介质阻挡放电生成低温等离子的实验研究

介质阻挡放电生成低温等离子的实验研究

【摘要】低温等离子技术在环境治理方面具备独特的优势。介质阻挡放电法不仅操作简单，反应区域可控，并且在常温常压下也能进行，优势明显。本论文主要研究电压值、电极间距、相对湿度和温度对低温等离子生成效率的影响，探索介质阻挡放电生成低温等离子的最佳工作条件。

【关键词】低温等离子；介质阻挡放电

0.前言

低温等离子技术由于在环境治理方面具备效率高，操作简单，经济便捷等特点，从而受到广泛的研究。目前主要运用强电场、高能射线以及高温等方法，通过加速电子、离子或高能中性粒子的非弹性碰撞作用使得气体分子电离，从而产生低温等离子。

目前产生低温等离子的主要技术有弧光放电、辉光放电、介质阻挡放电等。弧光放电方法产生的等离子体温度过高，仅适合运用于高温领域；常用的辉光放电方法一般需要在低压下进行，在使用过程当中需要配备真空系统，因此使用步奏繁琐，操作复杂，难以满足连续生产的要求。介质阻挡放电法产生的低温等离子能够有效地控制在一定的区域范围内，并且操作简单，能在常温常压下进行，生产低温等离子的浓度可以通过电压、电极间距、温度等因素来控制，因此介质阻挡放电法得以广泛的运用。

介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放电。工作原理是在两个放电电极之间充满某种工作气体，并将其中一个或两个电极用绝缘介质覆盖，也可以将绝缘介质直接悬挂在放电空间或采用颗粒状的介质填充其中，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电，即产生了介质阻挡放电。介质阻挡放电的电极结构可以根据实际需求而设计得多种多样。

目前虽然介质阻挡放电技术已被开发和广泛应用，但对它的研究仍不够全面和完善，本文主要研究不同条件对低温等离子生成效率的影响。

1.实验仪器和实验方法

低温等离子浓度测试目前分为直接测量法和间接测量法，直接测量法常用的方法有Langmuir探针法，间接测量法形式多，比如检测低温等离子对某物质的分解率。本实验采取间接测量法，通过检测甲醛的分解率来检测低温等离子的生成效率。

实验仪器包括低温等离子发生装置，反应容器（0.4m*0.4m*0.5m），甲醛检测仪，甲醛源，电源等。低温等离子发生装置电极为两圆柱形电极，电极材料为

掺杂ZrO2纳米线的CaTiO3陶瓷电极材料，两电极间的距离可以根据需要进行调节。

实验方法为先往容器内加入10 ppm的甲醛，然后调节相应的实验参数，比如电压，气体湿度和缝隙大小等，打开低温等离子发生装置，反应30 min后再检测甲醛浓度，从而计算出甲醛分解率。通过检测不同条件下甲醛分解率的大小来间接检测低温等离子生成效率，甲醛分解率越高则生成低温等离子效率越高。

2.结果讨论

2.1电极间距对低温等离子生成效率的影响

实验中电压值为5V、10V、20V、25V、30V，温度为20℃，气体相对湿度为5%。如图1所示，电极间距为1mm和3mm时，电压在5V-20V区间内，甲醛分解率随电压值的升高而升高，在20V-30V的区间内，甲醛分解率随电压值的升高而降低。因此在20V时甲醛的分解率最高，间距为1mm和3mm对应分解了出为95%和75%。电极间距为6mm和10mm时，甲醛分解率随电压值的增加而升高，但是甲醛分解率低，位于20%以下。由此可见，电极间距对甲醛分解率的影响较大，在相同电压下间距越小，甲醛分解率越高，最佳的间距为1mm。

图1 两电极间距对甲醛分解率的影响

2.2相对湿度对低温等离子生成效率的影响

实验中电极间距为1mm，温度为20℃，电压值为5V、10V、20V、25V、30V。如图2所示，电压在5V-20V区间内，甲醛分解率随电压值的升高而升高，在20V-30V的区间内，甲醛分解率随电压值的升高而降低，因此在20V时甲醛的分解率最高。当电压值为20V时，相对湿度为0%，5%，10%和20%相对应的甲醛分解率分别为95%，95%，91%，90%，可见相对湿度对甲醛分解率的影响较小。电压相同时，不同相对湿度对应的甲醛分解率变化小，并且相对湿度相同时，不同电压值对应的分解率差异不大，可见相对湿度的影响作用不大。

图2 相对湿度对甲醛分解率的影响

2.3温度对低温等离子生成效率的影响

实验电压为5V、10V、20V、25V、30V，电极间距为1mm，气体相对湿度为5%。如图3所示，电压相同时不同温度对应的甲醛分解率没有太大变化，比如20V时20℃、40℃、60℃、80℃对应的甲醛分解率分别为90%，92%，92%，94%，并且相同温度下，不同电压值对应的分解率差异小，因此温度的影响作用不大。

图3 温度对甲醛分解率的影响

3.总结

本研究主要探索电压值、电极间距、气体相对湿度和温度四因素对低温等离子生成效率的影响，通过测量甲醛分解率间接测量低温等离子生成效率。研究结果表明相对湿度和温度的影响不大，电压为20V，电极间距为1mm是生成低温等离子较优化的条件。[科]

【参考文献】

[1]张国平.高频介质阻挡放电产生臭氧的实验研究[D].浙江：浙江大学，2007.

[2]王辉，孙岩洲，方志，邱毓昌.介质阻挡放电低温等离子体的产生[J].印染，2005.19：5-7.