介質阻擋放電等離子體對甲基藍的脫色研究

王學揚，宋 穎，劉東平, 晏 雯，季龍飛

(大連民族大學 物理與材料工程學院，遼寧 大連 116605)

介質阻擋放電等離子體對甲基藍的脫色研究

王學揚，宋 穎，劉東平, 晏 雯，季龍飛

(大連民族大學 物理與材料工程學院，遼寧 大連 116605)

主要利用射流介質阻擋放電陣列，在水中放電產生等離子體并開展甲基藍溶液脫色處理研究。通過紫外吸收光譜在590 nm處吸收峰對甲基藍進行表征。實驗結果表明：在工作氣體為Air(100%)和He/Air(1:1)的混合條件下，放電處理5 min后甲基藍的脫色率高達99.99%；在工作氣體為He條件下，處理5 min后甲基藍的脫色率僅為3%。研究分析表明N2和O2在放電過程中形成大量的氮、氧活性粒子，這些氮、氧活性粒子有極強的化學活性，對甲基藍脫色過程產生重要的影響。

介質阻擋放電；甲基藍；脫色

Abstract:The plasma produced by dielectric barrier discharge jet array was used to decolorize methyl blue solution. Based on UV absorption spectrum, the methyl blue was characterized at 590 nm. The results showed that under the condition of the plasma generated by Air (100%) and He/Air (1:1), the decoloration rate of methyl blue was 99.99% after 5mins treatment. While the helium was used as the working gas, the decoloration rate of methyl blue was only 3% after 5mins treatment. Further analysis indicated that during the processing of discharging, N2and O2could produce a large amount of reactive nitrogen and oxygen species which have an important effect on the decoloration process of methyl blue because of high chemical activity.

Keywords:dielectric barrier discharge; methyl blue; decoloration

1 材料與方法

1.1 等離子體放電系統

本實驗射流介質阻擋陣列放電裝置是由16根射流管組成，每一根射流管的內徑為2 mm，外徑4 mm，材料均為石英玻璃。石英管內置同軸鎢電極，直徑為1 mm，在鎢電極表面覆蓋一層內徑1.2 mm，外徑1.6 mm的盲孔石英管作為阻擋介質。溶液中插入銅棒，銅棒末端連接底電極，這樣就形成了介質阻擋放電結構。工作氣體從兩側通入下端的密閉腔室中，氣體在石英管內發生氣體放電現象，產生等離子體。射流介質阻擋陣列放電裝置如圖1，通過交流高壓電源驅動，在回路中串聯高壓探頭和低壓探頭，目的是檢測放電裝置的電學特性，通過示波器觀察電流電壓波形。本實驗選取放電電壓為16 kV-20 kV，放電頻率固定為8 kHz，工作氣體流量為1 L·min-1，單次處理甲基藍溶液體積為50 ml。

圖1 水中放電等離子體實驗系統圖

該裝置放電形式屬于介質阻擋放電，是一種非平衡態的、非穩定的和不均勻的放電。實際放電狀態如圖2，盲孔石英管作為絕緣介質覆蓋在高壓電極上，當鎢電極上施加足夠高的交流電壓時，電極之間的氣體即使在大氣壓條件下也會被擊穿而形成絲狀放電。這種放電表現很均勻、散漫和穩定，實際上是由大量細微的快脈沖放電通道構成的。

圖2 等離子體水下放電照片

1.2 甲基藍溶液的配制

利用電子天平稱量0.008 g甲基藍，將甲基藍粉末溶解在1 L去離子水中得到0.1 mmol·L-1甲基藍溶液。將裝有混合液的燒杯放置在磁力攪拌器上，將磁旋子放入燒杯內，均勻攪拌溶液直至完全溶解，配好的溶液放置在4 ℃下保存。

1.3 檢測方法

利用590 nm處的紫外吸收峰強度對甲基藍進行表征，計算吸光度的變化量與初始吸光度的比值得到甲基藍的脫色效率

(1)

