大气压脉冲介质阻挡放电等离子体研究进展*

唐诗雅，刘全桢，王世强，关银霞，牟洪祥，李栖楠

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266071)

近些年来，低温等离子体在环境污染物处理、生物医学、材料表面改性以及辅助燃烧等领域发展迅速。尤其是低温等离子体技术处理挥发性有机气体(VOCs)方面，因其工艺简单、运行管理方便引起国内外研究者们和生产企业的极大兴趣[1]。产生低温等离子体的气体放电形式多样，根据放电结构主要分为介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)、沿面放电(surface discharge)、滑动放电(gliding discharge)、射流放电(jet discharge)等。以上几种放电形式在低温等离子体处理VOCs中均有应用，其中介质阻挡放电结构简单易实现、降解效率高，因而成为最常用的工业应用形式之一，受到广泛关注[2]。

通常的介质阻挡放电(DBD)采用连续几到几十kHz的正弦波高压源(即交流高压)来驱动。放电过程中，在连续激励电压的作用下，极易转变为非均匀放电模式(如火花放电等)，而且放电腔体、放电电极和中性气体将被加热，导致能量利用效率不高，更重要的是，反应器过热会对装置安全运行带来隐患。因此，新的等离子体激励源成为制约介质阻挡放电扩大应用的瓶颈之一[1]。对于介质阻挡放电形式，除了交流放电(AC discharge)，可采用的激励源(即电源)还有脉冲放电(pulsed discharge)。脉冲电源能够提供高功率密度，高E/N(折合电场强度)积累高能电子电离气体，产生具有高反应效率的大气压等离子体，促进一些常规条件下无法实现的反应发生，并且反应体系接近室温。这不仅极大地节约了能耗，而且避免了由于过热带来的安全隐患，保障了装置的长周期稳定运行。综上所述，脉冲介质阻挡放电等离子体是一项有潜力的重要应用基础研究，可以拓宽大气压空气放电等离子体的应用领域，促进民用脉冲电源技术的发展。

本文从脉冲等离子体电学特性、实际应用以及难点挑战3个角度综述大气压脉冲介质阻挡放电的研究进展。

1 脉冲介质阻挡放电等离子体电学特性

脉冲气体放电具有极短的上升沿及脉宽时间。脉冲电压能够使电子在极短时间内充分加速以达到极高能量(通常为2～20 eV)，并在极短时间内消失，施加的能量几乎都用于气体电离、分子解离碰撞等过程，产生大量活性物种[3]。气体分子几乎不会被加热，使得气体温度通常维持在室温状态。因此，脉冲气体放电具有很高的能量利用效率。同时，脉冲的快速上升沿使得流柱发展时间小于流柱理论中的光电离时间，可有效抑制放电向非均匀放电(如火花放电)转变，从而获得均匀放电。随着脉冲技术的不断发展，目前脉冲的上升沿和脉宽时间可达到纳秒数量级，称为纳秒脉冲(nanosecond pulsed discharge)。以下将从电学特性描述脉冲介质阻挡放电特征。

1.1 放电均匀性

DBD的放电特性中最为关注的是放电均匀性。近十年来，利用纳秒脉冲电源激励介质阻挡放电产生均匀放电等离子体取得了不少优秀的成果[4,5]。国际上Laroussi等采用微秒脉冲方波，通过5 ns曝光时间的高速相机拍摄获得了一次放电和二次放电的发展过程。Walsh小组在脉冲上升沿10 ns、脉宽65 ns和频率5 kHz的条件下也获得了均匀介质阻挡放电低温等离子体。当气体间隙距离逐渐增大时，逐渐出现肉眼可观察到的丝状放电纹路。此外，通过2 ns曝光时间的高速摄像观察到了大气压空气中纳秒脉冲DBD的发展过程，首次证实了气隙≤2 mm大气压空气均匀放电的存在，为在大气压下实现均匀放电提供了有利的实验基础。

