大气压DBD氧等离子体反应器构建技术研究

摘要

高级氧化技术是解决饮用水污染问题的有效途径之一，其核心是羟自由基的制备。羟自由基属强氧化剂，氧化还原电位高，反应速度快，剩余的羟自由基可分解成氧气和水，无任何残留，可有效解决饮用水处理中存在的污染源多样、净化时间长、二次污染等难题。虽然产生羟自由基的途径很多，但多数存在技术工艺复杂，羟自由基产生浓度低等问题，仅有以高浓度氧活性粒子(Reactive Oxygen Species，ROS)为主导的反应途径，其制备的羟自由基浓度高、工艺相对简单、成本较低，最具可实现性。因此，能够产生高浓度氧活性粒子的等离子体反应器是制备羟自由基最为关键的核心组件。
　　 本文依托国家863计划课题（编号:2012AA062609），基于大气压强电场放电技术，以平板式大气压介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge，DBD)结构为基础，采用高纯度三氧化二铝为电介质层，构建完成了R-10/20型大气压DBD氧等离子体反应器模块，重点解决了矩形薄平板结构窄间隙放电、局域电场强化、电极腐蚀与密封、电介质高压电极制作等关键技术问题;在此基础上建立了大气压DBD氧等离子体反应器制作基本工艺;探索了R-10/20型大气压DBD氧等离子体反应器特性，主要成果有:
　　 1)设计制作了模块化大气压平板式DBD氧等离子体反应器，并对模块化的反应器性能进行了测试，得到的测试结果为:单模块反应器的浓度在3L/min流量下高于100g/m3，产量在流量为9L/min、浓度为54.2 g/m3下达到29.26g/h，能耗效率小于13.01kWh/kg;双模块串联反应器的浓度在流量为3L/min时高于142.3g/m3，产量在流量为9L/min、浓度为91.8 g/m3时达到49.57g/h，能耗效率小于11.89 kWh/kg;三模块串联反应器的浓度在流量为3L/min下达155.6 g/m3，产量在流量9L/min、浓度为116.9g/m3时达到63.12 g/h，能耗效率小于11.76 kWh/kg。
　　 2)优化了接地电极材料。分别实验比较了5052铝合金、304不锈钢和316L不锈钢材料制作的反应器的性能，在频率为6kHz、氧气流量为3L/min、冷却水温度为3.5℃下进行测试比较，结果显示铝合金反应器的浓度能够达到115 g/m3，304不锈钢反应器的浓度为110.7 g/m3，316L不锈钢反应器的浓度为94.9 g/m3。在解剖实验过程中发现金属接地电极表面均有固态粉末状产物，经扫描电镜等测试分析，该产物均为接地电极金属的氧化物。通过实验比较发现在强电离环境下不锈钢的抗氧化性要弱于5052铝合金。
　　 3)经过反复探索研究，建立了一套较为完整的大气压DBD氧等离子体反应器加工装配工艺，为今后的规模化生产大气压DBD氧等离子体反应器奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 非平衡等离子体概述及研究背景

1．2 介质阻挡放电反应器的研究现状

1．3 研制模块化大气压DBD氧等离子体源的意义

1．4 本文的主要内容

第2章 大气压非平衡氧等离子体反应器构成原理

2．1 DBD放电原理

2．1．1 DBD的微流注特性

2．1．2 DBD的微辉光特性

2．1．3 交替放电模式

2．2 平板式等离子体反应器的设计

2．2．1 氧等离子体反应器设计

2．2．2 氧等离子体反应器装配工艺

2．3 电介质层介电常数的测定

2．4 不同放电间隙平板等离子体反应器的对比

2．5 冷却水温度对等离子体反应器的影响

2．6 本章小结

第3章 强电离环境下DBD接地电极的抗氧化性能

3．1 实验检测平台

3．2 不同材料氧等离子体反应器的性能

3．3 接地电极表面产物测定分析

3．4 双电介质层等离子体反应器的性能对比

3．5 本章小结

第4章 模块化大气压DBD氧等离子体反应器的应用效能

4．1 单模块反应器的效能

4．2 双模块反应器的效能

4．3 三模块反应器的效能

4．4 模块化氧等离子体反应器的应用优势

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