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。     

双极性窄脉冲介质阻挡放电合成臭氧的研究

利用火花隙开关的双极性陡前沿窄脉冲高压电源 ,产生双极性陡前沿窄脉冲 ,在放电反应器中引发介质阻挡放电。试验结果表明 :该种形式的放电兼有短脉冲电晕放电和介质阻挡放电的优点 ,合成臭氧产率高 :进气为露点 <-40℃的干燥空气 ,臭氧质量浓度在 4～ 8g/ m3时 ,产率为 90～ 12 0 g/ (k Wh) ;进气为工业瓶装氧气 ,臭氧质量浓度在 3～18g/ m3时 ,对应产率为 30 0～ 390 g/ (k Wh) ,对比普通的介质阻挡放电提高产率幅度 >30 %。     

圆管型介质阻挡放电臭氧产生过程中的传热数值模拟

在介质阻挡放电臭氧产生过程中,电能大部分以热能的形式散发,且气体温度是决定臭氧产率和浓度的重要参数之一。受到研究手段和检测仪器精度的限制,关于能量转化和热量传递机理的实验研究难以开展。为此,首次采用数值模拟方法对介质阻挡放电臭氧放电室进行传热分析,并实验验证了该方法的可行性。模拟结果表明:气体温度从高压电极到玻璃介质逐渐降低,气体平均温度在短时间内快速上升后逐渐降低,而且冷却水进口温度、冷却水流量和冷却水通道宽度均对气体温度影响显著。研究结果能为气体温度的控制以及臭氧发生器的设计提供科学依据。     

介质阻挡放电特性与臭氧合成的实验研究

采用线管结构反应器与管管结构反应器进行介质阻挡放电(DBD)产生臭氧。通过测量放电电气参数和观察辐射发光现象来研究两种反应器的介质阻挡放电特性。结合对比不同电场强度下的臭氧浓度和臭氧的生成效率,讨论两种反应器在生成臭氧应用方面的性能,实验发现线管结构介质阻挡放电特性不同于管管结构,同时臭氧浓度和臭氧生成效率取决于外加在两种反应器上的折合电场强度峰值。     

沿面/体介质阻挡放电装置的放电及臭氧生成特性

相对于体介质阻挡放电(VDBD),沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体可以更高效地生成反应活性物质,在气体处理方面显示了较高的效率。但沿面放电仅沿介质表面发展,限制了放电等离子体装置处理气体的能力。文中设计了一种新型的沿面/体复合DBD装置,通过在垂直于沿面放电高压电极的上部增加体放电电极,用于扩展等离子体的空间分布并提高活性物质的产量,研究了电极构型、放电气隙、放电电压及气体体积流量等对装置的放电特性及臭氧生成的影响。在空气间隙为4.5mm,外加电压幅值为16kV时,SDBD放电功率为11.2W,VDBD放电功率为4.6 W,复合装置的放电功率为19.7 W;分别测量复合装置中的沿面放电和体放电功率发现,复合装置的沿面放电功较单一沿面放电装置的放电功率提高了1.1倍,而复合装置的体放电功率较单一体放电功率提高了1.9倍。臭氧测试结果表明,复合装置生成的臭氧质量浓度可达3.0 mg/L,分别是SDBD和VDBD的3.8倍和5.0倍。     

三相介质阻挡放电产生过氧化氢的条件优化

过氧化氢、臭氧和羟基自由基等是介质阻挡放电过程中产生的主要活性粒子,其中过氧化氢对水中污染物质的去除起重要作用。为考察多高压电极介质阻挡放电反应器对放电过程中过氧化氢浓度的影响,采用线筒式三相介质阻挡放电反应器,用正交实验研究了高压电极材料、数目以及高低压电极间距的改变对过氧化氢浓度的影响。结果表明:影响过氧化氢浓度的因素显著性顺序为电极种类、高低压电极间距、电极数目;当3根直径为3mm的不锈钢丝作高压电极且高低压电极间距为13 mm时,系统产生的过氧化氢浓度最高;在最佳的系统条件下,提高空气流量、峰值电压和放电频率,降低电导率都有利于过氧化氢的生成。系统产生的最高过氧化氢浓度为64.2μmol/L。     

