液体成分对气液两相介质阻挡放电特性的影响（适合浦电气B方向）文献综述

文献综述

一.概述

等离子体由正负带电粒子和中性粒子组成，是一种准中性气体，也就是高度电离的气体。它广泛存在于宇宙中，常被视为是物质的第四态，被称为等离子态。它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子基态的原子或分子基态的原子或分子以及光子。

等离子体按系统温度可以分为高温等离子体和低温等离子体。介质阻挡放电（DBD）中主要产生低温等离子体，是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电形式。介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里，这样，当在放电电极上施加足够高的交流电压时，电极间的气体，即使在很高气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。这种放电表现为很均匀、漫散和稳定、貌似低气压下的辉光放电，但是实际上它是由大量细微的快速冲放电通道构成的。通常放电空间的气体压强可达到105Pa或更高，所以这种放电属于高气压下的非热平衡放电。典型的介质阻挡放电和间隙结构如图1所示。以最简单的电极结构为例，这些电极和间隙结构可以是平面形的，也可以是同轴圆柱形的。图(a)是很实用的放电构型，它常用以制造臭氧发生器；其特点是结构简单，而且可以通过金属电极把放电产生的热量散发掉。图(b)的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止放电等离子体直接与金属电极接触；对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体，这种构型具有独特的优点。第三种构型(c)可以在介质两边同时生成两种成分不同的等离子体。在电极间安插介质可以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电，而且能够形成通常大气压下的稳定的气体放电。

图1介质阻挡放电和间隙结构

在最初的气液两相DBD研究中，针一针、针一板、线一线、线一板等电极结构的液相放电形式被广泛的实验研究，液相放电是高压放电水处理技术，在开始研究阶段直接将电极插入水中放电是最初级的一种形式，目前这种方法已经被渐渐的淘汰。而通过改进后的气液两相放电的结构，把空气中DBD的放电优势移植到水中，水中的气泡被击穿形成等离子体可以与水充分的接触，大大提高了放电的效果。在液体中通入气体使得液体中产生大量的微小气泡，在此气液混合体中产生放电，通过人为提供大量的气泡，提供了气体放电的发生场所，有利于气体放电的快速发生，又在很大程度上提高了与水的接触面积，使得产生的活性粒子与水中污染物充分反应。

二．DBD放电诊断方法

在低气压下，研究者通常采用Langmiur探针等手段来诊断等离子体。但是，这种手段对于大气压下的DBD却并不适用。因为大气压下DBD碰撞频繁，并且电子平均自由行程很短，这使得探针无法进行测量。因此，为了研究气液两相介质阻挡放电的影响因素，观察DBD的放电特性，必须要寻求高效准确的诊断方法来对不同条件下的DBD放电特性进行诊断。从目前研究成果来看，大气压DBD的诊断方法主要有电学方法和光学方法两种，其中电学方法主要有电压-电流波形图和Lissajous图（功率波形图），光学方法主要有利用光谱法分析及拍摄实验发光图像等。

实验中我们可以通过电压电流波形判断丝状放电和均匀放电，把电流波形在外加电压每半个周期内仅出现一个电流脉冲作为判定均匀DBD的标志。而把电流波形在外加电压每半个周期内出现若干个持续时间为纳秒量级的电流脉冲,这与均匀放电只出现单个持续时间较长的电流脉冲有明显区别。图2为丝状DBD和均匀DBD的电压电流波形。

图2丝状DBD和均匀DBD的电压电流波形

我们也可以把Lissajous图的形状作为判断放电类型的依据。当Lissajous图只出现两条平行的电压线时，一般都视作为均匀放电。而当Lissajous图为标准的平行四边形时，一般又看作为丝状放电的特征。图3是丝状DBD和均匀DBD的Lissajous图。

图3丝状DBD和均匀DBD的Lissajous图

我们还可以用发光图像的拍摄来诊断DBD的放电特性，根据不同的放电条件，我们发现了2种不同的放电模式：流光放电和辉光放电。流光放电又称丝状放电，特征是放电区域充满了大量狭窄的微放电通道。辉光放电特征是放电区域放电均匀。丝状放电是一种时空分布不均匀、瞬时峰值较大的放电形式，其生成等离子体的能量密度较大。图4为大气压下丝状、均匀的辉光放电的发光图像。

(a) 丝状放电模式

(b)均匀的辉光放电模式

图4发光图像

发射光谱法(OES)就是利用光谱仪器对空间中的等离子体发出的光辐射进行测量，再由光电转换器件将光信号转换为电信号，最后采集到计算机中做进一步分析。近年来，OES诊断DBD因其检出能力强、分析速度快、选择性好等优点，受到越来越多的研究学者的关注。我们可以从发射光谱中得到三种主要的光谱信息：谱线的波长、谱线的强度及强度分布和谱线的宽度。利用积累的物质发光光谱数据，结合理论分析，就可以分析计算出等离子体中的电子、离子温度等多种物理参量。然后将光谱实验数据通过软件拟合计算出转动温度，利用两条原子谱线的强度比计算出原子的激发温度。从而分析总结气体压强、气体成分、电压幅值、电压频率的影响。图5为发射光谱的图像。

