针对室内空气污染处理的交直流耦合大气压辉光放电

徐帅，汪春节，封宗瑜，肖德玲，孙艺娓，秦嘉莹，劳承云，罗汉兵，胡露，张坚，刘文正

(1.北京交通大学电气工程学院，北京 100044；2.珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海 519070；3.长江师范学院，重庆 408100)

随着社会经济的发展，居民对住宅室内装修的要求也越来越高。大规模装修材料和建筑材料的使用，使得室内空气中甲醛、总挥发性有机物(TVOC)等污染物的浓度超标，对人们的身体健康产生了影响。各种室内空气污染物对人体的毒性作用涉及到咽、鼻、喉等多个呼吸器官和神经、呼吸、免疫等多个系统。世界卫生组织也在《2002年世界卫生报告》中明确将室内空气污染列为人类健康的十大威胁之一[1-3]。目前，室内空气污染的净化方法有通风法、植物净化法、微生物法、物理化学吸附法、催化法和等离子体法等[4-8]。

低温等离子体中存在高能电子、激发态粒子及活性基团等，其被越来越多地应用于空气净化等领域。Yuan等采用电晕放电结合催化和物理吸附技术。结果表明，电晕放电可以有效地去除甲醛，二氧化锰的加入不仅可以加速降解速率，而且解决了臭氧过量的问题[9]。唐爱民等利用自制的电晕-介质阻挡协同放电低温等离子体降解大流量甲苯废气，得到甲苯气体降解率为94.93%，能量效率为0.63 g·(kW·h)-1[10]。

然而电晕放电为局部放电，等离子体密度较小。电弧放电放电电流大，放电通道收缩。辉光放电放电面积较大，等离子体密度较高，因此其具有很好的应用前景的。在一般情况下，辉光放电等离子体多在低气压或稀有气体环境下生成。通过介质阻挡放电抑制二次电子的产生，在氦等稀有气体中相对容易产生大气压辉光放电等离子体[11-13]。而在大气压空气环境下，由于电子平均自由程短、电极间电压高，放电很容易转变为丝状放电。目前，一些研究小组在大气压条件下，利用介质阻挡方式对辉光放电的形成进行了研究。Gherardi等人在氮气环境下发现，大量的种子电子的提供是形成辉光放电的前提[14]。清华大学的王新新等利用数值模拟计算了特定实验条件下的介质阻挡放电气隙中的电子崩发展过程。表明在2 mm以下的气隙中可能实现辉光放电，在5 mm以上的气隙中实现大气压空气辉光放电的关键在于降低放电电场强度[15]。Fang等人通过改变阻挡层的布置，在电极和PET膜之间插入额外的细丝网，在工频高压下得到了大气压空气辉光放电[16]。Asilevi等开发了一种实验室规模的介质阻挡放电反应器，产生了增强型大气非热等离子体来去除低浓度甲醛，去除率可达到99%[17]。但是大多数研究仍存在放电间隙较小、极间电压较高的问题。

刘文正等在前期研究中，采用接触式电极结构构造了非均匀分布的空间电场，在较低放电电压条件下实现了稳定的大气压空气辉光放电[18-19]。并且，利用碳纤维材料形成了碳纤维接触式电极结构，实现了稳定的大气压空气辉光放电[20-21]。在本文中，进一步提出了碳纤维螺旋电极与网状电极的交直流耦合放电模式。一方面，利用碳纤维螺旋电极结构的特点，在内电极绝缘层的表面形成了一定面积的交流辉光放电。另一方面，利用了交流放电产生的种子电子，在碳纤维螺旋电极与网状电极之间，形成了直流辉光放电。并利用生成的等离子体进行了室内空气净化实验研究。

