化和放電間隙預電離等因素的影響[17]。

另一個問題是當帶電粒子進入到具有磁場的放電間隙中時，其將同時受到電場力和洛倫茲力的作用從而發生運動軌跡的改變。該力的體積密度為j×B，其不僅取決于電流密度和磁感應強度的大小，而且還取決于這兩個矢量之間的夾角。帶電粒子平行于磁力線的分量運動方向不會改變。當帶電粒子與磁力線成一定角度時，其將在庫侖力和洛倫茲力的作用下繞磁力線作偏轉回旋運動。這將使得帶電粒子有更長的路徑和更小的平均自由程λ，從而增加帶電粒子電離碰撞的概率[15,18]，導致放電電流的增加[19]。

3 磁場環境下臭氧產生的影響因素分析

3.1 放電電壓對臭氧產生的影響

為了確定放電功率的平均值，在實驗中定義為電壓和電流在一段時間內的瞬時乘積，如下所示[20]：

(2)

式(2)中：T為電源周期；V(t)和I(t)分別為電壓和電流信號，kV，A。

圖5比較了有無磁場環境時臭氧濃度、臭氧產率和放電功率隨放電電壓的變化。由圖5(a)可知，在磁場環境下，隨著放電電壓的升高，產生的臭氧濃度逐漸增加。放電間隙的折合場強因放電電壓的增加而增加，加速了氧分子的解離速度，從而有利于促進更多的臭氧產生。此外，在特定電壓下，有磁場環境下的放電產生的臭氧濃度高于沒有磁場。同時隨著放電電壓的增加，磁場對臭氧產生的影響增大。當放電電壓、放電頻率和氣體流量分別為8 kV，6.5 kHz和1 SLPM時，無磁場環境下的放電臭氧濃度為(745±64) r·min-1，而在有磁場環境下的放電時，臭氧濃度為(992±74) r·min-1，臭氧濃度提高了33.1%。

由圖5(b)可知,在磁場環境下，臭氧產率隨放電電壓的增加而增加，但磁場作用下的臭氧產率的增加是微不足道的。這是因為添加磁場時臭氧濃度的增加與放電功率的增加是平衡的。另一個考慮因素是臭氧和功率測量中存在誤差棒。因此，由磁場放電產生的臭氧濃度和臭氧產率不能同時增加。

放電頻率一定時，不同放電電壓下的放電功率見圖5(c)。無論有無磁場環境下，放電電壓的增大都會導致放電功率的提高。放電間隙的電壓因為放電電壓的增加而快速上升，使得單位周期內隨機分布的電流細絲數目和傳輸電荷隨著增加，從而放電功率增加。此外，還能觀察到在特定放電電壓和放電頻率下，有磁場環境下的放電功率是高于沒有磁場時的放電功率。在放電電壓、放電頻率和氣體流量分別為8 kV，6.5 kHz和1 SLPM時放電功率提高了約22.9%。

通過考慮以下因素，可以定性地理解上述結果：首先，當電子離開空心針電極后會向接地銅板電極軸向移動，將受到體積密度為fe=Fen=qnE的電場力，其中n為電子密度。若將磁場B加入到放電間隙中時，帶電粒子將同時受到洛倫茲力而運動軌跡發生改變。該力的體積密度為fm=Fn=qn(v×B)=j×B，該式表明此力受到電流密度和磁感應強度大小的影響。電流密度受放電電壓的影響，其隨著放電電壓的增加而增加。因此，fm的體積密度也隨著增大。綜上所述，隨著放電電壓的增加，磁場對臭氧產生將有更積極的影響。此外，該力也受到兩個矢量夾角的影響。放電間隙內磁力線和電力線的角度將影響到帶電粒子的速度和運動方向。圖3示出了放電間隙中磁感應的軸向和徑向分量，同時由于放電間隙為1 mm。因此可知，放電間隙中磁感應強度的徑向分量Br要小于軸向分量Bx。由此表明磁場主要影響的是帶電粒子的徑向運動而非軸向運動。而帶電粒子的徑向運動會使得其沿電介質板表面展開，這將使得磁場對帶電粒子填充放電間隙有積極的效應，從而提高了相同放電電壓下的放電功率。