图5发射光谱的图像

三.气液两相DBD放电特性

由于气液两相DBD是在气相和液相中都产生放电的一种特殊放电形式，所以其放电特性有别于一般的气体放电。如图6所示，与纯气相放电不同，气液两相DBD的电流波形，气相中产生的带电粒子沿放电通道到达气液相界面时，通过溶解、扩散进入液相，使得电荷无法在溶液表面积聚，由于正离子移动速度较慢，因而在电极附近的正空间电荷的浓度很大，这些正空间电荷加强了电极附近的场强而削弱了正空间电荷的外部空间电场，这种情况下空间电荷使电极附近容易形成流注，因此负半周期放电更加强烈。

图6气液两相的电压电流波形

Lissajous图一般是用来计算放电功率的，通过放电功率，我们可以获得多种重要的电气参数，从而分析气液两相放电的物理特性。此外，它作为一种研究介质阻挡放电的诊断方法，通过图像的形状我们可以得出，放电的类型（丝状放电，均匀放电，电晕放电等）。一般情况下我们测得Lissajous图都是平行四边形的，但是，有些研究者发现在气液两相放电中由于液体和气体混合在一起难免会出现水滴表面放电，电晕放电等一些复杂的放电形式，所以Lissajous图不能为平行四边形，而且周围会出现很多光点。

图7气液两相的Lissajous

四．影响气液两相放电特性的因素

在掌握气液两相DBD放电特性的基础上，我们又分析了影响气液两相DBD放电特性的因素，发现影响气液两相DBD放电的因素有很多具体体现在：电源的种类（交流电源和脉冲电源）及其驱动频率、放电间隙距离、外加电压以及液体成分，还有压强和频率。这些影响因素对我们进一步研究气液两相DBD的放电特性有着很大的帮助。

五．实验装置和测量方法

(1)试验装置

图8给出了实验研究所采用的气液两相介质阻挡放电实验装置以及其电气接线图。电源采用高频电源，电压采用幅值范围为0-20kV，频率范围为10-30kHz的高压高频交流电源。阳极为50mm的平板铝电极，下方连着一块石英玻璃，且充当阻挡介质；最下层为反应器通过铝电极和地连接，作为等离子体处理装置的阴极。石英玻璃与液面间的间距为放电间隙。

图8气液两相介质阻挡放电的实验装置及测量系统接线图

(2)测量方法

放电电压波形由TekP6015高压探头(带宽为75MHz，分压比为100)测量，放电电流由一个串联在放电回路中阻值为200Ω的无感电阻测得。放电空间传输的电荷通过在放电回路上串联一个22μF的测量电容C获得，放电Lissajous图形通过把高压探头测得的反应器上的电压和电容C两端的电压分别加在示波器的X-Y轴得到。实验时测得的电压、电流波形及Lissajous图图像用置于放电空间侧面的数码相机Canon400D拍摄得到，曝光时间为1s。

六.国内外现状

南昌大学的余秋梅采用方形水槽状的单介质平行板DBD放电电极处理染料废水，研究了不同初始浓度、pH值、放电电压、极板间距和电源频率对实验的影响。实验数据表明，最佳反应条件为pH=2、酸性大红GR初始浓度30mg/L、放电电压-极板间距8kV-6mm，电源频率f=8kHz;放电处理20min后反应体系酸性大红GR溶液的脱色率达到82.4%。李兴旺等人采用丝网电极增强气液两相DBD放电强度，得到的实验结果表明随着频率的降低，放电电流脉冲明显增多，放电功率明显增大。候世英等研究了阻挡介质对气液两相DBD放电特性的影响，得到的实验结果表明两种结构放电电压电流波形以及Lissajous图的形状存在一定的差别，双介质阻挡放电产生相同放电功率所需的电压远高于单介质阻挡放电；

不仅在国内，国外也有大量研究，KazuhikoBaba等人利用筛网作为高压电极，板电极作为地电极，研究了石蜡-空气两相DBD放电的特性，发现随着筛网目数的增加放电功率也逐渐增大；PBaroch等在水面放置一层微孔尺寸为0.4mm的多孔陶瓷介质来提高气液两相DBD的放电均匀性和稳定性，获得了良好的效果；Yankelevich等采用流动填料床式气液DBD反应器，在高压电极间填充介质小玻璃球，结果表明，从上流下来的雾状液滴通过该介质层发生DBD，提高了反应效率和能量效率。Dojcinovic等研究了同轴DBD降解多种活性颜料的降解效果，使水膜状流下扩大处理面积，添加H2O2、Fe2 和Cu2 等催化剂会提高处理效率，添加H2O2后降解效果最好，降解率可达97%。Young等设计了同轴DBD水处理反应器，并用其分别处理偶氮染料酸性红27和橙黄II模拟废水，考察了降解机理、反应条件和反应动力学等，结果表明，降解效果要远好于紫外光催化水处理技术，染料酸性红27的能量消耗率为0.644kJ/mg

在总结国内外文献的基础上，我们发现研究单一反应器放电特性和某种有机溶液中DBD处理效果的研究成果较多，而对不同液体成分对气液两相DBD放电特性的研究较少，所以本次毕业设计主要对比在不同液体中的放电特性，并进行分析。

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