基于发射光谱研究多针-板式水中He介质阻挡放电

岑祥旗，洪 义，潘 静，李正华，张 敬

(大连民族大学 物理与材料工程学院，辽宁 大连 116600)

过去的几十年中，介质阻挡放电(Dielectric barrier discharge,DBD)在处理水中有机污染物方面受到广泛关注，并且已证实放电过程中产生的物理和化学效应对污染物的去除具有显著的效果. 物理效应主要包括放电过程中产生的紫外辐射和冲击波，而化学效应主要包括放电过程中产生的OH*，O*，H*，H2O2和O3等活性粒子[1]. 另外，DBD技术与其他处理废水的高级氧化技术相比，具有无需另外投加化学试剂和反应时间短等优点[2]. 目前，水中产生介质阻挡放电的方式主要有2种形式，一种是放电发生在与水隔绝的反应器内部，并把产生的等离子体以鼓泡或曝气的方式输送到水中[3-5]. 这种方法最大的缺点是活性粒子与水接触前需要传输一段距离，所以辐射寿命只有几十ns的大部分活性粒子无法与有机污染物发生反应. 另一种是等离子体直接在水中产生，关于这方面的研究相对较少[6-7]. 这种装置的优点是放电产生的活性粒子能够在消失之前与水中有机污染物充分反应，所以对水中有机污染物的降解非常有益.

目前，国内外普遍认可的水中放电发生机制是放电形成在气相中——即气泡中[8]. 研究发现高压电极与低压电极之间预先没有气泡时，所需的击穿场强高达2 MV/cm[9]，并且绝大部分的注入能量转化为焦耳热形成气泡，因此能量损耗非常大，大约70%的注入能量做了无用功. 然而，高压电极与低压电极之间人为预先制造大量的气泡，形成气-液交界面，不仅容易实现放电，而且所需的击穿场强可限制在30 kV/cm[9]. 2015年B. G. Rodríguez-Méndez等人预先制造大量的气泡环境，在水中实现了介质阻挡放电，采用的电极为线-筒式电极结构，而电源为纳秒脉冲电源[7]，但是所需的工作电压高达25 kV，并且该装置利用交流电源很难产生等离子体. 这是因为交流电源无法像脉冲电源在短时间内(几十到几百ns)将大部分的能量注入到气泡中，加速电子与气体分子发生碰撞，产生电离和激发，最终在气-液交界面上形成等离子体.

基于上述原因，文献[10]利用预电离的方法降低工作电压，直接在水中形成了空气等离子体放电通道，电极结构为单针-板式介质阻挡放电结构. 但是，该电极结构由于采用单针高压电极，放电面积较小，而水中放电面积越大对有机污染物的处理效率越高. 所以，本文中采用多针-板式介质阻挡放电电极结构，扩大放电面积，并利用发射光谱法研究了水中氦气等离子体的放电特性.

1 实验装置

He等离子体实验装置如图1所示. 图2为峰值电压为9 kV时的放电照片.

图1 实验装置结构图

图2 峰值电压为9 kV时的放电照片

高压电极由8根不锈钢钢管组成，每根钢管的外径、内径和长分别为1 mm，0.8 mm和300 mm，并且紧紧地插入到距石英毛细管下端3 mm处. 由于高压电极处于石英毛细管的内部，避免了放电过程中与水接触发生短路，并且工作气体预先在气相中(石英毛细管的内部)发生电离，为水中形成放电通道提供种子电荷，从而降低工作电压. 石英毛细管的外径、内径和长分别为2 mm、1 mm和250 mm，在外面套有外径12 mm、内径10 mm、长100 mm的石英玻璃管. 该石英玻璃管的侧面有内径4 mm的气体入口，并利用聚四氟乙烯薄膜对其上下开放端进行密封. 盛自来水的容器由石英板和圆柱形石英管组成，其中石英板的长、宽和厚分别为100 mm，100 mm和1 mm，而圆柱形石英管的外径、内径和高分别为60 mm，54 mm和70 mm. 高压电极位于石英板上方10 mm处，而在石英板的下方放置长、宽和厚分别为70 mm，70 mm和0.3 mm的铜箔，作为接地电极.

