8-電暈和輝光放電等離子體技術與應用

8電暈和輝光放電等離子體技術與應用8.1電暈和輝光放電等離子體機理分析8.1.1電暈放電電暈放電常采用非對稱電極（如針-板電極、針-針電極等），在電極曲率半徑小的地方電場強度特別高，容易形成電子發(fā)射和氣體電離，可在常壓條件下形成電暈。針電極平板電極進氣口出氣口等離子體區(qū)催化劑10-1010-810-610-410-211001000電流I/AVBA輝光放電暗放電弧光放電湯森區(qū)BDFF′GHJCEIK本底電離飽和區(qū)電暈擊穿電壓正常輝光異常輝光Themal輝光到弧光的躍變V<1/I電壓/Ｖ氣體放電伏安特性曲線直流電暈交流電暈高頻電暈根據(jù)放電產(chǎn)生電暈的電源來源和頻率可分為正電暈負電暈電暈放電類型爆發(fā)式脈沖電暈流注電暈輝光電暈特里切爾電暈正負電暈的形成機理負電暈的形成機理——場生雪崩放電理論：針狀陰極電暈發(fā)光區(qū)內(nèi)存在較強烈的電離與激發(fā)，電流密度大，在負電暈的外圍只存在單一的帶負電的粒子。正電暈的形成機理——流光理論：一旦產(chǎn)生正電暈放電，電暈層內(nèi)強電場中激發(fā)粒子的光輻射產(chǎn)生電子即光致電離，所形成的電子在電暈層中引起雪崩放電，產(chǎn)生大量激發(fā)和電離，最后電子被陽極收集，正離子經(jīng)過電暈層，進入電暈外圍向陰極遷移。根據(jù)能量提供方式，金屬中電子發(fā)射可分為以下幾種情況：高溫導致的熱電子發(fā)射；強電場導致的場致發(fā)射；光照導致的光致發(fā)射；電子撞擊產(chǎn)生的次級電子發(fā)射；金屬表面力學作用（摩擦、形變等）或化學反應導致的自由電子發(fā)射10-1010-810-610-410-211001000電流I/AVBA輝光放電暗放電弧光放電湯森區(qū)BDFF′GHJCEIK本底電離飽和區(qū)電暈擊穿電壓正常輝光異常輝光Themal輝光到弧光的躍變V<1/I電壓/Ｖ氣體放電伏安特性曲線8.1.2輝光放電陽極陰極放電管雙探針螺母，旋開后可調(diào)節(jié)極距DH2005型直流輝光放電等離子體裝置：等離子體輝光放電的唯相結(jié)構(gòu)陽極輝區(qū)正柱區(qū)法拉第暗區(qū)陰極輝區(qū)阿斯頓暗區(qū)陽極暗區(qū)和負極輝光區(qū)在實驗中并沒有觀測到;電壓增大，正柱區(qū)長度減小正柱區(qū)一端是半球體，可能是未電離的氬氣流動對輝光放電的影響d=155mm,P=40Pa實驗中觀察到的各區(qū)分布圖一些情況下的輝光圖片對于外加磁場等離子體輝光現(xiàn)象的描述正柱區(qū)有周期性明暗變化不加磁場前8.2等離子體鞘層效應8.2.1等離子體鞘層效應（1）鞘層模型當?shù)入x子體空間遇到固體（電極、反應器壁、催化劑等）時，會在固體表面產(chǎn)生電荷積累，形成等離子體鞘層。當?shù)入x子體電位高于固體電位時，在固體電位附近吸引正離子形成了離子包圍的電荷層，稱為離子鞘；反之，等離子體電位低于固體電位時，在固體電位附近吸引電子排斥離子，形成電子包圍的電荷層，稱為電子鞘。通常，等離子體鞘層與等離子體之間有一段準中性等離子體過渡區(qū)。表征固體表面等離子體鞘層特征的重要參數(shù)包括：鞘層的厚度XS、固體表面電位V0、鞘層電子密度ne、離子密度ni、電位梯度V(x)等------等離子體鞘層XSV0V0等離子體ni≈neV(x)≈0Ni(X)>ne(X)V(x)<0固體（2）鞘層厚度在冷等離子體中，Te》Ti，因此鞘層的有效厚度為表明固體鞘層厚度隨離子溫度上升而增加，隨等離子體內(nèi)離子密度增加而減小。（3）固體表面電位上式表明，固體表面為負電位，電位絕對值隨電子溫度增加而上升，隨離子溫度增加而下降。在冷等離子體中，電子溫度與離子溫度的非平衡性，使得固體表面具有較大的負電位。（4）鞘層效應對催化劑功能的影響電暈等離子體中的催化劑表面將形成鞘層，具有負電位，假如在甲烷冷等離子體中，平均電子溫度為6.0eV，平均離子溫度為1/30eV時，催化劑表面的電位約為33eV。該電位會影響催化劑表面的特征（如金屬催化劑表面電子功函數(shù)），導致催化性能改變。8.3電暈和輝光放電等離子體技術在化工中的應用——甲烷和二氧化碳制合成氣、甲烷偶聯(lián)制碳二烴8.3.1利用電暈放電冷等離子體技術，甲烷和二氧化碳制合成氣（1）CH4-CO2反應體系的熱力學分析CH4+CO2——2CO+2H2CO2+H2——CO+H2O2CH4——C2H2+3H2C2H2——2C+H2CH4+4H2——CH4+2H2O2CO——C+CO2CH4——2C+2H2（2）甲烷和二氧化碳制合成氣實驗CO2CH4反應器 四級質(zhì)譜儀多功能等離子體發(fā)生器氣相色譜儀1熱電偶1冷阱皂沫流量計1-質(zhì)量流量計及控制儀（3）電暈放電結(jié)果分析（1）電暈放電反應的伏安特性A電暈放電電流大小由放電電壓決定，其值隨放電電壓的增加而上升B電暈放電類型不同，擊穿電壓不同。正電暈的擊穿電壓最大，負電暈次之，交流電暈的擊穿電壓值最小。C混合氣體的擊穿電壓與原料中CH4/CO2比值有關，除純氣體放電外，一般比值小的混合氣擊穿電壓較高，比值一定時，負電暈比正電暈較易發(fā)生擊穿。D反應體系溫度升高，擊穿電壓稍有降低但變化不明顯。擊穿電壓主要與放電氣體的介質(zhì)性質(zhì)、等離子體的電場條件，如放電電壓、放電類型和電極形狀有關。（2）能量密度對反應的影響A隨反應體系能量密度的增強，CH4和CO2的轉(zhuǎn)化增大，但在高能量密度處增加速度放緩B電暈放電類型不同反應的轉(zhuǎn)化率不同。正電暈的始終高于負電暈，反應物轉(zhuǎn)化在能量密度較低時，正電暈>交流電暈>負電暈，能量密度較高時，正電暈>負電暈>交流電暈。C能量密度低時CH4轉(zhuǎn)化率高于CO2轉(zhuǎn)化率，由于CO2

