岑祥旗，洪 義，潘 靜，李正華，張 敬

(大連民族大學 物理與材料工程學院，遼寧 大連 116600)

過去的幾十年中，介質阻擋放電(Dielectric barrier discharge,DBD)在處理水中有機污染物方面受到廣泛關注，并且已證實放電過程中產生的物理和化學效應對污染物的去除具有顯著的效果. 物理效應主要包括放電過程中產生的紫外輻射和沖擊波，而化學效應主要包括放電過程中產生的OH*，O*，H*，H2O2和O3等活性粒子[1]. 另外，DBD技術與其他處理廢水的高級氧化技術相比，具有無需另外投加化學試劑和反應時間短等優(yōu)點[2]. 目前，水中產生介質阻擋放電的方式主要有2種形式，一種是放電發(fā)生在與水隔絕的反應器內部，并把產生的等離子體以鼓泡或曝氣的方式輸送到水中[3-5]. 這種方法最大的缺點是活性粒子與水接觸前需要傳輸一段距離，所以輻射壽命只有幾十ns的大部分活性粒子無法與有機污染物發(fā)生反應. 另一種是等離子體直接在水中產生，關于這方面的研究相對較少[6-7]. 這種裝置的優(yōu)點是放電產生的活性粒子能夠在消失之前與水中有機污染物充分反應，所以對水中有機污染物的降解非常有益.

目前，國內外普遍認可的水中放電發(fā)生機制是放電形成在氣相中——即氣泡中[8]. 研究發(fā)現(xiàn)高壓電極與低壓電極之間預先沒有氣泡時，所需的擊穿場強高達2 MV/cm[9]，并且絕大部分的注入能量轉化為焦耳熱形成氣泡，因此能量損耗非常大，大約70%的注入能量做了無用功. 然而，高壓電極與低壓電極之間人為預先制造大量的氣泡，形成氣-液交界面，不僅容易實現(xiàn)放電，而且所需的擊穿場強可限制在30 kV/cm[9]. 2015年B. G. Rodríguez-Méndez等人預先制造大量的氣泡環(huán)境，在水中實現(xiàn)了介質阻擋放電，采用的電極為線-筒式電極結構，而電源為納秒脈沖電源[7]，但是所需的工作電壓高達25 kV，并且該裝置利用交流電源很難產生等離子體. 這是因為交流電源無法像脈沖電源在短時間內(幾十到幾百ns)將大部分的能量注入到氣泡中，加速電子與氣體分子發(fā)生碰撞，產生電離和激發(fā)，最終在氣-液交界面上形成等離子體.

基于上述原因，文獻[10]利用預電離的方法降低工作電壓，直接在水中形成了空氣等離子體放電通道，電極結構為單針-板式介質阻擋放電結構. 但是，該電極結構由于采用單針高壓電極，放電面積較小，而水中放電面積越大對有機污染物的處理效率越高. 所以，本文中采用多針-板式介質阻擋放電電極結構，擴大放電面積，并利用發(fā)射光譜法研究了水中氦氣等離子體的放電特性.

1 實驗裝置

He等離子體實驗裝置如圖1所示. 圖2為峰值電壓為9 kV時的放電照片.

圖1 實驗裝置結構圖

圖2 峰值電壓為9 kV時的放電照片

高壓電極由8根不銹鋼鋼管組成，每根鋼管的外徑、內徑和長分別為1 mm，0.8 mm和300 mm，并且緊緊地插入到距石英毛細管下端3 mm處. 由于高壓電極處于石英毛細管的內部，避免了放電過程中與水接觸發(fā)生短路，并且工作氣體預先在氣相中(石英毛細管的內部)發(fā)生電離，為水中形成放電通道提供種子電荷，從而降低工作電壓. 石英毛細管的外徑、內徑和長分別為2 mm、1 mm和250 mm，在外面套有外徑12 mm、內徑10 mm、長100 mm的石英玻璃管. 該石英玻璃管的側面有內徑4 mm的氣體入口，并利用聚四氟乙烯薄膜對其上下開放端進行密封. 盛自來水的容器由石英板和圓柱形石英管組成，其中石英板的長、寬和厚分別為100 mm，100 mm和1 mm，而圓柱形石英管的外徑、內徑和高分別為60 mm，54 mm和70 mm. 高壓電極位于石英板上方10 mm處，而在石英板的下方放置長、寬和厚分別為70 mm，70 mm和0.3 mm的銅箔，作為接地電極.

