牟洪祥，李 超，趙乾斌，張樹才，隋立華

(中石化安全工程研究院有限公司化學品安全國家重點實驗室，山東青島 266104)

0 前言

等離子體由大量的電子、原子、分子與激發(fā)態(tài)離子等粒子組成。近年來，低溫等離子體技術(shù)快速發(fā)展，在石油化工、微電子、生物醫(yī)學等方面表現(xiàn)出巨大潛力和廣闊的市場潛能[1]。利用高頻高壓電源驅(qū)動進行氣體放電是產(chǎn)生低溫等離子體的主要途徑，其中介質(zhì)阻擋放電(DBD)是指在電極之間插入1層或者2層絕緣介質(zhì)，阻止間隙放電從火花放電向弧光放電過渡，從而得到穩(wěn)定氣體放電，又稱為無聲放電[2,3]。由于溫度低、活性成分豐富、適用范圍廣，DBD等離子體在石油化工行業(yè)污染治理、材料制備與改性、化學物質(zhì)轉(zhuǎn)化等方面有著廣泛應(yīng)用前景[4-7]。

研究表明，電源參數(shù)與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)等諸多因素會對DBD等離子體特性產(chǎn)生影響。諸多影響因素中，電源電學參數(shù)對放電等離子體特性和機理影響較為顯著，通過改變電學參數(shù)來調(diào)控等離子體的放電模式進而控制其理化特性和活性成分，對于低溫等離子體技術(shù)發(fā)展具有重要意義[8,9]。現(xiàn)階段高活性低溫等離子體的產(chǎn)生與應(yīng)用技術(shù)銜接不夠緊密，相關(guān)研究成果尚不足以滿足日益增強的發(fā)展需求[1]。這對高活性DBD等離子體的產(chǎn)生機理、參數(shù)診斷與特性調(diào)控等提出更高的要求[10-15]，同時，電源頻率對DBD等離子體特性的影響是當前國內(nèi)外研究的重點與熱點[16,17]。本文基于平板DBD等離子體發(fā)生裝置，深入研究電源頻率對DBD等離子體放電模式及光電特性的影響，探討電源頻率改變時DBD等離子體降解苯效率的變化。

1 實驗方法

實驗系統(tǒng)包括電學參數(shù)測量系統(tǒng)和光學測量系統(tǒng)2部分，如圖1所示。電學參數(shù)測量系統(tǒng)包括高壓探頭、無感電阻、電容、示波器等部分，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入輸出電壓、擊穿電壓、氣隙電壓及李薩如圖形的測量。利用高壓探頭(Tektronix P6015A，分壓比1000:1)測量DBD裝置兩端電壓；采用電流互感器(1A/1V)測量放電的電流波形；串聯(lián)電容測量放電電量；電能表測量DBD裝置整體能耗；四通道示波器(Tektronix DPO4034)記錄放電電壓、電流、電量波形和李薩如圖，通過李薩如圖計算放電功率。光學測量系統(tǒng)主要包括單反數(shù)碼相機、ICCD探測模塊與發(fā)射光譜。宏觀放電圖像通過單反數(shù)碼相機記錄；通過ICCD探測模塊得到周期性放電圖像。

圖1 實驗系統(tǒng)

DBD等離子體發(fā)生器采用雙阻擋介質(zhì)模式平行平板結(jié)構(gòu)。高壓電極為316不銹鋼材質(zhì)，圓形直徑50 mm，表面覆蓋有絕緣介質(zhì)，絕緣介質(zhì)為石英玻璃，厚度2 mm；接地側(cè)電極及絕緣介質(zhì)選取ITO導電玻璃，透光率≥84%，便于進行放電圖像拍攝；放電間隙可手動調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

2.1 DBD放電電學特性研究

調(diào)節(jié)平行平板式DBD發(fā)生裝置放電間隙為4 mm并保持，電源頻率調(diào)節(jié)范圍為10～100 kHz，電壓可調(diào)，測算不同頻率下DBD放電功率變化趨勢。

2.1.1 DBD放電氣隙擊穿電壓

針對氣隙電壓包括首次擊穿電壓、穩(wěn)態(tài)擊穿電壓以及最低維持電壓開展研究。

首次放電脈沖電流通過電流信號對示波器進行觸發(fā)的方法進行記錄，如圖2所示。首次氣隙擊穿時的外施電壓峰-峰值Ubp-p為2.21 kV，進行分壓計算，換算為氣隙電壓，即為首次擊穿電壓。每個頻率下測量7次首次擊穿電壓，并取得統(tǒng)計結(jié)果。

圖2 3類氣隙電壓隨電源頻率變化規(guī)律

氣隙電壓峰-峰值Ugpp的二分之一定義為穩(wěn)態(tài)擊穿電壓值Us，不對正負放電的氣隙擊穿電壓加以區(qū)分。圖3為外施電壓頻率為50 kHz，峰-峰值約為2.1 kV時穩(wěn)態(tài)單脈沖放電的電流電壓波形。

圖3 穩(wěn)態(tài)單脈沖電流電壓波形

將外施電壓提升至氣隙擊穿，維持放電狀態(tài)1 min后，緩慢降低外施電壓至放電完全熄滅，記錄放電熄滅時的外施電壓。圖4顯示了3種電壓在20～90 kHz的變化情況。其中，穩(wěn)態(tài)擊穿電壓均在外施電壓峰-峰值Upp為2.3 kV的情況下得到。

