磁场环境下针板DBD臭氧发生的参数影响

魏林生，徐龙圣，章亚芳，袁 萍

(南昌大学资源环境与化工学院，江西 南昌 330031)

臭氧具有较强的氧化性和环境友好性，广泛应用于饮用水净化、废水处理、空气净化、食品加工、化工生产等领域。近几十年来，人们对提高臭氧产率进行了大量的研究[1-4]。然而，商用臭氧发生器的臭氧产率仍然很低，与理论值相差甚远。臭氧通常是在气体放电中产生。为了提高臭氧的产生效率，人们尝试在电场上施加超声波[5]、紫外线[6]和磁场[7-9]等外界刺激。在这些外部刺激中，静止磁场因为不需要额外的能量从而表现出更好的性能。许多学者研究了外部磁场对气体放电基本特性的影响[10-12]。他们预言磁场增强可以应用于各种工业应用。在实际应用中,磁场被广泛应用于电除尘器[13]、聚电解质薄膜改性[14]、污染气体控制[15]，放电电磁辐射[16]等领域。

就放电特性方面，Pekarek[7-9]研究了在有气流的恒定磁场中，介质阻挡放电(DBD，Dielectric Barrier Discharge)产生氮氧化物的过程。结果表明，磁场可以改善放电特性和氮氧化物的产生。K.Elabbas[11]研究了横向磁场对低真空直流电晕放电行为的影响。Liu[12]等通过光电测量研究了平行磁场对重复纳秒脉冲DBD的影响。Mi Junfeng[13]等通过比较两种不同磁场对负电晕放电电流的影响，并揭示了磁场增强负电晕放电的机理。显然，外加磁场可以有效地改变放电特性。在介质阻挡放电过程中，放电特性的改变会决定臭氧发生器性能和效率，从而影响臭氧发生。然而，对于磁场作用下DBD臭氧发生的重要参数的影响鲜有报道。为此，本文通过进行磁场增强针板DBD臭氧发生实验，研究了不同放电电压、放电频率和气体流量下磁场对放电特性、臭氧发生的影响。所得结果对开发新型臭氧发生器具有重要意义。

1 实验装置

实验系统如图1所示。其中，放电室采用针板DBD结构(见图2)，其由70 mm长的纯铁空心针高压电极(外径/内径：8/6 mm)、1 mm厚的陶瓷板(相对介电常数为9.6)作为介质板、1 mm厚的接地铜板电极组成。放电间隙为1 mm。针电极同轴放置在静止磁场中。该磁场由Nd2Fe14B外/内径72/48 mm，高为6 mm的的圆环磁铁产生。空气以0.1 MPa的压力进入反应器，由流量控制装置(DF-07质量流量控制器；D08-3F质量流量显示仪)控制。臭氧浓度由臭氧浓度分析仪(LT-05m，IN China Inc，量程0～1 000 r·min-1，精度为30 r·min-1)测量。

放电由CTP-2000K交流高压电源(正弦交流，峰值电压0～30 kV，频率2～15 kHz)供电。使用数字示波器(泰克MDO3034)记录放电的电气特性。分别使用高压探针(P6015A)和电流探头(2878200mhz，Pearson)对外加电压和电流进行采样。霍尔探针和HT200高斯计(IN China Inc，①量程0～20 mT,精度0.01 mT；②量程0～200 mT时，精度为0.1 mT)测量环形磁铁外的磁场分布。

图3示出了磁感应矢量的轴向分量Bx和径向分量Br相对于径向位置r的关系

2 外加磁场对放电特性的影响

图4显示了有无磁场环境下典型的电压电流波形。从这些波形可以看出，随着磁场的加入，电流脉冲的数量增多，幅值增大，从而导致电流增加。

为了评估外加磁场对电荷传输的影响因素，本文通过一个公式来计算当空气通过空心针进入带有磁场的放电间隙中时的电荷传输[10]：

j=±μNE+νN±μN(ν×B)

(1)

式中：j为电流密度，A/m2；N=e·n等于带电粒子的密度，m-3；μ为带电粒子的迁移率，cm2/(V·s)；E为电场强度，V/m；ν为局部速度，m/s；B为磁感应强度，T。

