【摘 要】
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介质阻挡放电（DBD）可以在常温常压环境下产生低温等离子体,在挥发性有机物（VOCs）处理等工业领域应用广泛。传统DBD采用交流源作为激励,近年来随着脉冲技术的发展,采用脉冲源作为激励可提高放电强度以及等离子体化学活性。然而,如何在现有基础上产生密度更高、化学活性更强的脉冲DBD等离子体,对于提高其在VOCs处理等工业中的应用效果至关重要。为此,本文利用永磁体对放电空间引入垂直磁场,从电学特性、光
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介质阻挡放电（DBD）可以在常温常压环境下产生低温等离子体,在挥发性有机物（VOCs）处理等工业领域应用广泛。传统DBD采用交流源作为激励,近年来随着脉冲技术的发展,采用脉冲源作为激励可提高放电强度以及等离子体化学活性。然而,如何在现有基础上产生密度更高、化学活性更强的脉冲DBD等离子体,对于提高其在VOCs处理等工业中的应用效果至关重要。为此,本文利用永磁体对放电空间引入垂直磁场,从电学特性、光学特性、活性粒子生成等角度研究了垂直磁场对脉冲DBD等离子体特性的影响,并对其作用机制进行了分析。在此基础上开展了垂直磁场辅助脉冲DBD等离子体降解VOCs实验。本文主要的研究工作总结如下:研究了垂直磁场对脉冲DBD等离子体特性的影响,施加垂直磁场后电子在放电空间内的拉莫回旋运动以及漂移运动加剧了电子与气体分子的碰撞电离过程,使放电电流、放电能量、光信号强度以及活性粒子的产量均得到明显提高。同时,垂直磁场存在时一次流光和二次流光的亮度提高、传播速度加快、存留周期延长,并且二次流光在传播过程中所形成的流光通道面积明显增加。引入垂直磁场后放电过程中臭氧生成浓度及其能量效率均提高。此外,利用垂直磁场辅助脉冲DBD等离子体对甲苯进行降解,电子数目的增加有利于电子碰撞甲苯的C-H化学键使其断裂,活性粒子产量的增加则有利于将甲苯的中间产物进一步矿化为二氧化碳。相比传统DBD等离子体,利用磁场辅助DBD能够提高等离子体对VOCs的降解能力。考察了脉冲参数对垂直磁场辅助脉冲DBD等离子体特性的影响,当脉冲平顶宽度变化时,垂直磁场存在条件下放电强度提高,放电产生更多的激发态氮分子N2（C-B）以及羟基自由基OH（A-X）。在脉冲平顶宽度为0 ns时放电强度最高,被磁化电子数目最多,因此在施加磁场后放电强度提升幅度最高。当脉冲上升时间变化时,缩短脉冲脉冲上升时间使得放电空间中电场变化率提高,放电实际击穿电压增加,一方面高能电子数目的增加使其受磁场的洛伦兹力增大,另一方面放电强度的提高使得空间中有更多的电子被磁化,因此在短脉冲上升时间下磁场对放电的作用效果进一步增强。同时,缩短脉冲上升时间有利于磁场作用下放电臭氧产量以及等离子体VOCs降解能力的进一步提高。探究了气相参数条件对垂直磁场辅助脉冲DBD等离子体特性的影响,当空气流速发生变化时,气流的引入对石英内壁积累的正电荷具有移除效应,有利于放电的发展,而施加垂直磁场后电子和气体分子的碰撞激发过程加剧,因此在磁场和气流的共同作用下放电强度进一步提高。以空气、氮气、氩气为背景气体,施加磁场后依次在更低的脉冲激励电压下获得了更高的放电强度以及VOCs降解效率的提升。这是因为在空气、氮气、氩气中放电时,施加磁场后电子能量依次更多的用于加剧电子与气体分子间的碰撞激发反应,同时放电强度的相继提高也使得施加磁场后被磁化电子数目相应增多。在氮气-氧气掺杂比发生变化时,垂直磁场对放电的增强幅度随着氧气掺杂量的增加而减小。由于氧气掺杂量的增加使放电强度降低,被磁化电子数目减少,同时氧气作为电负性气体将吸附电子,削弱了电子与气体分子的碰撞电离过程,从而使磁场对放电的作用效果减弱。
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