光譜法研究鹽溶液濃度對輝光放電活化液體的影響

許慧敏，賈培佩，陳俊宇，賈鵬英，李小妮

(1．河北金融學院 基礎教學部，河北 保定 071051;2．華北電力大學 電力工程系，河北 保定 071003;3．河北大學 物理科學與技術學院，河北 保定 071002)

大氣壓輝光放電(APGD)具有低氣壓輝光放電的均勻性和較高的化學活性，且擺脫了真空裝置的限制[1-3]，在材料改性[4]、生物醫療[5-6]等領域具有非常廣泛的應用前景.

在諸多等離子體應用中，通常將樣品直接暴露于等離子體，利用等離子體中的電子、活性粒子、紫外光等物質引發樣品的物理及化學反應.另一種是等離子體與樣品間接作用,通常讓等離子體先與水作用，形成富含活性粒子的水(等離子體活化水)，然后再利用活化水處理樣品.即使對于等離子體直接作用而言，樣品也通常置于(或者溶解于)液體中.因此，液體電極大氣壓放電引起了研究者越來越多的關注. Gubkin[7]首次使用液體作為放電電極，實現了大氣壓放電，并稱之為“輝光放電電解”.利用單針-液體電極裝置，Li等[8]發現其放電絲直徑和振動溫度隨著氣隙寬度或放電電流的增加而增加.采用多針-液體電極裝置，發現隨著增大氣隙寬度分立的放電絲能合并在一起，從而形成片狀等離子體羽，在此過程中轉動溫度及振動溫度都降低[9].除了放電電流和氣隙寬度影響放電特性外，液體電極的電壓極性也會對放電產生影響.Lu等[10]利用盤狀金屬-液體電極裝置，發現液體電極作陰極時比作陽極時，放電絲較粗且發光較暗.Bruggeman等[11]觀察到液體電極作陰極時比作陽極時等離子體接觸點具有明顯的收縮，且在液面附近更分立.

針對于此，本文采用針-液體電極放電裝置，在其放電間隙產生了大氣壓空氣輝光放電，利用電學測量和光譜學方法對3種不同NaCl濃度的液體電極放電的等離子體參數隨放電電流的變化進行了研究，并測量活化液體中H2O2濃度隨放電電流的變化.

1 實驗裝置

圖1中針-液體電極放電裝置，采用空氣作為工作氣體.用去離子水配置不同濃度的NaCl溶液作為電極，對應濃度為0、3.0和7.5 mmol/L NaCl溶液的初始電導率分別為3.6、327.0及820.0 μS·cm-1.

圖1 針-液電極放電裝置和空氣放電照片Fig.1 Schematic diagram of the needle-liquid electrode discharge experiment setup and an atmosphere discharge photo

鎢針直徑約為1.0 mm，針尖曲率半徑約為200 μm.液體注入圓柱形水槽(體積約400 mL、水深約70 mm、內徑約86 mm)，其通過置于其底部的銅線(直徑1.0 mm)接地.針尖距水面5.0 mm.直流電源(Glassman EK15R40)的正高壓輸出端通過100 kΩ的鎮流電阻與鎢針相連.利用高壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Tektronix TCPA300)分別測量電源的輸出電壓和放電電流，并通過示波器(Tektronix DPO4104)顯示和存儲.采用數碼相機(Canon EOS 7D)沿著與針-液體軸線成45°的方向拍攝放電照片.利用光譜儀(PI Acton SP2750)測量放電的發射光譜.利用吸收光譜法測量臭氧濃度，即紫外光源(LLS-LED 3186)發出的光在穿過待測區域(距離針尖2.5 mm處)后，通過光纖將信號輸送到光譜儀中.通過比較有無等離子體情況下的紫外光強度，利用Beer-Lambert定律可以測量O3濃度.通過比色法可以測量H2O2濃度，即通過紫外-可見分光光度計(Perkin Elmer Lambda 950)在407 nm處讀出吸光度，然后根據標準曲線計算H2O2濃度.

2 結果與討論

圖1的右側部分給出了曝光時間為100 ms的針-液體電極空氣放電的照片.從照片可以看出，該大氣壓輝光放電從陰極到陽極分別為負輝區、法拉第暗區、正柱區和陽極輝區，這類似于低氣壓輝光放電.因此放電機制為大氣壓輝光放電.

圖2 液面附近采集的200～900 nm發射光譜(a)和液面附近O I(777.4 nm)的譜線強度(b)隨放電電流的變化關系Fig.2 200 nm to 900 nm scanned spectra collected close to liquid surface(a) and spectral intensity of O I(b) close to liquid surface as a function of discharge current

從圖3可以看出，I391.4/I337.1隨電流增大而增大，即電子平均能量隨電流的增大而增大.在一定電流下，溶液濃度越小，電子平均能量越大.靠近液體表面的振動溫度也隨放電電流的增大而增大.且在一定電流下，溶液濃度越小，振動溫度越大.根據能量弛豫過程，在等離子體中電子通過碰撞將能量傳遞給氮分子，因此電子能量越高，通過碰撞傳遞給分子的能量越高，反映為分子的振動溫度也越高.

圖3 液面附近發射譜線強度比I391.4/I337.1(a)和振動溫度(b)隨放電電流的變化關系Fig.3 Intensity ratio of I391.4/I337.1 (a) and vibrational temperature (b) close to liquid surface as functions of discharge current

利用吸收光譜法，圖4a給出了O3濃度隨放電電流的變化關系.可見O3濃度隨著放電電流增大而增大，且溶液濃度越小O3濃度越大.這表明隨放電電流的增大及溶液濃度的減小放電，產生的活性粒子濃度增大，這必然導致活化水中的活性粒子呈現相同的變化趨勢.比色法測量過氧化氫濃度[16]，結果如圖4b所示.從圖4b中可以看出，隨放電電流增大，H2O2濃度增大.當放電電流一定時，鹽溶液濃度越小，H2O2濃度越大.

圖4 液面附近的臭氧濃度(a)和H2O2濃度(b)隨放電電流的變化關系Fig.4 Ozone concentration close to liquid surface (a) and H2O2 concentration of liquid (b) as functions of discharge current

3 結論

通過對直流電源激勵下大氣壓空氣針-液體電極放電特性進行研究，發現不同濃度液體電極的放電都有明顯的分區現象，從陰極到陽極分別是負輝區、法拉第暗區、正柱區和陽極輝區.通過比較放電的發射光譜，發現不同濃度電極的發射光譜類似，但譜線強度比不同.通過測量I391.4/I337.1和振動溫度，發現它們均隨著放電電流的增大，或者溶液濃度的減小而增大.此外，還利用吸收光譜測量了放電區域中產生的O3濃度，利用比色法測量了活化液體中的H2O2濃度.結果表明，隨著放電電流增大，氣相中的O3濃度及液相中的H2O2濃度都增大.在一定放電電流下，鹽溶液濃度越小，H2O2及O3濃度越大.