1 实验装置

实验系统如图1所示，包括高频交流电源、恒直流高压电源、电信号测量系统和放电电极。自制高频交流电源输出波形为正弦波，其可输出的频率范围为6～15 kHz，可输出的交流电压最大值范围为0～4 kV。恒直流高压电源输出电压范围为2～30 kV。测量系统主要包括用于测量交、直流放电电极间电压U的Tektronix高压探头P6015A，用于测量放电电流I的Tektronix电压探头TPP0101和100 Ω测量电阻以及用于记录电压电流波形的泰克数字示波器TDS1012B-SC。另外，在直流放电回路中串联了一个阻值为2 MΩ的限流电阻，用于防止产生电弧放电。使用带微距镜头的尼康D750数码相机对放电现象进行拍照记录。

图1 实验系统示意图Fig.1 The schematic diagram of experimental system

放电电极结构如图2所示。放电电极主要包括碳纤维螺旋电极和网状电极。碳纤维螺旋电极由内电极、绝缘层和碳纤维电极组成。内电极为直径1.2 mm的镀银铜丝，绝缘层为厚度0.2 mm的聚四氟乙烯。碳纤维电极采用规格为1 K，单丝直径为7 μm的碳纤维束，将其以3 mm螺距紧密缠绕在绝缘层表面。网状电极为孔径2 mm、孔中心间距3 mm的冲孔金属网。两电极间距L为5 mm。在实验过程中，高频交流电源的高压端连接内电极，碳纤维电极接地，恒直流高压电源的高压端连接网状电极。

图2 放电电极结构示意图Fig.2 The schematic diagram of discharge electrode structure

2 碳纤维螺旋电极结构的特征

本节利用ANSYS Electronics仿真软件首先分析了碳纤维螺旋电极结构的电场分布，然后对其放电特性进行了讨论。

2.1 单根碳纤维螺旋电极结构的电场分布

采用静电场模型对电极结构的电场进行仿真。在仿真中，电极的尺寸按照上述放电电极具体尺寸，其中将碳纤维电极近似为一束宽1 mm、厚0.2 mm的带状结构。仿真区域将“Percentage Offset”设置每个方向均为1000%，边界条件为默认边界条件。由于在实验中施加的电压为交流±1.8 kV。因此，在仿真中内电极采用的电位为1.8 kV。

碳纤维螺旋电极的电场分布如图3所示。在绝缘层中存在的强电场区域不发生放电现象，需要探讨的是绝缘层外部空间电场。由图3(a)可以看出，碳纤维电极周围存在强电场区域。在绝缘层表面，碳纤维电极边缘的电场强度最大，达到1.56×107V·m-1；在螺距间中心处电场强度最小，为1.96×106V·m-1。整个碳纤维螺旋电极被厚度约为0.3 mm的强电场区域包裹，其电场强度大于1×106V·m-1。可以预见的是，随着一个周期内交流电压的增大，碰撞电离首先在接触点处发生，电离产生的带电粒子向周围扩散，为电场相对较弱的区域提供种子电子，促进较弱电场区域的碰撞电离。最终使整个碳纤维螺旋电极表面产生辉光放电。图3(b)为电极的电场线分布图。因在内电极上施加+1.8 kV电位，所以电场线都是从内电极出发，到达碳纤维电极表面，整个碳纤维螺旋电极被电场线包裹。而且，有一些电场线指向碳纤维螺旋电极外侧，这有利于强电场区域内产生的带电粒子向外弥散。这种非均匀电场线的路径为辉光放电的产生创造了条件。

(a)电场强度分布 (b)电场线分布图3 碳纤维螺旋电极的电场分布Fig.3 Electric field distribution of carbon fiber spiral electrode

2.2 单根碳纤维螺旋电极结构的放电特性

图4为大气压空气中碳纤维螺旋电极的放电现象及电压电流波形。放电现象在曝光时间1/15 s，感光度3200下拍摄。

图4 碳纤维螺旋电极的放电现象及电压电流波形Fig.4 Discharge phenomenon and voltage-current waveforms of carbon fiber spiral electrode

