电极结构对多孔陶瓷孔内微放电特性及苯降解的影响_商克峰.pdf

2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211891 电极结构对多孔陶瓷孔内微放电特性及苯降解的影响 商克峰1,2 曹无敌2 符梦辑1（1.大连理工大学电气工程学院 大连 116024 2.大连理工大学工业生态与环境工程教育部重点实验室 大连 116024）摘要 微放电可在小的空间中产生高密度等离子体，有利于气体污染物的高效处理。该文研究了电极结构及电极形状对多孔陶瓷孔内微放电特性及苯降解的影响。结果表明：在相同外加电压条件下，与二电极结构相比，三电极结构可生成更多的丝状放电通道，峰-峰电荷 Qpk-pk提高了3.2 倍，放电电荷 Qd提高了 4.4 倍，放电功率从 0.8W 提高到 8.6W，苯降解效率提高了 35.1%；网高压电极结构相比于弹簧电极，能够增加有效放电面积并增强放电强度，放电功率相较于弹簧电极构型提高约 4W，丝状放电通道能够充满放电空间，显著提高苯降解效率。关键词：介质阻挡放电 微放电 电极构型 苯降解 中图分类号：TM8 0 引言 介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge,DBD）是将绝缘介质放置于放电空间内的一种放电形式1。绝缘介质抑制放电向弧光或火花放电的转变，能够在常温常压下产生大量微放电通道，有利于稳定地生成等离子体2，在杀菌消毒3、臭氧合成4-6、材料表面改性7-8、气流控制9-10、环境保护11-15等领域得到了广泛关注。微放电是放电被限制在一个有限空间范围内的气体放电形式，因其具有高电子密度等特性而被广泛关注16。K.Hensel 等研究了由直流高压产生的多孔材料中微放电的形成，放电从表面放电延伸至陶瓷中，并且在材料内部观察到微放电17-18。D.B.Nguyen 等成功地在多孔蜂窝陶瓷反应器中产生等离子体，研究了体系内臭氧和氮氧化物的产生，发现该装置在降解有机化合物等方面具有一定优势19。此外，DBD 装置中电极结构对于放电特性和活性物质产生特性具有较大的影响20-21。李清泉等研究了网眼大小不同的丝网、不同结构形式的极板结构对介质阻挡放电的影响，发现采用针-板电极时容易形成稳定的放电22。商克峰等研究了阵列针电极、网电极、平板电极构型对 DBD 特性、臭氧生成特性的影响，发现网孔尺寸为 0.5mm0.5mm 的网电极放电时生成的臭氧质量浓度最高23。然而目前鲜有研究关注如何增强孔内微放电的强度用于提高活性物质生成，进而促进污染物分解。本文研究高压电极构型对多孔陶瓷孔内微放电特性的影响，并以苯作为目标物，考察了多孔陶瓷微放电等离子体降解挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds,VOCs）的效果。1 实验 1.1 实验装置 实验系统整体结构如图 1 所示，主要由放电装 图 1 实验系统整体结构 Fig.1 Schematic of experimental system 国家自然科学基金资助项目（51977024，21577011）。收稿日期 2021-11-18 改稿日期 2021-12-31 1688 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 置、工频交流电源、电气参数测试仪器（高压探头、低压探头和示波器）、配气系统、气相色谱仪等构成9。多孔陶瓷 DBD 结构放电装置如图 2 所示，二电极 DBD 装置缺少地电极，其中石英玻璃（厚1mm，外径 9mm）作为介质，不锈钢金属棒（外径7mm）作为地电极置于石英介质管内，304 不锈钢编制套网（10 目）作为高压电极放置于多孔陶瓷管外，放电区域长 50mm。多孔陶瓷管内径为 11mm，外径为 20mm，孔径为 60m，孔隙率为 30%。三电极 DBD 装置是在二电极结构基础上，将铝箔（厚0.8mm）附着于最外层石英玻璃管（内径 30mm，壁厚 1mm）上作为地电极，高压电极分别采用金属网和不同节距的不锈钢弹簧（弹簧线径 1mm，节距t 为 4mm 和 9mm）。图 2 多孔陶瓷 DBD 结构放电装置 Fig.2 DBD device with porous ceramics 1.2 实验方法 放电实验在室温、正常大气压条件下进行。放电装置由工频交流高压电源（060kV，50Hz）供电，采用电压探头（Tektronix P6015A）测量外加激励电压，并用电压探头（Tektronix P2220）测量监测采样电容（1F）两端的电压信号，以得到 Lissajous图形；采用电压探头（Tektronix TPPO200）测量采样电阻（100）两端的电压信号得到放电电流，由数字示波器（Tektronix TDS2024）监测电压、电流信号；放电功率、单个放电周期内的峰-峰电荷量Qpk-pk和放电电荷量 Qd通过 Lissajous 图形法计算24，等效总电容 Ccell、介质等效电容 Cd由 Lissajous 图形获得，气隙等效电容 Cg为 dcellgdcellC CCCC=（1）而气隙电压 ug和介质电压 ud的关系25为 mmgadadC uuuuuC=（2）式中，Cm和 um分别为采样电容值和采样电容两端的电压，本实验中 Cm为 1F；ua为外加电压。放电图像使用 Canon EOS 80D 相机拍摄。模拟废气中苯的浓度采用气相色谱仪（Shimadzu GC2010）测试，其降解效率（%）和能量效率EYg/(kWh)分别为 010100%CCC=（3）30Y601022.4MC VEP=（4）式中，C0和 C1分别为反应器进出口苯浓度，10-4%；M 为苯的摩尔质量，M=78.11g/mol；V 为气体流量，L/min；P 为放电功率，W。2 结果及讨论 2.1 电极构型对微放电特性的影响 二电极和三电极结构的电压 u 和电流 i 的波形如图 3 所示。