气液两相介质阻挡放电影响因素研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)南京工业大学自动化与电气工程学院 作者:顾信鹏

  研究气液两相介质阻挡放电( DBD) 的放电特性,对其在环保等工业领域中的应用具有重要意义。本文利用气液两相DBD 在大气压下产生低温等离子体,以碱性苯胺溶液作为工作溶液,研究了外加电压幅值、电源频率、放电间隙等因素对其放电特性的影响。测量得到电压电流波形和Lissajous 图形等电气特性以及发射光谱和发光图像等光学特性,进一步计算得到放电功率、传输电荷、分子振动温度和分子转动温度等主要放电参量,研究他们的变化规律,并结合放电理论对放电机制进行了分析。结果表明,碱性苯胺溶液中气液两相DBD,放电与纯气相DBD 类似,但要考虑液体阻抗对放电的影响,其气体温度在650 ~ 750 K 之间变化,且在光谱特性图波长589 nm 处出现Na 原子谱线,随频率变化会出现谐振效应,在电源频率为17. 5 kHz,放电间隙为4 mm 时,其发光强度最强,放电功率和传输电荷最大。

  介质阻挡放电( DBD) 能够在大气压下产生稳定的低温等离子体放电,该技术在多个领域具有广泛的应用前景。近年来,有液体参与放电活动的气液两相DBD 技术作为一种特殊放电形式,受到国内外学者的广泛关注。气液两相DBD 反应器既解决了传统纯液相放电区域小和放电效率低的问题,又能将气相放电产生的大量自由基和活性粒子直接作用于液相处理对象,在污水处理以及离子化液体等领域具有明显优势。因此对不同条件下气液两相DBD 放电特性和机制进行研究对于深入理解放电机理和促进其应用具有重要意义。

  与纯气相DBD 放电类似,影响气液两相DBD的因素很多,如电极结构、介质类型、电源参数以及液体性质等。冯景伟等研究了放电反应器

  结构对气液两相DBD 放电特性的影响,采用石英玻璃作为阻挡介质的环-筒式结构反应器,发现减小介质层厚度和减小放电间隙均能提高反应效率。文凤等研究了放电间隙等因素对气液两相DBD 放电均匀性及放电通道强度的影响,在放电间隙为10mm 时,能够获得均匀性较好的气液两相DBD 等离子体。Kim 等采用同轴式气液两相DBD 反应器,并在处理样品中通入多种气体,研究发现,通入氧气后的反应效率较高。Dojcinovic 等研究了阻挡介质性质对气液体两相DBD 放电特性的影响,发现将待处理废水均匀覆盖在玻璃阻挡介质表面,可以提高反应效率和能量利用效率。Helena Oi Lun LI等研究了驱动电源和溶液性质对气液两相DBD放电特性的影响,比较了水和苯溶液中的放电特性,结果表明,苯溶液中放电需要较高的驱动电压。

  目前,国内外学者对于气液两相DBD 的研究侧重于反应器结构设计,电极优化等方面,而针对气液两相DBD 影响因素的系统研究尤其是对于放电参数对放电特性的影响较少涉及。气液两相DBD 应用中,通常需要根据应用要求来配置不同的处理参数如电源频率、放电间隙等,以获得最好的处理效果及能源利用效率。因此,需要研究这些因素对气液两相DBD 放电特性的影响,这对于这种放电形式的实际应用中反应器设计和参数优化具有重要的参考价值。本文研究了碱性苯胺溶液中气液两相DBD的放电特性,系统比较了不同影响因素下气液两相DBD 的电气特性和光学特性等,进一步研究了其主要放电参量的变化规律,并结合放电机理对结果进行了分析讨论。

1、实验装置及测量方法

  图1 给出了本文实验研究所采用的气液两相DBD 实验装置以及其电气接线图。电源采用电压幅值范围为0 ~ 25 kV,频率范围为10 ~ 20 kHz 的高压高频交流电源。气液两相DBD 反应器由高压电极、地电极和石英玻璃器皿组成。高压电极由四根并联的不锈钢棒构成,每根电极长为10 cm,直径为2. 5 cm,其表面覆盖有陶瓷管作为阻挡介质,地电极采用直径为15 cm 的不锈钢盘构成,玻璃器皿内径为19 cm,高为4. 5 cm,壁厚为4 mm。实验时玻璃器皿放在地电极上,液体放入到器皿内,液面高度为5 mm。本文实验采用的溶液为200 mg /L 的苯胺溶液( 加入NaOH 后PH 值为11) 。

  放电电压波形由Tek P6015 高压探头( 带宽为75 MHz,分压比为1000:1) 测量,放电电流由一个串联在放电回路中阻值为200 Ω 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0. 022 μF 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 图形由TDS-3054c 数字示波器记录,示波器的带宽为500 MHz,分辨率为5GS /s。放电图像用置于放电空间侧面的数码相机Canon 400D 拍摄得到,曝光时间为1 s。光谱特性由Ocean Optics HR4000CG 光谱仪放置在反应器侧面1 cm 处测量得到,光谱仪的波长范围为250 ~650 nm,光学分辨率为0. 75 nm。

气液两相介质阻挡放电影响因素研究

图1 实验装置

2、结论

  (1) 碱性苯胺溶液中气液两相DBD,除要考虑气体和阻挡介质对放电的影响,还要考虑液体对放电的影响,可用等效电阻来等效液体的影响,对放电特性进行分析。放电在气相产生的活性粒子除有N +2外,还包含液相蒸发到放电空间的Na + ,他们的谱线强度均随着电压幅值的增加而增大。放电的气体温度在650 ~ 750 K 之间变化,也属于低温等离子体范畴。

  (2) 随着电源频率和间隙距离的增大,电流脉冲幅值、放电功率和传输电荷等放电参量均表现出先增大后减小的趋势,说明放电在一定条件下存在谐振效应。本文实验条件下气液两相DBD 在驱动频率为17. 5 kHz,放电间隙为4 mm 时,放电最强烈,并且具有良好的稳定性,放电功率及传输电荷最大,外加电压18 kV 时,他们的值分别可达139. 7 W和2920 nC,具有良好的应用前景。

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