当电压为1 kV时，放电出现在碳纤维电极两侧附近；当电压为1.8 kV时，如图4(a)所示，除碳纤维电极表面，全部绝缘层表面都呈现出浅蓝色的辉光放电。图4(b)为放电时的电压电流。电压波形为频率13 kHz、幅值1.8 kV的正弦交流波形。因为碳纤维螺旋电极为容性负载，所以电流波形中存在容性电流，且在每半个周期内有多个电流脉冲。这是由于在介质阻挡放电过程中，绝缘层表面吸附电子后会形成与外加电场相反的电场，从而终止放电，形成断续脉冲型放电过程，放电在时间上是不连续的。而且该电极结构形成的是非均匀电场，其会导致在不同区域的放电强度并不相同，放电在空间上也是不均匀的。因此，在周期变化的波形基础上出现的脉冲电流为放电电流。由于图4(b)中的脉冲电流幅值为mA级，说明放电空间中并没有形成等离子体密度很高的放电通道，且在图4(a)中没有观察到发光明亮的细丝，放电现象呈现出弥散的特征，可以认为是辉光放电[21]。

3 交直流耦合电极结构的特征

本节针对交直流耦合电极结构的电场分布进行分析，并通过实验研究讨论了其放电特性。

3.1 交直流耦合电极结构的电场分布特征

交直流耦合电极结构如图2所示。网状电极上施加的电位为+7 kV，碳纤维电极接地，内电极分别施加+1.8和-1.8 kV电位，得到的电场分布如图5所示。

(a)+1.8 kV (b)-1.8 kV图5 内电极不同电位时的电场强度分布Fig.5 Electric field intensity distribution at different potentials of inner electrode

如图5(a)所示，当内电极电位为+1.8 kV时，与图3(a)相比，碳纤维电极近旁强电场区域扩大，最强电场仍在碳纤维与绝缘介质接触处，达到1.34×107V·m-1。在碳纤维螺距之间的电场强度下降，最小为2.1×105V·m-1。在碳纤维螺旋电极与网状电极之间的区域内电场强度整体维持在8.58×105V·m-1以上。如图5(b)所示，在内电极电位为-1.8 kV时，碳纤维螺距之间的电场强度有很大提高，最小为4.91×106V·m-1。由于内电极与网状电极之间的电位差增大，可以看到碳纤维螺旋电极与网状电极之间的区域内电场强度也进一步提高，整体维持在1×106V·m-1以上。

当网状电极施加-7 kV电位，内电极电位为+1.8 kV时，电场强度分布与图5(b)相同；内电极电位为-1.8 kV时，电场强度分布与图5(a)相同。但是，在网状电极分别施加+7和-7 kV电位，内电极电位保持+1.8 kV不变时，在网状电极与碳纤维螺旋电极间的电场线方向不同，如图6所示。

(a)+7 kV (b)-7 kV图6 网状电极不同电位时的电场线分布Fig.6 Distribution of electric field lines at different potentials of mesh electrodes

从图6可以看出，当网状电极施加+7 kV电位时，电场线由网状电极指向碳纤维螺旋电极，有利于交流放电产生的电子向空间漂移。反之，当网状电极施加-7 kV电位时，电场线由碳纤维螺旋电极指向网状电极，不利于交流放电产生的电子向空间漂移。另一方面，从图6(a)可以看出，在碳纤维螺距处存在由内电极指向碳纤维电极的电场线，使得整个绝缘层表面易于吸附电子。反之，图6(b)所示电场线使得放电产生的电子被压制在碳纤维电极附近，使得电子无法向周围扩散，对交、直流放电均产生不利的影响。

