双极性脉冲/负直流双源耦合激励滑动型沿面放电等离子体及其脱除VOCs的研究

In order to solve the problem of narrow plasma extension area and low electronic density of surface discharge, a method to generate sliding surface discharge driven by bipolar pulse power coupled with negative DC power was proposed, and which was employed to increase the energy efficiency of volatile organic compounds (VOCs). Two third electrodes are arranged on both sides of the original high-voltage electrode in surface discharge system and constitute the sliding surface discharge system. The original high-voltage electrode is powered by a nanosecond bipolar pulse power, which is conductive to enhance the electric field strength, providing more energetic electrons and active species. An electric filed parallel to dielectric barrier can be formed when the third electrode is powered by negative DC power, and then a sliding surface discharge is generated. The sliding surface discharge extends along the surface of dielectric barrier and fully covers the electrode gap. Optical emission spectroscopy, cavity ring-down spectroscopy, technique of instantaneous image grabbing, and schlieren technique are employed to study the characteristics of sliding discharge plasma and diagnosis the active species. The numerical simulation and simulation model methods were also used to analyze the mechanism of improving generation efficiency of energetic electrons and active species by sliding surface discharge plasma. The VOCs degradation mechanism by sliding surface discharge plasma was studied. The investigation of the project can provide references for the research of pollutants treatment by discharge plasma.

针对传统沿面放电等离子体延伸区域面积较小、高能电子密度较低等问题，提出采用双极性脉冲/负直流双源耦合激励产生滑动型沿面放电的方法，以提高放电等离子体处理挥发性有机物（VOCs）的能量效率。在沿面放电体系的高压电极两侧分别引入一个第三电极，构成滑动型沿面放电体系；采用双极性纳秒脉冲高压激励原有高压电极，提高放电空间的电场强度，增加高能电子和活性物质数量，采用负直流高压激励第三电极，形成一个平行于绝缘介质表面的电场，通过库仑力诱导沿面流光向外延展，从而在绝缘介质表面形成贯通整个电极间隙的滑动型沿面放电等离子体。利用发射光谱、光腔衰荡光谱、瞬态图像采集和纹影技术对滑动型沿面放电等离子体特性和生成的活性物质进行诊断研究，并结合数值模拟和仿真分析，揭示滑动型沿面放电提高高能电子和活性物质生成效率的机制，探讨滑动型沿面放电等离子体降解VOCs的作用机理，为放电等离子体对环境污染物的控制研究提供参考。

通过在沿面放电体系的高压电极两侧分别引入第三电极，构成三电极放电体系；采用纳秒脉冲高压激励原有高压电极产生高能电子和活性物质数量，采用负直流高压激励第三电极，通过增加介质表面电场诱导沿面流光向外延展，从而在介质表面形成贯通整个电极间隙的均匀、弥散等离子体层，最终达到提高等离子体降解挥发性有机废气效率和能量利用效率的目的。研究内容与结果如下：.（1）搭建了纳秒脉冲耦合直流的三电极放电装置及相应的电学测量、放电图像和光谱采集系统。利用ICCD高速相机对三电极放电反应器在不同脉冲和直流电压条件下放电形态进行研究，并与传统两电极反应器进行对比分析。测量了纳秒脉冲耦合直流滑动放电等离子体的发射光谱，并研究不同直流电压条件下活性粒子在介质表面径向的分布情况。利用N2(C3Πu→B3Πg)发射光谱拟合计算滑动沿面放电等离子体气体温度。结果表明，在第三电极上施加一定强度的负直流电压，可促使带电粒子在放电空间中的迁移，形成覆盖整个电极间隙的滑动沿面放电等离子体。与传统两电极沿面放电相比，滑动沿面放电中活性粒子的径向分布更均匀。滑动沿面等离子体气体温度随脉冲电压增加而提高，受直流电压影响较小。.（2）利用静电场基本理论和有限元计算方法，对滑动沿面放电过程进行数值模拟和仿真分析。仿真结果表明，脉冲电压幅值增大、介质厚度减小会使脉冲高压电极附近的场强明显增大，有利于空气击穿过程的发生；负直流电压幅值的增大、电极间距的减小有利于促进放电空间内电荷的迁移；滑动沿面放电正电荷数密度和漂移长度均明显大于传统型沿面放电，有利于促使沿面放电流光向外伸展，扩大放电流光面积。.（3）研究了不同电源极性、脉冲电压峰值、直流电压、脉冲成形电容等电气参数对滑动沿面放电形态和特性的影响。结果表明：当两电极上分别施加负脉冲和正直流电压时，仅在电极#1边缘处能够观察到表面流光通道。然而，当电极#1和电极#3上分别施加正脉冲和负直流电压时，表面流光向第三电极延展，形成滑动沿面放电。滑动沿面放电的能量主要由脉冲电压提供，而负直流电压对能量贡献较小。在滑动沿面放电过程中，纳秒脉冲高压主要用于气体激发，而直流电压的加入有利于提高带电粒子的迁移速率。本实验系统选择0.67 nF脉冲成形电容与反应器匹配最为合理。.（4）开展了纳秒脉冲耦合直流滑动沿面放电降解典型VOC—甲苯的可行性研究。结果表明，滑动沿面放电降解甲苯能力明显优于