如何评估式(1)中相关参数对电荷传输的影响是一个复杂的问题。其中一个问题是放电的电参数随电场和放电电流的正弦变化而变化。放电特性还受介质板表面电荷的积累、微放电通道内气温的变化和放电间隙预电离等因素的影响[17]。

另一个问题是当带电粒子进入到具有磁场的放电间隙中时，其将同时受到电场力和洛伦兹力的作用从而发生运动轨迹的改变。该力的体积密度为j×B，其不仅取决于电流密度和磁感应强度的大小，而且还取决于这两个矢量之间的夹角。带电粒子平行于磁力线的分量运动方向不会改变。当带电粒子与磁力线成一定角度时，其将在库仑力和洛伦兹力的作用下绕磁力线作偏转回旋运动。这将使得带电粒子有更长的路径和更小的平均自由程λ，从而增加带电粒子电离碰撞的概率[15,18]，导致放电电流的增加[19]。

3 磁场环境下臭氧产生的影响因素分析

3.1 放电电压对臭氧产生的影响

为了确定放电功率的平均值，在实验中定义为电压和电流在一段时间内的瞬时乘积，如下所示[20]：

(2)

式(2)中：T为电源周期；V(t)和I(t)分别为电压和电流信号，kV，A。

图5比较了有无磁场环境时臭氧浓度、臭氧产率和放电功率随放电电压的变化。由图5(a)可知，在磁场环境下，随着放电电压的升高，产生的臭氧浓度逐渐增加。放电间隙的折合场强因放电电压的增加而增加，加速了氧分子的解离速度，从而有利于促进更多的臭氧产生。此外，在特定电压下，有磁场环境下的放电产生的臭氧浓度高于没有磁场。同时随着放电电压的增加，磁场对臭氧产生的影响增大。当放电电压、放电频率和气体流量分别为8 kV，6.5 kHz和1 SLPM时，无磁场环境下的放电臭氧浓度为(745±64) r·min-1，而在有磁场环境下的放电时，臭氧浓度为(992±74) r·min-1，臭氧浓度提高了33.1%。

由图5(b)可知,在磁场环境下，臭氧产率随放电电压的增加而增加，但磁场作用下的臭氧产率的增加是微不足道的。这是因为添加磁场时臭氧浓度的增加与放电功率的增加是平衡的。另一个考虑因素是臭氧和功率测量中存在误差棒。因此，由磁场放电产生的臭氧浓度和臭氧产率不能同时增加。

放电频率一定时，不同放电电压下的放电功率见图5(c)。无论有无磁场环境下，放电电压的增大都会导致放电功率的提高。放电间隙的电压因为放电电压的增加而快速上升，使得单位周期内随机分布的电流细丝数目和传输电荷随着增加，从而放电功率增加。此外，还能观察到在特定放电电压和放电频率下，有磁场环境下的放电功率是高于没有磁场时的放电功率。在放电电压、放电频率和气体流量分别为8 kV，6.5 kHz和1 SLPM时放电功率提高了约22.9%。

通过考虑以下因素，可以定性地理解上述结果：首先，当电子离开空心针电极后会向接地铜板电极轴向移动，将受到体积密度为fe=Fen=qnE的电场力，其中n为电子密度。若将磁场B加入到放电间隙中时，带电粒子将同时受到洛伦兹力而运动轨迹发生改变。该力的体积密度为fm=Fn=qn(v×B)=j×B，该式表明此力受到电流密度和磁感应强度大小的影响。电流密度受放电电压的影响，其随着放电电压的增加而增加。因此，fm的体积密度也随着增大。综上所述，随着放电电压的增加，磁场对臭氧产生将有更积极的影响。此外，该力也受到两个矢量夹角的影响。放电间隙内磁力线和电力线的角度将影响到带电粒子的速度和运动方向。图3示出了放电间隙中磁感应的轴向和径向分量，同时由于放电间隙为1 mm。因此可知，放电间隙中磁感应强度的径向分量Br要小于轴向分量Bx。由此表明磁场主要影响的是带电粒子的径向运动而非轴向运动。而带电粒子的径向运动会使得其沿电介质板表面展开，这将使得磁场对带电粒子填充放电间隙有积极的效应，从而提高了相同放电电压下的放电功率。