圖4 首次擊穿時外施電壓和回路電流

可見在20～90 kHz范圍內(nèi)，最低維持電壓隨著電源頻率變化的改變不大，均在0.68～0.76 kV內(nèi)浮動。由于電源頻率為50 kHz且外施電壓較低時，DBD會出現(xiàn)較多的非線性現(xiàn)象，外施電壓穩(wěn)定性變差，無法獲得較為準確的最低維持電壓。因此，僅根據(jù)前后數(shù)據(jù)規(guī)律提出1個可能值。首次擊穿電壓隨著頻率的增加，由0.90 kV升高至1.05 kV左右，變化幅度不大。穩(wěn)態(tài)擊穿電壓隨頻率的升高略有下降，由1.12 kV下降至1.01 kV左右。

2.1.2 DBD放電功率趨勢

圖5為電源頻率分別為10，20，30，35，40，50，60，70，80，90 kHz時，單個脈沖內(nèi)平板式DBD實際放電功率隨電壓變化的趨勢，外施電壓峰-峰值變化范圍為1.4～2.4 kV。由圖5可知，頻率為20～40 kHz時，平板DBD放電功率較接近，未見明顯差異；當頻率升至50～90 kHz、可見外施電壓值相同時，平板DBD放電功率隨外施電壓頻率上升而增大。此外，當外施電壓頻率小于40 kHz時，平板DBD發(fā)生器放電功率隨外施電壓升高而線性增加；當外施電壓頻率大于40 kHz、外施電壓較低時，平板DBD放電功率會出現(xiàn)一段快速上升；當外施電壓較高時，平板DBD放電功率呈線性增加。通過對比國內(nèi)外相似研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，驅(qū)動電源頻率變化對于DBD等離子體放電功率變化趨勢與電流變化趨勢相似[9-13]。

圖5 不同頻率下DBD放電功率

2.2 DBD放電光學特性

本文實驗條件下所有DBD等離子體放電模式均屬于大氣壓輝光放電，放電形貌相似。設(shè)置曝光時間為3 μs，驅(qū)動電源輸出電壓峰-峰值為2.3 kV，電源頻率為10～90 kHz，拍攝得到的單脈沖放電圖像如圖6所示。從圖中可以觀察到放電具有較高均勻度，在不同頻率點放電均具有相似形貌，且隨驅(qū)動電源頻率上升放電均勻度增加，頻率為50 kHz時達到均勻放電狀態(tài)。

圖6 放電脈沖曝光圖像

2.3 DBD苯降解效率

DBD苯降解效率檢測系統(tǒng)主要由配氣與檢測系統(tǒng)組成，如圖7所示。配氣系統(tǒng)主要由鋼瓶、減壓閥、質(zhì)量流量控制器和相關(guān)閥件組成，處理目標為苯，稀釋氣體分別為空氣和氮氣。各路氣體由氣體質(zhì)量流量控制調(diào)節(jié)，苯和稀釋氣體以一定比例進入混氣瓶。氣相色譜儀采用安捷倫7890B氣相色譜儀，配置氫火焰離子化檢測器；HP-PLOT毛細管色譜柱采用氧化鋁為固定相，膜厚15 μm，內(nèi)徑530 μm，長度50 m，耐溫范圍-60～200 ℃。

圖7 DBD苯降解效率實驗系統(tǒng)

苯濃度為1 741 mg/m3，氣速為2 L/min，驅(qū)動電源輸出電壓峰-峰值為2.5 kV，電源頻率為10～90 kHz，進樣口溫度150 ℃，柱箱溫度保持80 ℃恒溫，檢測器溫度300 ℃。圖8為電源頻率分別為10，20，30，40，50，60，70，80，90 kHz時苯的降解率。由圖可知，頻率處于10 kHz至60 kHz時，DBD降解苯效率隨外施電壓頻率上升而逐步增加；當頻率上升至60 kHz至90 kHz范圍內(nèi)時，降解率較接近，未見明顯差異。

圖8 不同頻率下 DBD苯降解效率

3 結(jié)論

針對DBD放電等離子體降解苯，研究不同驅(qū)動電源頻率下DBD放電的放電形態(tài)、電學參數(shù)變化時，苯的降解效率，分析得出以下變化規(guī)律。

a) 單次脈沖內(nèi)首次擊穿電壓隨頻率升高而增加，但變化幅度較小；穩(wěn)態(tài)擊穿電壓隨頻率升高略有下降。提高外施電壓頻率有助于得到更穩(wěn)定氣體放電，從而提高DBD苯降解效率。

b) 電源頻率較低時，單一脈沖內(nèi)DBD功率主要受外施電壓影響；外施電壓頻率大于40 kHz時，DBD功率受外施電壓頻率影響較大。

c) 外施電壓維持穩(wěn)定時，DBD放電均勻程度隨外施電壓頻率升高而逐步增加，有助于DBD降解苯更高效進行。當苯濃度為1 741 mg/m3，氣量為2 L/min時，綜合考慮經(jīng)濟適用性，選擇頻率大于50 kHz的脈沖電源對于優(yōu)化DBD苯降解技術(shù)具有較好效果。