3.2 交直流耦合电极的放电特性

当交流电压为1.8 kV、直流电压为+7 kV时，曝光时间1 s，感光度6400的放电照片如图7所示。

由图7(a)可以看出，在碳纤维螺旋电极上产生了弥散的辉光放电，同时在直流放电空间内，每个碳纤维电极螺距内都和网状电极形成了大面积弥散的放电，且没有明亮的放电细丝产生。图7(b)为放电时的电压电流波形。从图中可以看到，相比图4(b)，电流脉冲幅值明显增加，但仍处于mA量级，没有形成较强的放电通道。因此该放电为辉光放电。网状电极施加正极性直流，不仅增强了碳纤维螺旋电极表面的放电强度，也使交流放电产生的电子向空间中漂移，使直流放电空间内产生了弥散型辉光放电。

图7 交直流耦合电极的放电现象及电压电流波形Fig.7 Discharge phenomenon and voltage-current waveforms of AC-DC coupled electrodes

4 室内空气净化

本节设计了一种空气净化装置，并对比了不同放电模式和不同风速条件下的室内空气净化效果。

4.1 空气净化装置及实验方法

空气净化装置如图8所示。放电电极包括两组交直流耦合电极，每组交直流耦合电极由10根长100 mm的碳纤维螺旋电极及一个面积为100 mm×100 mm的网状电极构成。碳纤维螺旋电极与网状电极间的间距为5 mm。垂直于纸面布置的相邻两根碳纤维螺旋电极间的间距为8 mm。两组电极之间的间距为10 mm。前后两列碳纤维螺旋电极在竖直方向相错约3 mm。放电电极放入一个横截面积为100 mm×100 mm的风道，其作用是限制空气净化装置每次只处理通过循环风扇引入的被污染空气，并从风道后方排出处理后的空气进入室内，降低室内污染物浓度。之后再重复此过程，从而达到循环处理室内污染空气的目的。

在自行搭建的1 m3的实验舱内进行空气净化实验，如图9所示。实验舱内包含搅拌风扇、循环风扇、空气净化装置以及空气综合检测仪。搅拌风扇用于充分混合舱内污染物与空气。循环风扇用于将舱内空气通入空气净化装置风道内。采用型号为Sensology MEF-500的空气综合检测仪对甲醛、TVOC和细颗粒物的浓度进行监控，其甲醛的测量精度为0.001 mg·m-3，最大量程为2.5 mg·m-3；TVOC的测量精度为0.001 mg·m-3，最大量程为9.959 mg·m-3；细颗粒物的测量精度为1 μg·m-3，最大量程为999 μg·m-3。采用香烟产生甲醛、TVOC和细颗粒物等污染物。在实验舱内每次实验点燃一支香烟，并开启搅拌风扇使污染物与空气充分混合。待香烟充分燃烧完成10 min后关闭搅拌风扇。静置混合气体10 min后，作为测定各污染物的时间起点t=0 min，并记录初始浓度c0。之后开启循环风扇及空气净化装置开始实验。试验过程中，每5 min采集1次数据，采样时间为60 min。

(a)空气净化装置立体图

(b)空气净化装置侧视图图8 空气净化装置示意图Fig.8 The schematic diagram of air purification device

图9 实验平台示意图Fig.9 Schematic diagram of the experimental platform

统计污染物浓度随时间的变化，根据公式(1)可计算得出污染物的衰减常数。计算公式如下

ct=c0e-kt

(1)

式中，ct为在时间t时的浓度；c0为在t=0时的初始浓度；k为衰减常数；t为时间。

4.2 空气净化效果

首先对实验舱内空气中的甲醛自然衰减过程进行了测量。图10为甲醛自然衰减曲线。

t/min图10 甲醛自然衰减曲线Fig.10 Natural decay curve of formaldehyde

在60 min内甲醛浓度从1.145衰减到1.056 mg·m-3，总量仅衰减了约7.77%，自衰减常数为0.001 44。

在实验过程中对比了两种不同放电模式的空气净化效果。交流放电模式为只在碳纤维螺旋电极施加1.8 kV交流电压，网状电极接地。放电现象如图4(a)所示。交直流耦合放电模式为在碳纤维螺旋电极施加1.8 kV交流电压的同时，在网状电极施加+7 kV直流电压。放电现象如图7(a)所示。图11为在风速1.2 m·s-1时甲醛及TVOC的处理效果图。