结构及供电电源对沿面介质阻挡放电装置放电特性及臭氧生成的影响

沿面介质阻挡放电(SDBD)等离子体能够高效生成反应活性物质,在生物医学、环保等应用领域得到广泛研究。SDBD装置的结构和供电电源参数是影响其放电特性及反应活性物质生成的主要因素,为此,以具有螺环线形高压电极的管状沿面放电装置为对象,研究了装置结构及供电电源对其放电特性及臭氧生成的影响。结果表明:在相同的供电电压下,螺环线形高压电极的螺距、介质厚度影响电极间的电场强度和分布、放电功率和臭氧生成量,但螺环线形高压电极的线径对放电功率和臭氧生成量几乎没有影响;螺环线形高压电极的螺距存在一个优化值,在螺距低于25mm时,放电功率和臭氧产生量随着螺距的增加而增加,当螺距大于25mm时,放电功率和臭氧产生量基本不再变化;当绝缘介质管厚度由3mm减小到1.6mm时,放电功率提高约2倍,臭氧产生量提高约3倍。同采用50Hz交流电源供电相比,SDBD装置采用9.6k Hz高频电源供电时,在较低的电压下即可获得较大的放电功率及臭氧产量,且臭氧生成的能量效率提高约25%。     

大尺度大气压均匀介质阻挡放电等离子体射流的生成特性研究

搭建了一种能够生成大尺度大气压氮气均匀介质阻挡放电等离子体射流的电极结构实验装置。利用电场仿真软件和流体仿真软件研究了该电极结构的电场分布和流场分布;通过实验,分别对放电特性和射流特性进行研究。结果表明：采用厚度不均匀的阻挡介质,有利于在放电间隙中形成产生起始放电的亚毫米间隙,有利于沿电子崩的发展方向形成产生均匀放电的先大后小的电场分布,进而在大气压氮气或空气中实现较大区域的均匀介质阻挡放电。在实验中,利用气流的作用,在大气压氮气中实现了长10 mm、宽15 mm的大尺度等离子体射流。     

填充式介质阻挡放电等离子体脱除硫酰氟的研究

为研究脱除熏蒸后残留硫酰氟气体并达到无害化排放的要求,采用填充式介质阻挡放电等离子体技术进行研究。考察了石英玻璃球和氧化铝球两种不同填充介质下放电电压和能量密度对硫酰氟脱除效率的影响,分析了填充介质对硫酰氟脱除后的产物组成及脱除机理影响。结果表明:在相同电压下,填充氧化铝球时介质阻挡放电对硫酰氟的脱除效率明显高于石英玻璃球;氧化铝球作为填充介质时在能量密度为208J/L能完全脱除硫酰氟,相比填充石英玻璃球情况能耗减少50%以上。填充石英玻璃球时硫酰氟在介质阻挡放电作用下分解产物主要为SiF4,SO2和S;填充氧化铝球时介质阻挡放电可以有效地无害化脱除硫酰氟。     

应用介质阻挡放电处理甲醛气体

基于高频介质阻挡放电(DBD)可产生高能电子、各种自由基与活性粒子的原理,应用高频DBD处理甲醛气体。对外加电源电压、甲醛气体质量浓度及体积流量3个水平因素的正交试验表明高频DBD可达到85%的甲醛降解效果,其中电压参数对降解效果的影响最大,流量次之,浓度最小。对放电处理后尾气成分的进一步测试分析表明尾气中臭氧质量浓度约0.002 mg/m3,远低于国家标准规定的0.16 mg/m3臭氧限量值。故高频DBD处理甲醛气体的降解效果好,且排放尾气中的臭氧含量对环境不造成影响。     

供电方式对介质阻挡放电-催化降解苯的影响

为研究能量注入方式对等离子体降解有机污染物的影响,分别将交流高压和双极性脉冲高压引入介质阻挡放电反应器,结合Mn催化剂对苯进行降解,研究供电方式对放电特性、苯去除率和产物选择性的影响。结果发现,与交流电源相比,脉冲电源供电下能量在极短的时间里注入到反应器内,产生瞬间大功率放电和高能活性粒子,可以实现对苯的高效降解和较高的CO2选择性。此外,相同功率下脉冲介质阻挡放电(DBD)的臭氧质量浓度更多,更有利于与Mn催化剂结合对苯进行降解。在电压为18.8kV的条件下,对苯的去除率最高可达98%,CO2转化率可达77%。     