利用质量流量计控制工作气体He的流量，并以4 L/min进入到与高压交流电源(幅值0～20 kV、频率为8 kHz)相连的不锈钢针电极. 放电过程中的工作电压波形由高压探头(Textronix P6015A)测量得到，总电流波形通过测量20 Ω无感电阻(与接地电极串联)的电压得到，并且记录在示波器(Tektronix MDO3012). 光谱仪(Acton Research Spectrapro-2500i)的光纤探头放置在距圆柱形石英管和石英板分别2 mm和3 mm处，用于采集He等离子体产生的光谱. 全波长(300～900 nm)扫描时采用300 mm-1光栅,测量306～312 nm波长范围内的OH光谱时选2 400 mm-1光栅，并设定狭缝宽度为20 μm. 利用数码相机(佳能EOS 5D Mark III)拍摄放电照片.

2 实验结果与讨论

2.1 电气参量诊断

图3和图4给出了放电过程中测量得到的电压、电流波形. 位移电流和传导电流的详细测量方法参考文献[10-11].

图3 峰值电压为8 kV时工作电压Utot和 总电流Itot波形

图4 峰值电压为8 kV时传导电流Idc和位移电流Idp波形

从图3中可以看出，总电流在相位上落后工作电压接近90°，说明多针-板式水中介质阻挡放电装置的阻抗为电容性. 在放电的正负半周期，总电流的波峰和波谷附近出现了大量的大小不一的电流脉冲，并且大电流脉冲数量正半周期明显多于负半周期，说明放电过程中不仅产生了许多微放电通道，而且正半周期比负半周期放电更强烈，这是由于电极结构不对称导致的. 从图4可以看出，传导电流的峰值远大于位移电流的峰值，表示注入功率基本都在做有用功，产生了He等离子体.

有效功率利用Peff=fCmS求出，式中Peff为有效功率，f为电源频率(8 kHz)，Cm为与接地电极串联的1 μF电容，S为李萨茹图形的面积[12]. 峰值电压为7～10 kV时，有效功率如图5所示. 在7～10 kV峰值电压范围内，有效功率几乎线性增大，最小值为31.14 W，最大值为64.52 W. 该值明显大于15 kV峰值电压下单针-板式水中空气介质阻挡放电等离子体的放电功率30 W[10]，证实了大气压下氦气比空气更容易电离，击穿电压更小.

图5 峰值电压为7～10 kV时的有效功率

2.2 等离子体参量诊断

在大气压下，OH的转动温度可以近似地认为是等离子体的气体温度[13]，这是因为大气压条件下，粒子间激烈频繁的热碰撞能够使热运动和转动运动之间达到热平衡. 为准确地确定出OH的转动温度，利用光谱模拟软件LIFBASE模拟得到OH(A2Σ+→X2Π,Δν=0)从306～312 nm跃迁产生的光谱带，并与实验测量得到的光谱带进行了比较[10,13]. 当模拟光谱带与实验测量光谱带吻合得最好时，可确定出OH的转动温度[10,13].

(a)250～550 nm

(b)550～900 nm图6 峰值电压为8.5 kV时的发射光谱

图7为气体温度随峰值电压的变化,从图7可以看出，当峰值电压从7 kV增大到10 kV时，气体温度从414 K增大到了498 K.

图7 峰值电压为7～10 kV时的气体温度变化

图8为OH从306～312 nm跃迁产生分子谱带的实验测量光谱和模拟光谱.

图8 OH的实验测量光谱和理论模拟光谱

对于大气压非热平衡等离子体，电子激发温度可以假设等离子体处于局域热平衡，并且激发态上的粒子服从玻尔兹曼分布[14]. 图9给出了电子激发温度随峰值电压的变化，图10是峰值电压为8.5 kV时，选择447.2，471.4，501.6，587.6，706.5，728.1 nm等6条激发态中性He原子谱线，经过最小二乘法线性拟合得到的玻尔兹曼分布拟合曲线.

图9 峰值电压为7～10kV时的电子激发温度

图10 Texc=4 550 K玻尔兹曼分布拟合曲线

从图9中可以看出，当峰值电压从7 kV增大到10 kV时，电子激发温度从4 489 K增大到4 635 K，并且随峰值电压的增大几乎线性地增大，这与有效功率随峰值电压变化的趋势相一致. 这一现象说明随着峰值电压的增大,电子能够从外电场获得更多的能量，促使电子激发温度迅速地增大，与周围气体分子发生碰撞更频繁，产生更多的活性粒子. 另外，电子激发温度远大于气体温度，说明水中介质阻挡放电产生的He等离子体处于非热平衡状态.

3 结 论