7 介質(zhì)阻擋放電技術(shù)與應(yīng)用

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1、7介質(zhì)阻擋放電等離子體技術(shù)與應(yīng)用7.1介質(zhì)阻擋放電特性7.1.1介質(zhì)阻擋放電反應(yīng)器~~~高壓電極電介質(zhì)接地電極（a）（b）（c）在實(shí)際應(yīng)用中，平板式電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)中的高分子和金屬薄膜及板材的改性、接枝、表面張力的提高、清洗和親水改性中.在實(shí)際應(yīng)用中，管線式的電極結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用于各種化學(xué)反應(yīng)器中7.1.2介質(zhì)阻擋放電的物理過程介質(zhì)阻擋放電主要是通過微放電通道形成的，對每個(gè)電流細(xì)絲，在交流電壓變化的一個(gè)周期內(nèi)的變化可分為三個(gè)階段：（1）放電的形成（~ns）；（2）氣體間隙的電流脈沖（1~100ns）；（3）在

2、微放電通道中原子、分子的激發(fā)和解離，自由基和準(zhǔn)分子等的形成(~ms)。大氣壓空氣DBD的細(xì)絲放電圖像介質(zhì)阻擋放電是一種非常適合進(jìn)行等離子體化學(xué)反應(yīng)的放電形式，其特點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：（1）等離子體操作范圍較廣，可在常壓甚至在加壓下進(jìn)行反應(yīng)，通常氣壓在104~106帕，允許的電子能量也比較寬1~10eV，頻率從50Hz到MHz的數(shù)量級均可使用，由各不同的化學(xué)反應(yīng)來選擇。（2）無聲放電呈微放電形式，通過放電間隙的電流由大量微細(xì)的快脈沖電流細(xì)絲組成，放電表現(xiàn)穩(wěn)定、均勻。在兩電極之間的電介質(zhì)可防止放電空間形成局部火花或弧光放電，

3、保證化學(xué)反應(yīng)的安全進(jìn)行。（3）無聲放電具有較大體積的等離子體放電區(qū)，也就是在反應(yīng)過程中反應(yīng)分子接觸的較充分，有利于反應(yīng)完成。7.2介質(zhì)阻擋放電物理參數(shù)的測量7.2.1介質(zhì)阻擋放電的參數(shù)和過程參數(shù)：輸入功率、放電電壓、電流、電荷等1示波器功率計(jì)U~QI電流探頭高壓探頭反應(yīng)器電容高壓發(fā)生器7.2.2介質(zhì)阻擋放電的電場強(qiáng)度~ld1,εd1ld2,εd2lg,εgV7.2.3介質(zhì)阻擋放電的等效電路~fVopCg放電器隙的電容Cd介質(zhì)的電容V*~fVopR放電的等效電阻Cd介質(zhì)的電容V*op（a）低頻（b）高頻7.2.4介質(zhì)阻擋

4、放電的電壓01020-10-2010203040001020-10-20102030400（a）弱放電（b）強(qiáng)放電7.2.5介質(zhì)阻擋放電的放電電流YIYUY0XYIY0X7.2.6介質(zhì)阻擋放電的放電電荷Y0X12347.2.7介質(zhì)阻擋放電的放電的功率在一個(gè)周期內(nèi)的放電能量（Wn）可以表示為其中，放電功率可表示為f——輸入電壓的頻率7.2.8介質(zhì)阻擋放電參數(shù)的影響因素由于壁電荷的作用使得DBD放電發(fā)生的時(shí)刻在驅(qū)動(dòng)電壓正負(fù)半周期不對稱,相鄰兩次放電間隔長短交替;隨著驅(qū)動(dòng)電壓幅值的增加,介質(zhì)板厚度或氣體間隙距離的減小,DBD

5、微放電增多,傳輸電荷量增多,介質(zhì)表面累積電荷量增多,壁電荷對介質(zhì)阻擋放電的影響增大;當(dāng)壁電荷足夠多時(shí),甚至?xí)霈F(xiàn)反向放電。隨著氣壓的降低,等離子體發(fā)射光譜強(qiáng)度逐漸增大,其變化規(guī)律近似為線性.這表明在低氣壓下,空氣更容易被電離,因此等離子體的激勵(lì)效果在高空中很可能更好.7.3甲烷的微放電7.3.1微放電的形貌下圖為介質(zhì)阻擋放電條件下甲烷和乙炔生成聚合物的掃描電鏡照片微放電在等離子體聚合物上的印痕200倍48倍微放電通道中甲烷解離和碳二烴、碳三烴的形成和擴(kuò)散示意圖CH4t=0jeCH4eCH4CH4t=τ1微放電的壽命~n

6、sCH4CHxCHx+CH4CH4t=τ2碳二烴形成時(shí)間~usCH4C2Hy+CHx+CH4CH4t=τ3擴(kuò)散時(shí)間常數(shù)~msCH4CHxCHxC2HyC2HyC3HzC2Hy+C3Hz+CHx+CH6.3.2甲烷微放電電流測量示意圖CH41高壓電極2電介質(zhì)3微放電4絕緣體5導(dǎo)體6電流線7接地電極7.4無聲放電等離子體技術(shù)在化工中的應(yīng)用7.4.1臭氧的產(chǎn)生美國洛杉磯市1350噸/年工業(yè)生產(chǎn)臭氧的反應(yīng)裝置影響臭氧濃度的因素：氣體溫度是影響臭氧合成與分解的重要因素,臭氧濃度隨著氣體溫度的升高顯著下降,然后逐漸趨于穩(wěn)定在較小的

7、濃度下。隨著介質(zhì)厚度的減少,閾值電壓降低,氣隙上的電場強(qiáng)度將增大,氣體放電強(qiáng)度增大,臭氧濃度顯著增加。當(dāng)放電電壓為1~6KV時(shí),產(chǎn)生的臭氧濃度較小,且濃度基本保持不隨放電電壓改變7.4.2天然氣轉(zhuǎn)化7.4.2.1介質(zhì)阻擋放電等離子體催化天然氣偶聯(lián)制C2烴實(shí)驗(yàn)部分操作條件：載氣：H250ml?min-1柱溫及檢測溫度40?C~~高壓電極電介質(zhì)接地電極（a）（b）電極結(jié)構(gòu)結(jié)果與討論：（1）電源頻率和電極結(jié)構(gòu)的影響在相同電壓和相同的電極結(jié)構(gòu)形式下，電源頻率為20KHz時(shí)，甲烷轉(zhuǎn)化率比電源頻率為10MHz時(shí)高，其原因是在頻率低

8、時(shí)，微放電持續(xù)的時(shí)間長。在相同頻率和電壓下，電極結(jié)構(gòu)為b型時(shí)，甲烷轉(zhuǎn)化率比電極結(jié)構(gòu)為a型時(shí)高，其原因是b型比a型增加了一層絕緣層，放電時(shí)的電場強(qiáng)度增大。（2）放電電壓的影響隨放電電壓的升高，甲烷的轉(zhuǎn)化率明顯升高；碳二烴的選擇性隨電壓升高而減小，碳三烴的選擇性隨電壓的升高而增大。（3）氫氣的影響添加適量的氫氣可以促進(jìn)甲烷轉(zhuǎn)化和抑制積