两相体介质阻挡放电中的三种放电形式

两相体介质阻挡放电(dielectric barrier discharge in atwo-phase mixture,TPM-DBD)是在大气压下产生低温等离子体的重要方法,因具有很高的能量密度而被广泛应用在污染治理中。为研究介质颗粒的填充方式对TPM-DBD的影响,以γ-Al2O3作为填充介质颗粒,将数码相机与体视显微镜连体拍摄放电显微照片。结果发现,随着电压变化,TPM-DBD由3种依次串联发生的放电构成。电压较低时,首先在颗粒与极板间发生剩余间隙放电;随着电压增加,颗粒沿面放电串联发生;电压继续增加,孔隙放电串联发生。当颗粒间距较大时,在颗粒的远域出现典型的丝状放电,而近域内出现可能为汤森放电的放电"暗区"。外电场的数值计算结果初步说明了上述现象,电场畸变是其主要原因。研究结果为调节TPM-DBD的放电形式,进而高效率应用提供了较好的支持。     

介质阻挡放电合成臭氧影响因素的研究

通过试验研究对比,分析了常温常压下空气介质阻挡放电的发生过程.通过观察测试介质材料厚度、温度、放电时间及电源电压等因素对放电特性及氧气浓度的影响,进而对其理论原因进行初步探讨,得出单位时间臭氧产量在相同条件下随气体流量的增加、介质层厚度的减小而增加,而对气体间隙宽度、电源电压和频率的变化存在最佳值.并提出了提高合成臭氧浓度的有效方法.     

纳米颗粒填充对LDPE/silica纳米复合介质阈值电场的影响

为研究纳米颗粒填充对复合介质阈值电场特性的影响,以低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)为基料、纳米二氧化硅(silica)为填充颗粒,制备了填充粒径分别为7和16 nm、填充浓度在0~5.0%范围的LDPE/silica纳米复合介质,并测试了复合介质的准稳态直流电导。研究表明：低电场下纳米颗粒对复合介质直流电导的影响不大;在高电场下,低填充密度(1.0%附近)时复合介质的电导比纯LDPE的值大,阈值电场均低于纯LDPE的值;仅当填充浓度较高时,复合介质的电导才下降,并且阈值电场高于纯 LDPE的值。纳米颗粒填充粒径7和16 nm时,纳米复合介质的阈值电场特性基本一致,但在高电场下,填充粒径7 nm时的复合介质电导小于填充粒径为16 nm的值,且填充粒径7 nm时复合介质的阈值电场都高于填充粒径为16 nm时的值,表明填充粒径越小的纳米颗粒越能提升复合介质的阈值电场。另外,基于空间电荷限制电流理论(space charge limited current,SCLC)分析可知：纳米颗粒填充浓度较低时,纳米复合介质中总陷阱浓度H相对于纯LDPE都明显下降,仅当填充浓度进一步升高时,总陷阱浓度 H 才高于纯 LDPE中的值。填充浓度在0.1%~5.0%时,纳米复合介质内部总陷阱浓度 H 随填充浓度的升高而升高,这主要与纳米颗粒引入颗粒/基料界面结构的增多有关。     

沿面介质阻挡放电的低压电极配置方法

沿面介质阻挡放电等离子体在臭氧生成、化工合成、流动控制等领域有着广泛的应用前景,而电极的配置对沿面放电应用效果有着重要影响。为此在石英玻璃筒上制作沿面放电等离子体发生系统,考察不同低压电极配置方法对放电特性和臭氧生成的影响,以获得沿面放电等离子体低压电极结构配置方法。研究结果表明带式电极的放电特性与臭氧生成量好于传统的面式电极,带式电极结构中,同位电极结构与异位电极结构相比,异位电极结构下的放电功率大于同位电极,其中在异位电极结构中,在电极间距为6 mm、放电电压为20 k V、气体体积流量为1 m3/h条件下,放电功率为6.5 W,臭氧生成量为34.2μg/L,高于传统的面式电极结构下的臭氧生成量50%以上,且石英玻璃筒外低压电极侧同样存在等离子体反应,产生的活性物质的量约占管内生成量的26%。     

