电极材料及放电间隙结构对臭氧合成影响的实验研究

摘要

臭氧因其强氧化性、环保性等优点大量地被应用于诸多领域。利用介质阻挡放电(DBD)等离子体制备臭氧是应用最为广泛的方法。目前商用DBD臭氧发生器臭的氧制取能效距离理论值相差甚远，浓度普遍较低。提高臭氧制取能效的核心在于提高等离子体离解氧气分子产生氧原子的效率，利用催化方法降低氧气分子离解势能则可能是提高能效的有效途径。等离子体对臭氧分解也是影响臭氧浓度的重要因素，降低氧气分子离解势能的催化剂也极可能催化降解臭氧分子。等离子体影响臭氧合成与分解的关键在于等离子体能量特别是电子能量的时空分布，对其控制的主要手段在于DBD放电间隙结构设计。本论文主要研究了不同材料裸露电极、介质层表面和等离子体对臭氧合成与分解的协同催化作用和不同间隙结构DBD臭氧合成的效果。主要研究内容和结果如下:
　　1.裸露电极与介质阻挡层表面的催化作用
　　(1)在同轴圆柱型臭氧发生器中，采用裸露不锈钢电极和紫铜电极，通过长时间放电验证了“零臭氧现象”（随放电时间延长臭氧浓度出现明显下降的现象）。“零臭氧现象”是由金属电极表面氧化物对臭氧的催化分解作用引起的，随着放电时间的增加，金属氧化物在电极表面逐渐积累，对臭氧的催化分解作用也随之增强，且铜电极表面催化分解臭氧的能力高于不锈钢电极。
　　(2)在原料气体中添加一定比例的氮气，在等离子体中产生的氮氧化物可以使电极表面金属氧化物失去催化活性，从而抑制或消除“零臭氧现象”;通过不同的间隙和填充颗粒系列实验对比分析，最佳的氮气添加比例和放电区域内的折合场强（平均电子能量）反相关。
　　(3)裸露铜、不锈钢电极表面的金属氧化物与γ-Al2O3介质阻挡层表面在DBD放电中可与等离子体协同作用，在低功率放电或臭氧浓度较小时，催化氧气离解，提高臭氧生成效率;在高功率放电或高臭氧浓度情况下，催化臭氧分解作用要显著强于氧气分解作用，从而降低臭氧浓度和能量效率。
　　2.放电间隙结构对臭氧发生器性能的影响
　　(1)比较了不同间隙宽度的DBD臭氧制备性能，进行了1mm～2mm线性变放电间隙提高臭氧制备效率的尝试。气体从大间隙流向小间隙时，臭氧制取能量效率高于气体反向流动时的能量效率，但两种进气方式的能量效率均低于1mmDBD，放电功率密度未能合理匹配可能是其原因。
　　(2)比较了不同粒径的颗粒填充DBD臭氧制备性能，在相同的间隙里分段填充不同尺寸的颗粒，结果显示:组合颗粒填充可以提高填充床臭氧制取能效;气体流向从大颗粒填充段流向小颗粒填充段时，放电在全管段内均匀发生，能效较高，气体反向流动时，小颗粒段不见放电，能效较低;两者能效都高于小粒径颗粒单独填充DBD。
　　(3)设计了一种三角槽型间隙平板DBD装置，槽深2mm，槽底夹角分别为60°、90°、120°。起始放电位于介质阻挡层顶端与电极接触处，随着施加电压的提高，在固定间隙位置有放电通道，放电通道沿槽型面向下延伸。60°槽板具有最高的臭氧浓度和能效;在实验条件范围内，臭氧制取能效随着电源频率降低而增大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 臭氧基本物理化学特性

1．1．1 臭氧的物理性质

1．1．2 臭氧的化学性质

1．1．3 臭氧的毒性

1．2 臭氧的应用领域

1．3 臭氧的制取途径

1．3．1 紫外辐射法与电解法

1．3．2 介质阻挡放电法

1．3．3 填充床介质阻挡放电法制臭氧

1．4 本文的主要研究内容和组织结构

第2章 实验装置与实验方法

2．1 臭氧发生器结构

2．1．1 同轴圆柱填充床臭氧发生器结构

2．1．2 平板型臭氧发生器结构设计

2．2 电源与电信号采集系统

2．3 冷却系统

2．4 原料气体和臭氧浓度检测

2．4．1 原料气体

2．4．2 臭氧浓度检测

2．5 介质阻挡层及填充颗粒材料

2．6 实验误差分析

2．6．1 实验条件误差

2．6．2 测量误差

第3章 电极材料对臭氧合成与分解的催化作用

3．1 金属裸电极的催化作用

3．1．1 不同电极材料的臭氧制取效果

3．1．2 “零臭氧现象”及其原因分析

3．2 颗粒填充和氮气添加对臭氧合成的影响

3．2．1 颗粒填充对臭氧合成的影响

3．2．2 氮气添加对“零臭氧现象”的抑制作用

3．2．3 不同氮气添加比例实验效果对比

3．2．4 最佳氮气添加比例与E／N的关系

3．3 介质层表面的催化作用

第4章 放电间隙结构对臭氧合成的影响

4．1 线性变放电间隙臭氧制取性能

4．2 填充不同粒径介电颗粒臭氧制取性能

4．3 不同粒径介电颗粒组合填充

4．4 三角槽型放电间隙结构

4．4．1 放电发展过程

4．4．2 臭氧制取效果对比

4．5 工艺参数对臭氧制取性能的影响

4．5．1 原料气体流量

4．5．2 电源频率

4．5．3 冷却水温度及流向

第5章 结论与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他成绩