3.2 氣體流量對臭氧產生的影響

圖6和7分別比較了不同放電電壓和放電頻率下，有無磁場時臭氧濃度、臭氧產率和放電功率隨氣體流量的變化。在不同放電電壓和頻率時，通過增加氣體流量降低了放電產生的臭氧濃度。這一結果可以由氣體流量的增加帶來更多的氣體分子到放電室的事實來解釋，以幾乎相同的功率輸送到排放口的臭氧濃度應降低。另一個考慮因素是，空氣停留在放電間隙的時間隨氣體流量的增大而減短，致使帶電粒子間的碰撞幾率大幅減少，不利于臭氧的產生[21]。氣體流量的增大會提高臭氧產率。此外，磁場的應用對不同氣體流量下的臭氧濃度也有積極的影響。當放電電壓、放電頻率和氣體流量分別為6 kV，6.5 kHz和4 SLPM時，無磁場環境下的放電的臭氧濃度約為(103±11) r·min-1。但對于有磁場環境下的放電，該濃度可增加至約(128±15) r·min-1，臭氧濃度提高了約24.3%。

3.3 放電頻率對臭氧產生的影響

臭氧濃度、臭氧產率和放電功率隨放電頻率變化曲線見圖8。可以看到，在有無磁場環境下，隨著放電頻率的增加，臭氧濃度增加，臭氧產率略有下降，且放電功率也隨之增加。此外，磁場的存在也會提高不同放電頻率下臭氧濃度和放電功率。同時隨著放電頻率增加，磁場對臭氧產生和放電功率將有更積極影響。在放電電壓、放電頻率和氣體流量分別為6 kV，6.5 kHz和3.5 SLPM時產生的臭氧濃度和放電功率分別增加了約24.3%，18.3%。

放電頻率的增加促進比能的增加，單個分子的平均輸入能量也隨之增加，其次，放電間隙的容抗隨著放電頻率的增加而減小，單位時間內的電流脈沖個數隨著放電頻率的增加而增加，使得放電間隙內參與臭氧分子合成的高能粒子數量增多。綜上所述，臭氧濃度和放電功率將隨著放電頻率的增加而不斷上升。同時，放電頻率的增加也會使磁增強效應更明顯，這是因為電流密度j與f有關[22]，j與外加電壓U和介質板材料相對介電常數εd成正比，而與氣隙相對介電常數εg成反比。且隨著放電頻率f的增加，介質層等效電容Cd增加，放電間隙等效電容Cg減小。因此，放電電流密度j隨放電頻率的增加而增加，從而使得fm的體積密度更高。

4 結論

本文采用磁場增強針板DBD臭氧發生裝置，綜合研究了在磁場環境下放電電壓、放電頻率和氣體流量對針板DBD臭氧發生的影響。實驗結果表明：

(1) 磁場可以增加放電電流，這是因為磁場的加入導致帶電粒子的偏轉，從而導致其在兩電極間的路徑增長，預計會增加電離碰撞，進而產生高的放電電流。同時也使放電空間產生更多的電離粒子,磁場有助于電離粒子填滿放電空間,在8 kV，6.5 kHz和1 SLPM下放電功率約提高了22.9%。

(2) 在磁場環境下,隨著放電電壓的增加，臭氧濃度、臭氧產率和放電功率隨之增加，無磁場時的情況也是如此。同時磁場對臭氧濃度和放電功率有積極的影響，且隨著放電電壓的增大，這種影響將更明顯。臭氧濃度在8 kV，6.5 kHz和1 SLPM下增加約33.1%。然而，磁場并不能顯著增加臭氧產率。

(3) 在磁場環境下，固定放電電壓和頻率時，氣體流量的增加會降低放電產生的臭氧濃度。相反，臭氧產率則隨著氣體流量的增大而逐漸增大。

(4) 在磁場環境下，隨著放電頻率的增加，臭氧濃度和放電功率增加，而臭氧產率略有下降。同時磁場能增加臭氧濃度和放電功率，且隨著放電頻率的增加，磁場對臭氧濃度和放電功率將有更積極的影響。