多针-板高压脉冲放电反应器结构优化及降解甲醛的实验研究EI北大核心CSCD

为了进一步提高脉冲放电能量注入效率达到有效去除有机污染物的效果,对自制多针-板高压脉冲放电反应器的电极结构配置优化进行了实验研究。通过研究不同针板间距和针针间距对脉冲功率密度的影响来优化了电极结构配置,在此基础上进一步研究了不同电参数和气体参数对脉冲放电能量注入效率和甲醛降解率的影响规律。结果表明：随着针板间距的增大,对应的脉冲功率密度随之减小,脉冲放电最大可注入的脉冲功率密度在针板间距为20 mm时达到极值;当针板间距为20 mm时,随着针针间距的增大,对应的脉冲功率随之增大,脉冲功率密度随之减小,当针针间距增大到20 mm时脉冲功率增幅已经很小,但针针间距在15~20 mm范围内时脉冲功率密度变化很小,兼顾放电稳定性和脉冲功率密度,针针间距为20 mm较优。在优化的反应器结构下进行的甲醛降解实验研究发现：当脉冲峰值电压为17 k V、脉冲重复频率为40 Hz、气体体积流量为0.3 L/min且反向进气时,该实验的甲醛降解效果达到最佳,甲醛降解率和能量注入效率分别为87.1%和3.19 g/（k W·h）。     

多针对板式负电晕放电电极间距确定

分析了针尖和针板间距与放电功率密度的关系。放电功率密度随针尖间距的增大总体呈下降趋势,但针尖间距在9～20mm间变化时放电功率密度变化不大,考虑到放电稳定性和反应器制作成本选择针尖间距为20mm。放电功率密度随针板间距的增大而下降;在中等针板间距(约20mm)下,放电具有最大可注入功率密度。     

多针电极双极电晕放电电极间距优化

为了得到提高放电功率密度的有效方法,通过实验研究确定了多针电极双极电晕放电方式的优化电极参数。对不同相邻针尖间距s和电极间距d下电晕放电实验中s和d与放电功率密度P关系的分析结果表明,放电功率密度随s的增大总体呈下降趋势,但在12～22mm区间变化不大。兼顾放电稳定性和放电功率密度可优化s为16mm。放电功率密度随d下降,在d约为32mm时,放电具有最大可注入功率密度。     

双极性高压脉冲介质阻挡放电降解甲醛及臭氧生成质量浓度控制

为进一步提高介质阻挡放电(DBD)降解甲醛的效率,并控制副产物的生成量,采用正负双极性高压脉冲电源对同轴式介质阻挡反应器供电,系统地研究了脉冲电压、脉冲重复频率、放电间隙、气体体积流量及甲醛初始质量浓度等影响因素对甲醛降解率及臭氧生成质量浓度的影响。实验结果表明:升高脉冲电压有利于甲醛的降解,当脉冲电压达到19 k V时,脉冲电压继续升高对甲醛降解率的影响不大,而臭氧生成质量浓度随着脉冲电压的增加而不断增大;放电间隙对甲醛降解率有很大的影响,随着放电间隙的减小,甲醛降解率增大,但放电间隙过小时,臭氧生成质量浓度较大;随着气体体积流量的增大,甲醛降解率降低;随着脉冲重复频率的增大,甲醛降解率增大,当脉冲重复频率达到60 Hz时,继续增加脉冲重复频率,甲醛降解率增大不明显;在一定实验条件下,甲醛初始质量浓度越大,甲醛降解率降低,而甲醛去除质量浓度增大并趋近于反应器的最大处理量。     

双极性脉冲激励的填充式介质阻挡放电反应器结构和电气参数优化

该文利用双极性脉冲电源激励填充床反应器。为了优化填充式介质阻挡放电反应器结构和电气参数,研究了不同电极形状、电极直径、石英管管径、填充材料(玻璃珠)粒径、脉冲成形电容等参数对反应器放电功率的影响。实验结果表明,采用螺纹棒电极的反应器放电功率高于普通棒状电极,增大电极直径或减小外部石英管的管径均能显著增加反应器的注入功率,填充玻璃珠的粒径越小越有利于反应器的能量注入。相同电压下,当脉冲成形电容从0.5增至1.5 n F,反应器的注入功率和放电电流增幅较大;当成形电容值大于1.5 n F时,反应器注入的功率和电流并没有显著提高。因此,1.5 n F是优化过的最佳脉冲成形电容值,是反应器静态电容(75 p F)的20倍。     