从中可以看出，相比交流放电模式，使用交直流耦合放电模式，对甲醛和TVOC的处理效果都有明显提高。在只有交流放电的模式下，甲醛浓度从1.226 mg·m-3降为0所用时间为约55 min，衰减常数约为0.051 27；在交直流耦合放电模式下，甲醛浓度从1.016 mg·m-3降为0所用时间为约40 min，衰减常数约为0.062 11。对于TVOC，在交流放电模式下，60 min内其浓度从9.959降到1.340 mg·m-3，去除约86.54%，衰减常数为0.034 7；在交直流耦合放电模式下，60 min内其浓度从9.959 mg·m-3降到0.362 mg·m-3，去除约96.37%，衰减常数为0.05457。甲醛净化实验中，甲醛浓度先上升后下降。其原因在于香烟燃烧过程中，电极上的碳纤维会吸附一部分甲醛。当循环风扇开启后，这部分甲醛会在气流的作用下从碳纤维中释放出来，使得空气中甲醛浓度有一定程度的上升。

t/min(a)甲醛

t/min(b)TVOC图11 不同放电模式下甲醛及TVOC处理效果Fig.11 Formaldehyde and TVOC treatment effects in different discharge modes

图12为在交直流耦合放电模式下，不同风速时的甲醛及TVOC处理效果。从图中可以看出，风速较小时，甲醛及TVOC浓度的下降速度都有所降低。当风速为0.7 m·s-1时，甲醛浓度从1.078 mg·m-3降低到0所用时间约为40 min，衰减常数约为0.052 15。TVOC在60 min内浓度从9.959 mg·m-3降低到1.211 mg·m-3，去除约87.84%，衰减常数约为0.035 05。风速较小时，空气进入到空气净化装置中的流量减少，需要更多的循环次数才能将污染物去除。因此，在净化装置空气净化能力一定的情况下，适当提高风速有利于提高净化效率。

由于采用交直流耦合放电可以使空气中的细颗粒物在通过放电区域时带电，并且在直流电场的作用下附着在网状电极表面，使空气净化装置具有了去除细颗粒物的能力。

图13为在交直流耦合放电模式下，风速1.2 m·s-1时的细颗粒物处理效果。从图中可以看出，在35 min内，细颗粒物浓度由999 μg·m-3下降到0，衰减常数为0.133 39。

t/min(a)甲醛

t/min(b)TVOC图12 不同风速下甲醛及TVOC处理效果Fig.12 Formaldehyde and TVOC treatment effects under different wind speed conditions

t/min图13 细颗粒物处理效果Fig.13 Treatment effect of fine particles

5 结论

本文基于碳纤维螺旋电极，提出了一种交直流耦合电极结构，实现了大气压空气中弥散的辉光放电。并通过仿真、实验和检测，研究了该电极结构的放电特性和室内空气净化效果。具体结论如下。

(1)采用碳纤维束紧密缠绕形成的碳纤维螺旋电极结构，在整个电极表面产生了包裹性的非均匀电场。在1.8 kV交流电压下形成了弥散的辉光放电。

(2)利用碳纤维螺旋电极与网电极构成交直流耦合电极。通过交流放电，为直流放电区域提供种子电子，降低了放电电压。在1.8 kV交流电压、+7 kV直流电压的条件下，产生了弥散的大面积辉光放电等离子体。

(3)采用交直流耦合电极，设计制作了空气净化装置。在交直流耦合放电模式下，净化装置具有处理甲醛、TVOC和细颗粒物的能力。在风速为1.2 m·s-1的条件下，甲醛、TVOC和细颗粒物分别在40 min、60 min和35 min内降到国家标准浓度以下。