阵列电极流光放电处理苯乙烯的研究

针对放电预处理-形成气溶胶-电收集的挥发性有机物(VOCs)处理路线,建立基于阵列电极的流光放电系统,研究伏安特性、臭氧产生和苯乙烯去除,考察放电特性、苯乙烯处理能效、副产物控制和气溶胶的生成情况。结果表明:阵列电极直流放电能产生稳定的流光;臭氧产生量、苯乙烯去除量均和能量密度正相关;正极性比负极性的放电能效高,在放电间距为20mm时,正极性流光的臭氧产生和苯乙烯去除能效分别为0.55mol/(100 e V)和0.45mol/(100 e V);经流光放电处理后,苯乙烯聚合形成油状黄褐色气溶胶;XPS表征结果显示,气溶胶中C-C、C-H功能团的含量约为82.52%,且深度氧化产物-COOR、-COOH功能团很少。     

电极结构及填充介质对二氧化碳重整甲烷制合成气的影响

为了考察电极结构及填充介质对放电及二氧化碳重整效果的影响,对线管式介质阻挡放电(DBD)反应装置3种不同电极结构及下的电信号进行了测量,并分析了不同电极结构及不同形貌填充介质下的重整效果。结果表明:反应气体为CH_4和CO_2,DBD反应装置的内电极分别为光滑电极、螺纹电极、线圈电极时,反应装置放电起始电压依次减小。相同电压下,线圈电极下放电功率大于其他2个电极,CH_4和CO_2的转化率也高于其他2个电极所在的反应器,但是CO的选择性明显低于其他2个电极。在放电间隙填充介质后,介质表面形成极化电场,放电区域局部场强增大,促进CH_4和CO_2的分解,活性三氧化二铝小球对CO_2有一定的吸附性,填充三氧化二铝小球下CO_2的转化率高于玻璃珠填充;与球状填充介质相比,填充不规则块状活性三氧化二铝时,放电区域产生的局部电场放电强度增大,CH_4的转化率有明显的提升,但是与无填充相比其对CO_2转化影响很小。     

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。     

纳米填充浓度对LDPE/Silica纳米复合介质中空间电荷行为的影响

为研究纳米颗粒填充浓度对复合介质内部空间电荷特性的影响,以低密度聚乙烯(low-density polyethylene,LDPE)为基料,纳米二氧化硅(Silica)为填充颗粒,制备了浓度在0%～5%范围的纳米LDPE/Silica复合介质,并测试了复合介质的准稳态直流电导和空间电荷分布。当LDPE内填充不同浓度的纳米silica后,复合介质内部的平均体空间电荷密度均得到有效抑制,且其平均衰减速度随填充浓度的升高而下降,但复合介质的准稳态直流电导在填充浓度低于0.5%时比纯LDPE时要大,当填充浓度高于0.5%时,准稳态直流电导随着填充浓度的升高而快速下降。结果表明试样内部的空间电荷分布存在3种趋势:当纳米silica填充浓度为0%～0.1%时,试样内表面侧的异极性空间电荷量随填充浓度升高而下降;当填充浓度为0.5%～2%时,试样内表面侧积累同极性电荷,并随填充浓度升高而增大;当填充浓度高于2%时,同极性空间电荷量下降。最低空间电荷密度和准稳态直流高场电导对应的纳米填充浓度分别为0.5%和5%,表明在应用纳米颗粒对聚合物的绝缘性能改良时,为获得最佳的介电性能,应根据实际需求来选择适当的填充浓度。     

介质对臭氧发生器功率因数的影响

为探寻提高臭氧发生器功率因数、降低能量消耗的途径,优化臭氧发生器结构参数及其与高压高频电源的匹配,设计了介质阻挡放电型臭氧发生器试验系统,研究了介质材料、介质厚度以及放电气隙等因素对臭氧发生器功率因数的影响,并进行了理论分析。结果表明:选择相对介电常数较大、较薄的材料作为放电介质更易获得较大的功率因素;较小的放电气隙有利于提高放电的均匀性和功率因素;增大激励电压或频率同样会使功率因素增加。