等離子體應用于機動車尾氣中NOx凈化的研究

冶兆年 盧慧泓 李惠 陳萌

[摘 要] 本文介紹了電暈放電、介質阻擋放電、射頻放電、輝光放電、微波放電等可以產生等離子體的放電形式的特點，并著重介紹了利用介質阻擋放電產生等離子體的方法。

[關鍵詞] 等離子體；汽車尾氣；NOx

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 05. 047

[中圖分類號] F273 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）05- 0113- 02

0 引 言

隨著經濟的快速發展，我國汽車的保有量也持續增加，由此而帶來的環境污染問題日益嚴重。其中汽車所產生的NOx是目前主要的大氣污染物之一。現在，雖然有眾多的凈化技術，如三效催化技術等，但都存在著較大的局限性[1]。而本文所闡述的等離子體凈化技術則擁有處理效率較高、投資較少、運行成本較低、不產生二次污染等優點，其已經成為了尾氣凈化研究的熱點。

1 等離子體凈化NOx的原理

等離子體凈化汽車尾氣中的氮氧化物主要是通過粒子非彈性碰撞。氣體在外加電場作用下，通過放電產生的高能量電子撞擊汽車尾氣中的N2、O2分子，使之離解成為具有較高活性的原子。在氣相化學過程中，具有活性的原子與尾氣中的NOx作用，還會產生其他種類的活性物質，最終導致發生一連串復雜的化學反應。在這些反應中，高能電子對反應的程度起著決定性作用，其中最重要的影響因素是電子的平均能量、電子密度、氣體溫度等[2]。其反應過程可以用如下方程式表示：

O2→2O（1）

O+N2→NO+N（2）

N+O2→NO+O（3）

NO+O→NO2（4）

NO+2OH-→NO2+H2O（5）

NO+HO2-→NO2+OH-（6）

3NO+O3→3NO2（7）

2 等離子體產生的方式

一般地，按照等離子體產生時壓強的范圍和電極的形狀共可將等離子體的產生方式分為五類，即電暈放電、射頻放電、輝光放電、微波放電和介質阻擋放電等。

2.1 電暈等離子體放電

當在電極兩端加上未達到擊穿電壓的較高電壓時，若電極表面附近的局部電場很強，則電極附近的常壓介質會被局部擊穿從而產生電暈放電現象，其可以分為兩種即直流電暈放電和脈沖電暈放電，典型的電暈放電結構如圖1所示[3]。

2.2 射頻等離子體放電

射頻放電可以在常壓甚至加壓下工作，放電氣體并不需要與電極直接接觸，可以利用高頻電場通過電感耦合或電容耦合來產生等離子體，其中最常用的單頻電容耦合放電等離子體發生裝置如圖2所示。

輝光放電，雖然裝置較為簡單，但是傳統的輝光放電工作氣壓過低，需要龐大而復雜的真空系統和相應設備，不太利于汽車的使用環境，其典型的輝光放電如圖3所示[4]。

2.3 微波等離子體放電

利用微波放電產生等離子體是通過微波擊穿氣體，從而放電生成等離子體，其反應的基本機理是將微波所具有的能量注入已經充滿工質氣體的放電腔中，隨著微波能量逐漸增大，會形成很強的電場，達到一定閾值時就會擊穿氣體放電，產生大量的微波等離子體[5]。微波放電多采用無極放電，可以避免材料對電極的不利影響，對頻率和壓力要求較低但多容易形成火花放電，不利于尾氣的處理。

2.4 介質阻擋等離子體放電

介質阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）是一種在放電空間中插入絕緣介質的一種氣體放電方法，我們既可以將介質層附著在電極上，也可以將其懸置在放電空間。當我們對兩個電極加以足夠大的高頻交流電壓時，兩電極間的氣體會被擊穿進而形成所謂的介質阻擋放電。我們通常采用的介質阻擋放電和間隙結構如圖4所示。下面我們拿比較簡單的電極結構作為例子，這些電極和間隙結構既可以是平面形的，也可以是同軸圓柱體形的。結構（a）是使用最為廣泛的放電類型，我們通常用它來制造臭氧發生器，它的特點是與其他類型相比結構較為簡單，產生的熱量可以通過金屬電極散發。結構（b）的特點是在兩層介質之間放電，可以極大地防止金屬電極與放電的等離子體的直接接觸。對于純度較高的等離子體或腐蝕性氣體，這是一種較為理想的結構。第三種結構（c）可以同時在介質的兩邊產生兩種組成成分互異的等離子體。在兩電極間安插介質可以極大地防止局部火花或弧光放電在放電空間中的產生，而且可以在大氣壓強下產生較為穩定的氣體放電[6]。

3 等離子體應用于汽車尾氣中NOx凈化的展望

等離子體的產生是一個錯綜復雜的過程，且生成等離子體的方式多種多樣，等離子體產生方式的不同直接決定了凈化器在汽車上的應用效果。如前所述電暈放電產生的電子能量較低，且對電壓要求較高，導致其在汽車上使用時需要配備合適的變壓器，提高了整車質量，不利于汽車的輕量化；與電暈放電類似，射頻放電需要高頻電壓，故需引入高頻電場，也使整車的質量提高；輝光放電雖有著較為簡單的放電系統，但其需要在低氣壓下工作，在凈化裝置內無法給出相應的低氣壓環境，故在汽車上的使用也較為困難；微波放電雖可避免氣體的電極的不利影響，但是容易產生火花放電，不利于放電過程的穩定性。綜上所述，介質阻擋放電產生等離子體具有采用強電離放電，電子的能量高于電暈放電，可以在常溫常壓下進行，放電較為穩定，放電過程容易控制，可以避免產生火花放電和電弧放電等諸多優點，故更適宜應用于機動車尾氣中NOx的凈化。

注：陳萌，通訊作者。

主要參考文獻

[1]馮長根，王大祥，王亞軍. 車用三效催化劑的研究進展[J]. 安全與環境學報，2003，3（5）：21-26.

[2]龔大國，袁宗宣，謝春梅，等.等離子體汽車尾氣治理技術[J].重慶環境科學，2003.25（2）：28-32.

[3]左莉，侯立安.介質阻擋放電與脈沖電暈放電凈化氣態污染物的試驗研究[J].潔凈與空調技術，2003（3）：43-45.

[4]李成柳. 大氣壓輝光放電等離子體的產生及滅菌應用[D].北京：北京交通大學，2008.

[5]常海軍. 電火花連鎖微波放電等離子體裝置及機理研究[D].淮南：安徽理工大學，2017.

[6]汪濤.介質阻擋放電脫除氮氧化物的實驗研究和動力學分析[D].北京：華北電力大學，2015.