1.2 电气参数

关于特征电气参数，典型交流、微秒脉冲和纳秒脉冲DBD特征参数对比如表1所示(表中微放电直径以100 μm计)。可见，交流DBD<微秒脉冲DBD<纳秒脉冲DBD。纳秒脉冲DBD的微放电电流密度估算约为106A/cm2，远大于交流DBD的微放电电流密度。此外，纳秒脉冲DBD的微放电电子温度约为10 eV，高于交流DBD的微放电电子温度。纳秒脉冲下发生的是典型的过电压击穿，具有相当高的初始电场强度，在纳秒时间内达到的放电电流和功率都远高于交流DBD。尽管如此，纳秒脉冲DBD长时间运行后并没有发现过热现象，电极和介质温升均不高。相对应地，在高频高压交流DBD经常出现热点而烧穿介质的现象[5]。

表1 交流、微秒脉冲和纳秒脉冲介质阻挡(DBD)放电特征参数对比

2 脉冲介质阻挡放电等离子体应用

2.1 VOCs处理

梳理归纳了近十年来脉冲电源驱动下，降解不同VOC气体的研究结果，涉及烃类、小分子醛酮、卤代物以及苯系物，如表2所示。应用脉冲电源的等离子体放电结构主要有电晕和介质阻挡。苯、甲苯依然是较难降解的一类化合物，其次是甲烷、丙烷等小分子烃类。大连理工大学Jiang等[6]运用沿面和填充床复合放电形式处理流速为0.5 L/min、浓度为400×10-6的苯，降解率最高为75%。当注入能量均为299 J/L时，采用双极性脉冲电源的降解效率为67%，相对应的采用传统交流电源的降解效率为58%。Wang小组使用正极性脉冲电源，通过电晕放电模式处理流速为0.3 L/min、浓度为80×10-6的苯，降解率最高达52%[7]。此外，对于甲苯、氯苯以及小分子烃类通过脉冲电源与加热方式或者催化剂联用，可以取得比单一放电处理更优的结果。

表2 脉冲电源降解不同VOCs气体

2.2 材料表面处理

放电等离子体材料表面改性是放电等离子体的传统应用领域。通过等离子体处理可以改善聚合物材料、纤维材料、金属、非金属以及生物材料的表面能较低、表面粘接性差、亲水性差、电学性能差等缺点。研究认为，均匀等离子体对表面的改善效果要远远优于非均匀等离子体。均匀等离子体放电产生热低，能耗低，可以简化或免去了常用的电极冷却系统，使放电系统的空间结构大大简化，更有利于对放电的控制。邵涛等[18]采用上升沿15 ns的脉冲电源在空气中分别获得了典型的均匀放电和丝状放电，用于处理聚乙烯材料。结果表明与丝状放电相比，均匀放电在消耗更低平均功率密度的条件下能够获得更为均匀的处理效果。

3 结语

近年来，放电等离子体作为一种新型的能源载体，符合国家节能减排的战略需求，在社会经济发展和国防领域中有着广泛应用。从生物医学应用、新能源太阳电池背膜、柔性薄膜电路板、纳米光电子学、自由电子激光器、等离子体推进器等高科技领域到废气废水及有机污染物等环保处理都呈现出越来越广阔的应用前景。脉冲电源能够提供高功率密度、高E/N，激发出具有高反应效率活性粒子的大气压等离子体。随着需求和应用领域的不断深入和拓展，主要存在以下几个方面的难点和挑战。

a)脉冲气体放电等离子体产生和作用机理。虽然目前有多种能解释现象的机理假说存在，但仍然存在争议。另外，等离子体的诊断方法，尤其是瞬态物质的判定和测量有限。使得脉冲气体放电等离子体产生和作用机理成为一大难点。

b)大气压下大面积均匀放电产生技术。目前仅能在≤2 mm间隙中利用脉冲DBD激励大气压空气产生均匀放电，或者利用陡上升沿产生弥散放电，又或加热空气获得大气压均匀放电，但以上这些形式仍然离实际工业应用有较大距离，大尺度极难均匀放电，加工成本过高。

c)紧凑型纳秒脉冲电源技术。为了满足不断增长的工业化应用需求，不降低脉冲参数的条件下如何压缩脉冲电源的体积，同时要考虑开关器件的散热，对纳秒脉冲电源开发提出了实际应用的挑战。