电极结构对介质阻挡放电参数的影响研究

为了优化介质阻挡放电(DBD)反应器设计,提高放电效率,提出一种针阵列芒刺状棒电极结构。利用电压-电荷Lissajous图形法,研究了光滑铜棒、螺纹铜棒和针阵列芒刺状铜棒电极等反应器电极结构对DBD放电参数的影响。实验结果表明,随着外加激励电压的升高,5种电极结构的放电功率P和平均放电电流Im及周期传输电荷量Q都随之增大。相同激励电压下,针阵列芒刺状棒电极的P、Im、Q值最大。针阵列芒刺状铜棒电极的气隙等效电容Cg随电压的升高呈震荡形式增加,而光滑电极和螺纹电极的Cg随电压的升高呈减小的趋势。研究结果表明,针阵列芒刺状铜棒电极更有利于挥发性有机物的去除,针间距越小,能量利用率越高。     

单针–板结构负电晕放电器件特性研究

基于电晕放电原理的气体传感器利用局部高电场将样本气体电离,根据电离特性进行气体识别。宏观尺度下的电晕放电特性研究较多,但对于微尺度下的电晕放电特性研究尚未深入。以直径为20μm的镍铬丝作为放电电极,搭建了单针–板结构电晕放电器件,研究其在不同间距下的放电过程。实验结果表明:当电极间距d≤0.2 mm时,放电直接发展为火花放电;当电极间距d≥0.5 mm时,初始阶段放电不稳定;随放电电压的增大,输出信号由低频率脉冲阶段逐渐转变为稳定电晕放电,且电极间距越大,起晕电压越高,不稳定电晕阶段越短,初始阶段脉冲幅值越小。以上结果为微尺度下负电晕放电气体传感器的研究提供了理论依据。     

高压脉冲放电等离子体溶液中苯酚的降解

为了满足有机物难生化降解的特殊处理要求,研究建立了多针-板电极形式的高压脉冲放电等离子体体系,以苯酚作目标物,考察该体系中影响苯酚降解的因素并分析了降解产物。结果表明,脉冲放电等离子体体系对苯酚废水的降解效果明显,苯酚降解的中间产物主要有邻苯酚二酚、对苯二酚、对苯醌和间苯二酚;在相同脉冲电压下,电极间距、曝气量和溶液的电导率等因素对苯酚降解效果有影响,溶液初始pH值影响很小;在脉冲电压20kV、脉冲频率50 Hz、电极间距15 mm、pH6.4、电导率10 mS/m、初始质量浓度100 mg/L、水样循环流量100 mL/min的实验条件下,反应体系放电60min对苯酚降解率可达86.2%。     

低气压大体积等离子体发生及其电参数特性研究

低气压大体积的均匀等离子体在材料处理、催化剂的活化和再生等领域有很好的应用前景。为研究理想的低气压大体积等离子体发生装置,在自制的真空反应器中采用平行板电极,在10~100 Pa的气压下,利用脉冲宽度小于50μs、峰值电压小于3 kV、频率50~104 Hz的双极性脉冲源,发生了最大体积约为21 L的均匀等离子体。对放电时反应器的电压电流波形进行了测试,获得在不同压强的空气、氧气、氩气介质,不同的电极间距下,放电的起始电压,以及空气中等离子体功率随气体压强、电极间距、极板面积、脉冲频率及电压峰值等不同参数变化的数量关系。结果表明:在3种介质中均获得了大体积均匀等离子体,最大体积为21 L,且空气中气压50 Pa时,生成等离子体的均匀性和放电的稳定性较好;在20~100 Pa的空气中,电极间距为10~30 cm时,放电起始电压随着气压和电极间距增大而增大;放电的功率密度与极板面积无关,随气压、脉冲频率、电压的增大而增大,随电极间距的增大而减小。     

三电极合成射流激励器电极布局与电源系统的匹配特性

为了有效增加合成射流激励器的放电强度,提高放电稳定性,使用直流电源和不同类型的触发电源,对三电极合成射流激励器的放电特性进行研究,提出了设计准则,优化了电极布局。结果表明:触发电源脉冲电压的上升时间对触发特性有重要的影响。纳秒触发源电压上升时间与击穿延迟时间相近,可促使2个放电通道同时形成,实现同时击穿;微秒触发源配合直流激励只能使2个放电通道依次形成,放电模式为依次击穿。三电极合成射流激励器的放电通道长度和稳定放电时放电通道的可调节范围由触发电源与直流电源共同决定。采用纳秒脉冲触发源和较大的直流电压激励时,可显著提高三电极合成射流激励器的最大放电间距和放电稳定性。在4 k V直流激励下微秒脉冲触发形成的最大间距为7.5 mm,而在无直流电压输入时,纳秒脉冲触发形成的最大放电间距已达10 mm。当施加-4 k V直流电压时,纳秒脉冲触发形成的最大放电间距更是达到了17.5 mm。     