式(1)中A0為甲基藍初始吸光度，A為脫色處理后的吸光度。

2 結果與討論

2.1 工作氣體對脫色效果的影響

本實驗放電電壓18 kV，放電頻率8 kHz，工作氣體分別為Air、He和Air/He(1:1)，氣體流量為1 L/min，處理時間5-300 s。甲基藍在三種工作氣體條件下溶液脫色效果圖如圖3，對應處理時間從左至右為5 s、20 s、60 s、90 s、120 s、180 s、240 s、300 s。通過實驗觀察工作氣體為Air和Air/He(1:1)時，處理時間180 s后溶液顏色與去離子水基本一致，達到了脫色效果。但是工作氣體為He時，隨著處理時間增加，溶液顏色出現逐漸加深的現象，并沒有達到脫色效果。為了分析此現象，我們選擇利用紫外吸收光譜對甲基藍的脫色過程進行表征。

(A) Air (B) He (C) Air/He(1:1)

2.2 工作氣體對紫外吸收光譜的影響

本實驗的實驗條件與上述條件一致，目的是利用紫外分光光度計對甲基藍進行光譜掃描，觀察甲基藍的特征峰。工作氣體為Air和Air/He(1:1)時，處理5 min后吸光度與去離子水吸光度在400-800 nm范圍內基本一致；工作氣體為He時，甲基藍的吸光度呈現先上升后下降的趨勢，處理5 min后吸光度并沒有發生很大的變化如圖4。

(A) Air

(B) He

(C) Air/He(1:1)

2.3 工作氣體對脫色效率的影響

本實驗放電電壓16 kV-20 kV，放電頻率8 kHz，工作氣體分別為Air、He和Air/He(1:1)，氣體流量位1 L·min-1，處理時間從5-300 s。工作氣體為Air時，等離子體可以對甲基藍實現脫色處理，在放電電壓為16 kV處理時間為5 min時，甲基藍脫色率就能達到99.99%；工作氣體為He時，等離子體對甲基藍的脫色效果十分不理想，并且在脫色處理的過程中甲基藍的脫色率存在負增長的趨勢，在放電電壓16 kV處理時間為1 min時，脫色效率是-40%左右，然而隨著處理時間的繼續增加，甲基藍的脫色率又出現正增長的趨勢，但是在處理時間為5 min后，甲基藍的有效脫色率只有3%左右；工作氣體為He/Air(1:1)混合時，等離子體對甲基藍的脫色效果也是十分明顯的。在脫色處理的過程中脫色率也出現了先降低后上升的趨勢，放電電壓為16 kV處理時間為5 s時脫色率在-50%左右，隨著處理時間的增加脫色率也隨之上升，處理時間5 min后仍然脫色率達到99.99%，放點典雅對甲基藍脫色效率的影響如圖5。

(A) Air

(B) He

(C) Air/He(1:1)

2.4 分析討論

·O + H2O → ·OH + ·OH

O2+ e → O + O + e

O + O2→ O3

O3+ NO → NO2+ O2

·H + O2→ ·HO2

·HO2+ ·HO2→ H2O2+O2

3 結論與展望

該實驗裝置系統能夠有效的對染色劑進行脫色處理。工作氣體中含有Air條件下，處理5 min后，甲基藍脫色率可以達到99.99%。研究表明脫色處理過程中，空氣放電產生的OH,O3,NOX等活性物種能夠與有機分子發生化學反應，進而實現脫色降解，更具體的降解機理和降解過程還需要后續工作的進行補充和證實。但是空氣等離子體對染料脫色處理的效果十分顯著，同時也說明空氣等離子體在對水中有機污染物降解方面具有很大的潛力，在未來凈化水資源的問題上，空氣等離子體將是一種十分有效安全的解決方法。

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(責任編輯 王楠楠)

ResearchonDielectricBarrierDischargePlasmafortheDecolorationofMethylBlue

WANGXue-yang,SONGYing,LIUDong-ping,YANWen,JILong-fei

(School of Physics and Materials Engineering, Dalian Minzu University, Dalian Liaoning 116605, China)

X131.2

A

2017-04-26；

2017-05-31

國家自然科學基金青年項目(11505025)。

王學揚(1993-)，男，滿族，遼寧大連人，大連民族大學物理與材料工程學院碩士研究生，主要從事大氣壓低溫等離子體殺菌和有機物脫除研究。

2096-1383(2017)05-0483-04