实验中放电长度为 5cm，干燥空气流速为 1L/min，外加电压幅值为 18kV，频率为 50Hz。由图 3 可以看出，放电是典型的丝状 DBD 模式；通过对比二电极系统和三电极系统的电压电流波形，发现三电极系统中丝状电流脉冲通道数目明显增加，且电流幅值显著增强，说明增加电极数量可以有效提高放电强度。相比于二电极结构，在正半周期内，三电极结构除产生正向电流细丝外，还存在大量负向电流细丝，表明三电极的放电空间可以扩展到高压电极到地电极和高压电极到地电极两部分区 图 3 二电极和三电极结构的电压电流波形 Fig.3 Voltage and current waveforms of double and triple electrodes 第 38 卷第 6 期 商克峰等 电极结构对多孔陶瓷孔内微放电特性及苯降解的影响 1689 域，导致三电极系统结构比二电极结构产生更多数量的电流脉冲。外加电压 18kV 条件下的放电图像如图 4 所示，可以明显看出三电极结构放电时的放电强度远大于二电极结构，高压电极与地电极之间的空间内充满放电细丝，这也是三电极结构电流脉冲通道数量增加的原因。图 4 二电极和三电极的放电图像（18kV,f/2.8,ISO-12 800,2）Fig.4 Discharge pictures of double and triple electrodes(18kV,f/2.8,ISO-12 800,2)不同电极结构的 Lissajous 图形如图 5 所示。二电极 DBD 结构的 Lissajous 图形为标准的平行四边形，但是三电极结构的 Lissajous 图形由扁平的平行四边形变为面积更大的近似椭圆形。Lissajous 图形的左右对边和上下对边的斜率分别对应于放电发生和熄灭的有效电容，由于放电阶段电源向介质等效电容充电，故放电阶段对应的有效电容为介质等效电容，而熄灭阶段对应的有效电容为介质等效电容与气隙等效电容串联时的总电容26。图 5 二电极和三电极结构的 Lissajous 图形 Fig.5 Lissajous figures of double and triple electrodes 根据 Lissajous 图形计算得到的介质等效电容和总电容参数表明，当外加峰值电压为 18kV 时，二电极结构的气隙等效电容 Cg（0.17nF）与三电极结构的气隙等效电容 Cg（0.24nF）相当，但是三电极结构装置的介质等效电容 Cd（1.7nF）远大于二电极结构的 Cd（0.42nF），为二电极结构的 3.5 倍。在介质阻挡放电中，介质材料的介电常数 d与厚度 ld不变，介质等效电容与放电有效面积 S 成正比27，即 dddSCl（5）因此，在增加一个电极后，放电区域内放电更加强烈，放电细丝通道相应增加（如图 2 所示），导致放电有效面积增大，介质等效电容增大。同时，根据式（2）可知，相同外加电压下，三电极结构的气隙电压 ug较高，放电间隙内电场强度大，这可能是导致三电极结构的电流脉冲幅值与数量较多的原因。当外加峰值电压为 18kV，三电极结构中高压电极分别为网电极和弹簧电极（节距 t=4mm 和t=9mm）时的电压、电流波形如图 6 所示，放电图像如图 7 所示。从图 6 可以看出，高压电极为网电极时，电流脉冲数量与峰值都远大于弹簧电极的情况，在正半周期内，网电极结构的负向电流脉冲细丝数目明显增多。当弹簧电极作为高压电极时，节距较小的电极测得丝状电流脉冲相对更加强烈。从图 7 的放电图像可以看出，网电极结构的放电强度较高，相较于弹簧结构，其放电电流细丝能够充满放电空间。上述结果表明，放电电极的表面积越大，越有利于增多放电点位进而提高丝状脉冲放电通道。图 6 不同高压电极下的电压电流波形 Fig.6 Voltage and current waveforms of different high voltage electrodes 1690 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 图 7 不同高压电极下的放电图像（18kV,f/2.8,ISO-12 800,0.5）Fig.7 Discharge pictures of different high voltage electrodes(18kV,f/2.8,ISO-12 800,0.5)同 一 外 加 电 压 条 件 下，不 同 电 极 结 构 的Lissajous 图形如图 8 所示。从图 8 可以看出，当高压电极结构从网电极过渡到弹簧电极，并随着弹簧电极节距的增大，Lissajous 图形的形状逐渐趋于扁平。根据式（1）计算不同电极构型下等效电容参数可知，在相同外加峰值电压下，节距为 4mm 的弹簧电极介质电容 Cd（1.46nF）与气隙电容 Cg（0.2nF）略大于节距为 9mm 的弹簧电极结构（Cd=1.14nF,Cg=0.16nF），而网电极结构装置的介质电容 Cd（1.7nF）与气隙电容 Cg（0.24nF）均最大。由前文分析可知，等效电容大小反映放电有效面积，等效电容越大，放电通道扩散越大。因此可见网高压电极结构有利于放电细丝扩散，能够有效提高放电有效面积。同时根据式（2）可知，不同电极结构间的气隙电压 ug相差不大，而网高压电极可以有效增加放电面积和放电点位，导致丝状放电通道的数目和强度增加。图 8 不同高压电极下的 Lissajous 图形 Fig.8 Lissajous figures of different high voltage electrodes 2.2 电极数量及构型对放电功率的影响 不同电极数量条件下的放电功率如图 9a 所示，可以看出功率随着外加峰值电压增大而增加，同时三电极结构装置的放电功率均大于二电极结构，在外加峰值电压为 14kV 时，二电极结构装置的放电功率仅为 0.8W，而三电极结构装置的放电功率增加到 8.6W。图 9b 考察不同电极数量条件下的电荷特性，包括峰-峰电荷