基于發(fā)射光譜研究多針-板式水中He介質(zhì)阻擋放電

岑祥旗，洪 義，潘 靜，李正華，張 敬

(大連民族大學(xué) 物理與材料工程學(xué)院，遼寧 大連 116600)

過去的幾十年中，介質(zhì)阻擋放電(Dielectric barrier discharge,DBD)在處理水中有機(jī)污染物方面受到廣泛關(guān)注，并且已證實放電過程中產(chǎn)生的物理和化學(xué)效應(yīng)對污染物的去除具有顯著的效果. 物理效應(yīng)主要包括放電過程中產(chǎn)生的紫外輻射和沖擊波，而化學(xué)效應(yīng)主要包括放電過程中產(chǎn)生的OH*，O*，H*，H2O2和O3等活性粒子[1]. 另外，DBD技術(shù)與其他處理廢水的高級氧化技術(shù)相比，具有無需另外投加化學(xué)試劑和反應(yīng)時間短等優(yōu)點[2]. 目前，水中產(chǎn)生介質(zhì)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(yīng)器內(nèi)部，并把產(chǎn)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(jī)污染物發(fā)生反應(yīng). 另一種是等離子體直接在水中產(chǎn)生，關(guān)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(chǎn)生的活性粒子能夠在消失之前與水中有機(jī)污染物充分反應(yīng)，所以對水中有機(jī)污染物的降解非常有益.

目前，國內(nèi)外普遍認(rèn)可的水中放電發(fā)生機(jī)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(yù)先沒有氣泡時，所需的擊穿場強(qiáng)高達(dá)2 MV/cm[9]，并且絕大部分的注入能量轉(zhuǎn)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(yù)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(qiáng)可限制在30 kV/cm[9]. 2015年B. G. Rodríguez-Méndez等人預(yù)先制造大量的氣泡環(huán)境，在水中實現(xiàn)了介質(zhì)阻擋放電，采用的電極為線-筒式電極結(jié)構(gòu)，而電源為納秒脈沖電源[7]，但是所需的工作電壓高達(dá)25 kV，并且該裝置利用交流電源很難產(chǎn)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(nèi)(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(chǎn)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(xiàn)[10]利用預(yù)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(jié)構(gòu)為單針-板式介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu). 但是，該電極結(jié)構(gòu)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(jī)污染物的處理效率越高. 所以，本文中采用多針-板式介質(zhì)阻擋放電電極結(jié)構(gòu)，擴(kuò)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(xì)管下端3 mm處. 由于高壓電極處于石英毛細(xì)管的內(nèi)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(yù)先在氣相中(石英毛細(xì)管的內(nèi)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(xì)管的外徑、內(nèi)徑和長分別為2 mm、1 mm和250 mm，在外面套有外徑12 mm、內(nèi)徑10 mm、長100 mm的石英玻璃管. 該石英玻璃管的側(cè)面有內(nèi)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(jìn)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(nèi)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(zhì)量流量計控制工作氣體He的流量，并以4 L/min進(jìn)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(chǎn)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(nèi)的OH光譜時選2 400 mm-1光柵，并設(shè)定狹縫寬度為20 μm. 利用數(shù)碼相機(jī)(佳能EOS 5D Mark III)拍攝放電照片.

2 實驗結(jié)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(dǎo)電流的詳細(xì)測量方法參考文獻(xiàn)[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(dǎo)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(zhì)阻擋放電裝置的阻抗為電容性. 在放電的正負(fù)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(fù)半周期，說明放電過程中不僅產(chǎn)生了許多微放電通道，而且正半周期比負(fù)半周期放電更強(qiáng)烈，這是由于電極結(jié)構(gòu)不對稱導(dǎo)致的. 從圖4可以看出，傳導(dǎo)電流的峰值遠(yuǎn)大于位移電流的峰值，表示注入功率基本都在做有用功，產(chǎn)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(nèi)，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(zhì)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(zhuǎn)動溫度可以近似地認(rèn)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(yùn)動和轉(zhuǎn)動運(yùn)動之間達(dá)到熱平衡. 為準(zhǔn)確地確定出OH的轉(zhuǎn)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(chǎn)生的光譜帶，并與實驗測量得到的光譜帶進(jìn)行了比較[10,13]. 當(dāng)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(zhuǎn)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(dāng)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(chǎn)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(shè)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(jīng)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(dāng)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(chǎn)生更多的活性粒子. 另外，電子激發(fā)溫度遠(yuǎn)大于氣體溫度，說明水中介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的He等離子體處于非熱平衡狀態(tài).

3 結(jié) 論