3.2 气体流量对臭氧产生的影响

图6和7分别比较了不同放电电压和放电频率下，有无磁场时臭氧浓度、臭氧产率和放电功率随气体流量的变化。在不同放电电压和频率时，通过增加气体流量降低了放电产生的臭氧浓度。这一结果可以由气体流量的增加带来更多的气体分子到放电室的事实来解释，以几乎相同的功率输送到排放口的臭氧浓度应降低。另一个考虑因素是，空气停留在放电间隙的时间随气体流量的增大而减短，致使带电粒子间的碰撞几率大幅减少，不利于臭氧的产生[21]。气体流量的增大会提高臭氧产率。此外，磁场的应用对不同气体流量下的臭氧浓度也有积极的影响。当放电电压、放电频率和气体流量分别为6 kV，6.5 kHz和4 SLPM时，无磁场环境下的放电的臭氧浓度约为(103±11) r·min-1。但对于有磁场环境下的放电，该浓度可增加至约(128±15) r·min-1，臭氧浓度提高了约24.3%。

3.3 放电频率对臭氧产生的影响

臭氧浓度、臭氧产率和放电功率随放电频率变化曲线见图8。可以看到，在有无磁场环境下，随着放电频率的增加，臭氧浓度增加，臭氧产率略有下降，且放电功率也随之增加。此外，磁场的存在也会提高不同放电频率下臭氧浓度和放电功率。同时随着放电频率增加，磁场对臭氧产生和放电功率将有更积极影响。在放电电压、放电频率和气体流量分别为6 kV，6.5 kHz和3.5 SLPM时产生的臭氧浓度和放电功率分别增加了约24.3%，18.3%。

放电频率的增加促进比能的增加，单个分子的平均输入能量也随之增加，其次，放电间隙的容抗随着放电频率的增加而减小，单位时间内的电流脉冲个数随着放电频率的增加而增加，使得放电间隙内参与臭氧分子合成的高能粒子数量增多。综上所述，臭氧浓度和放电功率将随着放电频率的增加而不断上升。同时，放电频率的增加也会使磁增强效应更明显，这是因为电流密度j与f有关[22]，j与外加电压U和介质板材料相对介电常数εd成正比，而与气隙相对介电常数εg成反比。且随着放电频率f的增加，介质层等效电容Cd增加，放电间隙等效电容Cg减小。因此，放电电流密度j随放电频率的增加而增加，从而使得fm的体积密度更高。

4 结论

本文采用磁场增强针板DBD臭氧发生装置，综合研究了在磁场环境下放电电压、放电频率和气体流量对针板DBD臭氧发生的影响。实验结果表明：

(1) 磁场可以增加放电电流，这是因为磁场的加入导致带电粒子的偏转，从而导致其在两电极间的路径增长，预计会增加电离碰撞，进而产生高的放电电流。同时也使放电空间产生更多的电离粒子,磁场有助于电离粒子填满放电空间,在8 kV，6.5 kHz和1 SLPM下放电功率约提高了22.9%。

(2) 在磁场环境下,随着放电电压的增加，臭氧浓度、臭氧产率和放电功率随之增加，无磁场时的情况也是如此。同时磁场对臭氧浓度和放电功率有积极的影响，且随着放电电压的增大，这种影响将更明显。臭氧浓度在8 kV，6.5 kHz和1 SLPM下增加约33.1%。然而，磁场并不能显著增加臭氧产率。

(3) 在磁场环境下，固定放电电压和频率时，气体流量的增加会降低放电产生的臭氧浓度。相反，臭氧产率则随着气体流量的增大而逐渐增大。

(4) 在磁场环境下，随着放电频率的增加，臭氧浓度和放电功率增加，而臭氧产率略有下降。同时磁场能增加臭氧浓度和放电功率，且随着放电频率的增加，磁场对臭氧浓度和放电功率将有更积极的影响。