過量導致CH4的轉(zhuǎn)化率較高，這一特點與平衡熱力學分析結(jié)果一致，但能量密度增加到一定程度后，CO2轉(zhuǎn)化率將高于CH4轉(zhuǎn)化率。D反應產(chǎn)物的H2/CO值隨能量密度的增加先下降，然后上升E隨能量密度增加，反應體系易于產(chǎn)生C2H2、積炭等物質(zhì)。（3）原料配比對反應的影響當能量密度一定時，隨原料中CH4的增加，CH4和CO2的轉(zhuǎn)化率同時提高。其中CO2的轉(zhuǎn)化率隨CH4/CO2比值變化較大，在高比值時，CO2的轉(zhuǎn)化率超過CH4的轉(zhuǎn)化率。（4）能量效率分析各種電暈放電反應的能量效率接近，均隨體系能量密度的增加而下降。8.3.2非對稱電極電暈放電場的能量分布通常計算電場能量分布的方法有：有限元法、模擬電荷法、矩量法。模擬電荷法結(jié)果:

在等離子體區(qū)軸中心，越接近上電極尖端，電位越高，相應的電場強度越大。（1）常壓輝光放電旋轉(zhuǎn)電場等離子體甲烷常壓偶聯(lián)制碳二烴8.3.3常壓輝光放電甲烷偶聯(lián)制碳二烴電極連桿進氣口出氣口多尖端金屬旋轉(zhuǎn)電極筒形電極輝光放電實驗流程H2CH4反應器 交流高壓發(fā)生器高壓探頭11色譜儀1-質(zhì)量流量計2-壓力表22r=1KΩmV數(shù)字示波器（2）旋轉(zhuǎn)電場常壓CH4+H2放電特性（1）電壓波形和電場放電的伏安特性A電壓波形：隨電源輸入功率由小到大而出峰數(shù)逐漸增多，表面輸入能量增大時放電次數(shù)增多，而且隨電源輸入功率的提高，電場輸入功率增大，說明由于輸入能量的增加可以增大氣體的電離度，從而使放電電流增加。B隨電源輸入功率的提高，電壓從上升經(jīng)過最高點后下降，這意味著輝光放電開始由異常輝光向弧光放電轉(zhuǎn)化。（2）電源輸入功率的影響A在同樣的電極、流率、空時下電源輸入功率逐漸增大，電場輸入功率隨之增大，甲烷的轉(zhuǎn)化率和碳二烴的收率也隨之增大，但碳二烴的選擇性降低，此結(jié)果從另一個角度證明了在大流量操作時仍需控制適宜的電源輸入功率。8.3.4等離子體甲烷常壓偶聯(lián)反應的光譜分析等離子體發(fā)光譜線：從可見光到紫外線，甚至X射線，都是由于等離子體中存在大量各種形式的激發(fā)態(tài)粒子的運動引起的。低溫等離子體的輻射主要由退激發(fā)輻射、復合輻射和軔致輻射構(gòu)成。等離子體輻射的光譜既有連續(xù)光譜，也有線光譜。（1）等離子體甲烷常壓偶聯(lián)光譜診斷H2CH4反應器 交流高壓發(fā)生器11色譜儀1-質(zhì)量流量計2-壓力表22（2）光譜診斷常