利用質量流量計控制工作氣體He的流量，并以4 L/min進入到與高壓交流電源(幅值0～20 kV、頻率為8 kHz)相連的不銹鋼針電極. 放電過程中的工作電壓波形由高壓探頭(Textronix P6015A)測量得到，總電流波形通過測量20 Ω無感電阻(與接地電極串聯(lián))的電壓得到，并且記錄在示波器(Tektronix MDO3012). 光譜儀(Acton Research Spectrapro-2500i)的光纖探頭放置在距圓柱形石英管和石英板分別2 mm和3 mm處，用于采集He等離子體產生的光譜. 全波長(300～900 nm)掃描時采用300 mm-1光柵,測量306～312 nm波長范圍內的OH光譜時選2 400 mm-1光柵，并設定狹縫寬度為20 μm. 利用數(shù)碼相機(佳能EOS 5D Mark III)拍攝放電照片.

2 實驗結果與討論

2.1 電氣參量診斷

圖3和圖4給出了放電過程中測量得到的電壓、電流波形. 位移電流和傳導電流的詳細測量方法參考文獻[10-11].

圖3 峰值電壓為8 kV時工作電壓Utot和 總電流Itot波形

圖4 峰值電壓為8 kV時傳導電流Idc和位移電流Idp波形

從圖3中可以看出，總電流在相位上落后工作電壓接近90°，說明多針-板式水中介質阻擋放電裝置的阻抗為電容性. 在放電的正負半周期，總電流的波峰和波谷附近出現(xiàn)了大量的大小不一的電流脈沖，并且大電流脈沖數(shù)量正半周期明顯多于負半周期，說明放電過程中不僅產生了許多微放電通道，而且正半周期比負半周期放電更強烈，這是由于電極結構不對稱導致的. 從圖4可以看出，傳導電流的峰值遠大于位移電流的峰值，表示注入功率基本都在做有用功，產生了He等離子體.

有效功率利用Peff=fCmS求出，式中Peff為有效功率，f為電源頻率(8 kHz)，Cm為與接地電極串聯(lián)的1 μF電容，S為李薩茹圖形的面積[12]. 峰值電壓為7～10 kV時，有效功率如圖5所示. 在7～10 kV峰值電壓范圍內，有效功率幾乎線性增大，最小值為31.14 W，最大值為64.52 W. 該值明顯大于15 kV峰值電壓下單針-板式水中空氣介質阻擋放電等離子體的放電功率30 W[10]，證實了大氣壓下氦氣比空氣更容易電離，擊穿電壓更小.

圖5 峰值電壓為7～10 kV時的有效功率

2.2 等離子體參量診斷

在大氣壓下，OH的轉動溫度可以近似地認為是等離子體的氣體溫度[13]，這是因為大氣壓條件下，粒子間激烈頻繁的熱碰撞能夠使熱運動和轉動運動之間達到熱平衡. 為準確地確定出OH的轉動溫度，利用光譜模擬軟件LIFBASE模擬得到OH(A2Σ+→X2Π,Δν=0)從306～312 nm躍遷產生的光譜帶，并與實驗測量得到的光譜帶進行了比較[10,13]. 當模擬光譜帶與實驗測量光譜帶吻合得最好時，可確定出OH的轉動溫度[10,13].

(a)250～550 nm

(b)550～900 nm圖6 峰值電壓為8.5 kV時的發(fā)射光譜

圖7為氣體溫度隨峰值電壓的變化,從圖7可以看出，當峰值電壓從7 kV增大到10 kV時，氣體溫度從414 K增大到了498 K.

圖7 峰值電壓為7～10 kV時的氣體溫度變化

圖8為OH從306～312 nm躍遷產生分子譜帶的實驗測量光譜和模擬光譜.

圖8 OH的實驗測量光譜和理論模擬光譜

對于大氣壓非熱平衡等離子體，電子激發(fā)溫度可以假設等離子體處于局域熱平衡，并且激發(fā)態(tài)上的粒子服從玻爾茲曼分布[14]. 圖9給出了電子激發(fā)溫度隨峰值電壓的變化，圖10是峰值電壓為8.5 kV時，選擇447.2，471.4，501.6，587.6，706.5，728.1 nm等6條激發(fā)態(tài)中性He原子譜線，經過最小二乘法線性擬合得到的玻爾茲曼分布擬合曲線.

圖9 峰值電壓為7～10kV時的電子激發(fā)溫度

圖10 Texc=4 550 K玻爾茲曼分布擬合曲線

從圖9中可以看出，當峰值電壓從7 kV增大到10 kV時，電子激發(fā)溫度從4 489 K增大到4 635 K，并且隨峰值電壓的增大幾乎線性地增大，這與有效功率隨峰值電壓變化的趨勢相一致. 這一現(xiàn)象說明隨著峰值電壓的增大,電子能夠從外電場獲得更多的能量，促使電子激發(fā)溫度迅速地增大，與周圍氣體分子發(fā)生碰撞更頻繁，產生更多的活性粒子. 另外，電子激發(fā)溫度遠大于氣體溫度，說明水中介質阻擋放電產生的He等離子體處于非熱平衡狀態(tài).

3 結 論