冶兆年 盧慧泓 李惠 陳萌

[摘 要] 本文介紹了電暈放電、介質(zhì)阻擋放電、射頻放電、輝光放電、微波放電等可以產(chǎn)生等離子體的放電形式的特點(diǎn)，并著重介紹了利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體的方法。

[關(guān)鍵詞] 等離子體；汽車尾氣；NOx

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 05. 047

[中圖分類號(hào)] F273 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）05- 0113- 02

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)汽車的保有量也持續(xù)增加，由此而帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。其中汽車所產(chǎn)生的NOx是目前主要的大氣污染物之一?，F(xiàn)在，雖然有眾多的凈化技術(shù)，如三效催化技術(shù)等，但都存在著較大的局限性[1]。而本文所闡述的等離子體凈化技術(shù)則擁有處理效率較高、投資較少、運(yùn)行成本較低、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)點(diǎn)，其已經(jīng)成為了尾氣凈化研究的熱點(diǎn)。

1 等離子體凈化NOx的原理

等離子體凈化汽車尾氣中的氮氧化物主要是通過(guò)粒子非彈性碰撞。氣體在外加電場(chǎng)作用下，通過(guò)放電產(chǎn)生的高能量電子撞擊汽車尾氣中的N2、O2分子，使之離解成為具有較高活性的原子。在氣相化學(xué)過(guò)程中，具有活性的原子與尾氣中的NOx作用，還會(huì)產(chǎn)生其他種類的活性物質(zhì)，最終導(dǎo)致發(fā)生一連串復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。在這些反應(yīng)中，高能電子對(duì)反應(yīng)的程度起著決定性作用，其中最重要的影響因素是電子的平均能量、電子密度、氣體溫度等[2]。其反應(yīng)過(guò)程可以用如下方程式表示：

O2→2O（1）

O+N2→NO+N（2）

N+O2→NO+O（3）

NO+O→NO2（4）

NO+2OH-→NO2+H2O（5）

NO+HO2-→NO2+OH-（6）

3NO+O3→3NO2（7）

2 等離子體產(chǎn)生的方式

一般地，按照等離子體產(chǎn)生時(shí)壓強(qiáng)的范圍和電極的形狀共可將等離子體的產(chǎn)生方式分為五類，即電暈放電、射頻放電、輝光放電、微波放電和介質(zhì)阻擋放電等。

2.1 電暈等離子體放電

當(dāng)在電極兩端加上未達(dá)到擊穿電壓的較高電壓時(shí)，若電極表面附近的局部電場(chǎng)很強(qiáng)，則電極附近的常壓介質(zhì)會(huì)被局部擊穿從而產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象，其可以分為兩種即直流電暈放電和脈沖電暈放電，典型的電暈放電結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

2.2 射頻等離子體放電

射頻放電可以在常壓甚至加壓下工作，放電氣體并不需要與電極直接接觸，可以利用高頻電場(chǎng)通過(guò)電感耦合或電容耦合來(lái)產(chǎn)生等離子體，其中最常用的單頻電容耦合放電等離子體發(fā)生裝置如圖2所示。

輝光放電，雖然裝置較為簡(jiǎn)單，但是傳統(tǒng)的輝光放電工作氣壓過(guò)低，需要龐大而復(fù)雜的真空系統(tǒng)和相應(yīng)設(shè)備，不太利于汽車的使用環(huán)境，其典型的輝光放電如圖3所示[4]。

2.3 微波等離子體放電

利用微波放電產(chǎn)生等離子體是通過(guò)微波擊穿氣體，從而放電生成等離子體，其反應(yīng)的基本機(jī)理是將微波所具有的能量注入已經(jīng)充滿工質(zhì)氣體的放電腔中，隨著微波能量逐漸增大，會(huì)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)，達(dá)到一定閾值時(shí)就會(huì)擊穿氣體放電，產(chǎn)生大量的微波等離子體[5]。微波放電多采用無(wú)極放電，可以避免材料對(duì)電極的不利影響，對(duì)頻率和壓力要求較低但多容易形成火花放電，不利于尾氣的處理。

2.4 介質(zhì)阻擋等離子體放電

介質(zhì)阻擋放電（Dielectric Barrier Discharge，DBD）是一種在放電空間中插入絕緣介質(zhì)的一種氣體放電方法，我們既可以將介質(zhì)層附著在電極上，也可以將其懸置在放電空間。當(dāng)我們對(duì)兩個(gè)電極加以足夠大的高頻交流電壓時(shí)，兩電極間的氣體會(huì)被擊穿進(jìn)而形成所謂的介質(zhì)阻擋放電。我們通常采用的介質(zhì)阻擋放電和間隙結(jié)構(gòu)如圖4所示。下面我們拿比較簡(jiǎn)單的電極結(jié)構(gòu)作為例子，這些電極和間隙結(jié)構(gòu)既可以是平面形的，也可以是同軸圓柱體形的。結(jié)構(gòu)（a）是使用最為廣泛的放電類型，我們通常用它來(lái)制造臭氧發(fā)生器，它的特點(diǎn)是與其他類型相比結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，產(chǎn)生的熱量可以通過(guò)金屬電極散發(fā)。結(jié)構(gòu)（b）的特點(diǎn)是在兩層介質(zhì)之間放電，可以極大地防止金屬電極與放電的等離子體的直接接觸。對(duì)于純度較高的等離子體或腐蝕性氣體，這是一種較為理想的結(jié)構(gòu)。第三種結(jié)構(gòu)（c）可以同時(shí)在介質(zhì)的兩邊產(chǎn)生兩種組成成分互異的等離子體。在兩電極間安插介質(zhì)可以極大地防止局部火花或弧光放電在放電空間中的產(chǎn)生，而且可以在大氣壓強(qiáng)下產(chǎn)生較為穩(wěn)定的氣體放電[6]。

3 等離子體應(yīng)用于汽車尾氣中NOx凈化的展望

等離子體的產(chǎn)生是一個(gè)錯(cuò)綜復(fù)雜的過(guò)程，且生成等離子體的方式多種多樣，等離子體產(chǎn)生方式的不同直接決定了凈化器在汽車上的應(yīng)用效果。如前所述電暈放電產(chǎn)生的電子能量較低，且對(duì)電壓要求較高，導(dǎo)致其在汽車上使用時(shí)需要配備合適的變壓器，提高了整車質(zhì)量，不利于汽車的輕量化；與電暈放電類似，射頻放電需要高頻電壓，故需引入高頻電場(chǎng)，也使整車的質(zhì)量提高；輝光放電雖有著較為簡(jiǎn)單的放電系統(tǒng)，但其需要在低氣壓下工作，在凈化裝置內(nèi)無(wú)法給出相應(yīng)的低氣壓環(huán)境，故在汽車上的使用也較為困難；微波放電雖可避免氣體的電極的不利影響，但是容易產(chǎn)生火花放電，不利于放電過(guò)程的穩(wěn)定性。綜上所述，介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體具有采用強(qiáng)電離放電，電子的能量高于電暈放電，可以在常溫常壓下進(jìn)行，放電較為穩(wěn)定，放電過(guò)程容易控制，可以避免產(chǎn)生火花放電和電弧放電等諸多優(yōu)點(diǎn)，故更適宜應(yīng)用于機(jī)動(dòng)車尾氣中NOx的凈化。

注：陳萌，通訊作者。

主要參考文獻(xiàn)

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