大气压辉光放电向弧光放电的转化特性研究

实现稳定的大气压空气辉光放电一直是一个难题,放电极易转换成电弧,且转换时间非常短。基于针-针,针-板两种电极结构,利用MAXWELL 2D仿真软件,分析电极间的电场分布;计算了氮气、氧气所需要的击穿场强,采用脉冲电源驱动,测量放电过程的转换时间。研究显示:两种电极的电场分布和场强最大值不同;放电转化时间为几十纳秒。相同外界条件下的针-板电极比针-针电极具有更大的场强最大值,空间平均场强也比针-针电极大;1 mm间距下的针-针电极击穿时间为25 ns,针-板电极为20 ns。为研究大气压脉冲放电,以及研制纳秒级脉冲功率电源提供了一个时间参数。     

激励器参数对纳秒脉冲表面滑闪放电特性影响

利用三电极激励器结构,通过纳秒脉冲叠加负直流激励方式产生表面滑闪放电。研究电极间距、阻挡介质材料及其厚度对纳秒脉冲表面滑闪放电电气及光学特性的影响,并分析基于三电极激励结构的表面介质阻挡放电模式转换规律。实验结果表明,不同电极间距下纳秒脉冲表面滑闪放电电压激发差值不同,随着电极间距增大,电压激发差值逐渐增大,而介质表面平均电场强度先增大后减小,电极间距为25mm时为最优值,能在较低的电压激发差值条件下产生较高能量。此外,表面滑闪放电在不同电极间距条件下均存在3种放电模式,随着激励器电压差值的增大,放电模式由典型表面介质阻挡放电逐渐转变为表面滑闪放电,并最终转变为火花放电。介电常数较低的阻挡介质材料沉积能量较多,而介质厚度对表面滑闪放电电压激发差值影响较小,但激励器厚度较小时消耗的功率相对较大,能量利用率较低,不利于获得大面积等离子体。     

水下放电同相位多气泡动力学实验研究

等离子体震源通过多电极发射阵进行电声转换,而多气泡动力学对声学特性影响显著,在发射阵的设计中电极间距是关键参数。为此开展了多电极水下同步放电实验,探究不同电极间距下放电过程的电特性与气泡动力学特性的变化。结果表明:当电极间距γ(无量纲数)小于1.3时,气泡之间的距离对气泡的形状、等效半径和气泡能量效率都有较明显的影响,气泡周期也随着电极间距的增大而增大;当电极间距继续增大时,气泡之间的影响减弱,气泡开始呈现较为规则的球形;当储能电容为2μF、充电电压为–4.72 kV时,双电极的气泡等效半径稳定在11.2 mm,气泡能量效率稳定在5.2%;三电极的气泡等效半径稳定在9.4 mm,气泡能量效率稳定在4.7%;四电极的气泡等效半径稳定在8.1 mm,气泡能量效率稳定在4.1%。     

氢氧等离子体合成过氧化氢过程的能效研究

为提高氢氧等离子体合成H2O2技术的能量效率,通过分析放电过程的反应器能效及电源能量注入效率,确定了影响合成总能效的主要因素。考察了反应器电极间距、电源放电频率及注入功率对反应器能效和电源能量注入效率的影响。发现减小电极间距、提高放电频率和注入功率有利于提高反应器能效,但不利于提高电源能量注入效率。本研究中可以得到150 gH2O2/kWh的反应器能效,但由于较低的电源能量注入效率,致使合成H2O2的总能效不超过9 gH2O2/kWh。因此,提高等离子体法合成H2O2过程的总能效,不仅需要设计高能效的等离子体反应器,还需为反应器负载开发适配的电源,而后者是提升该技术能量效率的关键。     

多针电极结构双极电晕放电伏安特性

为提高电晕放电的能量密度和放电稳定性,提出了针阵列电极结构的双极电晕放电方式并研究了多针电极结构双极电晕放电的伏安特性。实验得出放电电流I随针尖半径a和电极间距d的增大而减小,随相邻针尖间距s的增大而增大,但当s≥40 mm时,相邻针尖的相互作用已很小,I几乎不变;d对火花击穿电压的影响较大,a对其的影响较小。由于电极结构的对称性,高压电极的极性对放电无明显的影响,正负电晕放电的伏安曲线和火花击穿电压均较为接近。将多针电极双极电晕放电电流I等效成电极间距为d/2的多针对板正、负电晕放电电流I1和I2相加,分析了I>I1+I2的原因,并推知其电离区内电子密度也有相应规律。     

