7 介质阻挡放电技术与应用

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1、7介质阻挡放电等离子体技术与应用7.1介质阻挡放电特性7.1.1介质阻挡放电反应器~~~高压电极电介质接地电极（a）（b）（c）在实际应用中，平板式电极结构被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中.在实际应用中，管线式的电极结构被广泛的应用于各种化学反应器中7.1.2介质阻挡放电的物理过程介质阻挡放电主要是通过微放电通道形成的，对每个电流细丝，在交流电压变化的一个周期内的变化可分为三个阶段：（1）放电的形成（~ns）；（2）气体间隙的电流脉冲（1~100ns）；（3）在

2、微放电通道中原子、分子的激发和解离，自由基和准分子等的形成(~ms)。大气压空气DBD的细丝放电图像介质阻挡放电是一种非常适合进行等离子体化学反应的放电形式，其特点有以下几个方面：（1）等离子体操作范围较广，可在常压甚至在加压下进行反应，通常气压在104~106帕，允许的电子能量也比较宽1~10eV，频率从50Hz到MHz的数量级均可使用，由各不同的化学反应来选择。（2）无声放电呈微放电形式，通过放电间隙的电流由大量微细的快脉冲电流细丝组成，放电表现稳定、均匀。在两电极之间的电介质可防止放电空间形成局部火花或弧光放电，

3、保证化学反应的安全进行。（3）无声放电具有较大体积的等离子体放电区，也就是在反应过程中反应分子接触的较充分，有利于反应完成。7.2介质阻挡放电物理参数的测量7.2.1介质阻挡放电的参数和过程参数：输入功率、放电电压、电流、电荷等1示波器功率计U~QI电流探头高压探头反应器电容高压发生器7.2.2介质阻挡放电的电场强度~ld1,εd1ld2,εd2lg,εgV7.2.3介质阻挡放电的等效电路~fVopCg放电器隙的电容Cd介质的电容V*~fVopR放电的等效电阻Cd介质的电容V*op（a）低频（b）高频7.2.4介质阻挡

4、放电的电压01020-10-2010203040001020-10-20102030400（a）弱放电（b）强放电7.2.5介质阻挡放电的放电电流YIYUY0XYIY0X7.2.6介质阻挡放电的放电电荷Y0X12347.2.7介质阻挡放电的放电的功率在一个周期内的放电能量（Wn）可以表示为其中，放电功率可表示为f——输入电压的频率7.2.8介质阻挡放电参数的影响因素由于壁电荷的作用使得DBD放电发生的时刻在驱动电压正负半周期不对称,相邻两次放电间隔长短交替;随着驱动电压幅值的增加,介质板厚度或气体间隙距离的减小,DBD

5、微放电增多,传输电荷量增多,介质表面累积电荷量增多,壁电荷对介质阻挡放电的影响增大;当壁电荷足够多时,甚至会出现反向放电。随着气压的降低,等离子体发射光谱强度逐渐增大,其变化规律近似为线性.这表明在低气压下,空气更容易被电离,因此等离子体的激励效果在高空中很可能更好.7.3甲烷的微放电7.3.1微放电的形貌下图为介质阻挡放电条件下甲烷和乙炔生成聚合物的扫描电镜照片微放电在等离子体聚合物上的印痕200倍48倍微放电通道中甲烷解离和碳二烃、碳三烃的形成和扩散示意图CH4t=0jeCH4eCH4CH4t=τ1微放电的寿命~n

6、sCH4CHxCHx+CH4CH4t=τ2碳二烃形成时间~usCH4C2Hy+CHx+CH4CH4t=τ3扩散时间常数~msCH4CHxCHxC2HyC2HyC3HzC2Hy+C3Hz+CHx+CH6.3.2甲烷微放电电流测量示意图CH41高压电极2电介质3微放电4绝缘体5导体6电流线7接地电极7.4无声放电等离子体技术在化工中的应用7.4.1臭氧的产生美国洛杉矶市1350吨/年工业生产臭氧的反应装置影响臭氧浓度的因素：气体温度是影响臭氧合成与分解的重要因素,臭氧浓度随着气体温度的升高显著下降,然后逐渐趋于稳定在较小的

7、浓度下。随着介质厚度的减少,阈值电压降低,气隙上的电场强度将增大,气体放电强度增大,臭氧浓度显著增加。当放电电压为1~6KV时,产生的臭氧浓度较小,且浓度基本保持不随放电电压改变7.4.2天然气转化7.4.2.1介质阻挡放电等离子体催化天然气偶联制C2烃实验部分操作条件：载气：H250ml∙min-1柱温及检测温度40◦C~~高压电极电介质接地电极（a）（b）电极结构结果与讨论：（1）电源频率和电极结构的影响在相同电压和相同的电极结构形式下，电源频率为20KHz时，甲烷转化率比电源频率为10MHz时高，其原因是在频率低

8、时，微放电持续的时间长。在相同频率和电压下，电极结构为b型时，甲烷转化率比电极结构为a型时高，其原因是b型比a型增加了一层绝缘层，放电时的电场强度增大。（2）放电电压的影响随放电电压的升高，甲烷的转化率明显升高；碳二烃的选择性随电压升高而减小，碳三烃的选择性随电压的升高而增大。（3）氢气的影响添加适量的氢气可以促进甲烷转化和抑制积