脉冲放电反应器的电极结构和放电特性研究

脉冲放电等离子体化学过程广泛用于处理气态污染物的研究 ,反应器的电极结构直接关系到放电等离子体的形成和放电能量的利用效率 ,研究电极结构可为脉冲放电等离子体化学过程的应用提供参考。用线 -板式脉冲放电等离子体的电极结构 ,正极性纳秒级脉冲高压电源供电 ,研究了线 -板电极间距、放电线相邻间距、电场中放电线的分布对放电特性的影响 ,得到放电线间距和线 -板电极间距的合适比例范围 ,在该范围内流光所消耗的能量高     

脉冲等离子体反应器放电特性研究

脉冲放电等离子体被广泛用于气态污染物处理的研究,放电参数直接影响反应器内等离子体状态,进而影响污染物的去除效果,研究不同条件下的放电特性可为脉冲等离子体技术的应用提供参考.本文利用线板式脉冲等离子体反应器, BPFN型高压脉冲电源供电, 研究了电源电容、极板间距及介质阻挡对放电特性的影响.结果表明:增大电源电容可以有效地提高电源能量效率;增大极板间距,峰值电压VP增大,峰值电流IP减小,脉宽减小,波形更加理想;陶瓷板阻挡放电可解决间隙火花放电,使脉冲电晕放电空间分布均匀,在大范围内提高电源能量效率.     

高压电极构型对DBD装置放电特性及臭氧生成的影响

大气压介质阻挡放电(DBD)等离子体被广泛研究用于生物灭菌、材料表面改性、污染物净化处理等,而DBD装置的电极结构影响等离子体生成特性及其应用效果。为此,研究了不同高压电极构型(阵列针电极、网电极、平板电极)对DBD装置的放电特性、臭氧生成特性的影响。结果表明:网孔尺寸影响网电极的电流脉冲幅值、丝状电流脉冲数目和放电功率,网孔尺寸为0.2 mm×0.2 mm的网电极放电时的丝状电流脉冲数目大、电流脉冲幅值高,而网孔尺寸为0.5 mm×0.5 mm的网电极放电时的放电功率大;平板电极放电时的电流脉冲幅值高于网电极(网孔尺寸为0.5 mm×0.5 mm)和阵列针电极放电时的电流脉冲幅值,而平板电极的放电功率与网电极的放电功率相差不大,但远大于阵列针电极的放电功率;不同网孔尺寸的网电极放电时,在相同电压下,网孔尺寸为0.5 mm×0.5 mm的网电极放电时生成的臭氧质量浓度最高,且其生成的臭氧质量浓度和生成臭氧的能量效率均高于平板电极和阵列针电极。     

板板式介质阻挡放电等离子体直接合成过氧化氢研究

本文采用自行设计的板板式介质阻挡放电(DBD)反应器,在常温常压条件下转化氢氧混合气体直接合成过氧化氢.系统考察了介质种类,介质厚度及气隙间距对氧气转化率、过氧化氢选择性、收率及能量效率的影响.发现石英是合成过氧化氢反应器的适宜介质,介质厚度及气隙间距对舍成过氧化氢的收率及能量效率有显著影响.当介质厚度与气隙间距均为2.0 mm,注入功率为9.1W时,过氧化氢收率及能量效率分别达到20.6%和5.5gH2O2/kWh.     

水降膜DBD等离子体去除水中磺胺甲恶唑的效能及机理

水降膜介质阻挡放电装置可以在气相高效生成反应活性物质,且大的气–液反应界面有利于反应活性物质的气–液传质,高效降解液相污染物。为此研究了单极性和双极性脉冲电源供电时水降膜装置的放电特性及磺胺甲恶唑(sulfamethoxazole,SMX)的降解效率,研究发现双极性脉冲供电时,水降膜装置放电强度及SMX降解率更高。同时,本文探究了双极性脉冲电压和频率、SMX初始质量浓度、p H值、液体流速和电导率对SMX降解的影响,分析了SMX的降解机理。结果表明：放电功率随放电电压和脉冲频率升高而增大,SMX降解率随之升高,当放电电压较低(24 kV)时,电压升高能提高SMX降解的能量效率,但提升放电频率会导致SMX降解能量效率的下降;液体循环流量和电导率对SMX的降解影响不大;放电功率为5 W,放电处理质量浓度为20 mg/L的200 mL溶液30 min,SMX降解率达到了80.2%,能量效率达到1.28 g/(kW·h);由于过臭氧化和SMX分子的质子化效应,碱性条件下SMX的降解率远高于酸性条件下的降解率。