| 标题 | 等离子体应用于机动车尾气中NOx净化的研究 |
| 范文 | 冶兆年 卢慧泓 李惠 陈萌 [摘 要] 本文介绍了电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、辉光放电、微波放电等可以产生等离子体的放电形式的特点，并着重介绍了利用介质阻挡放电产生等离子体的方法。 [关键词] 等离子体；汽车尾气；NOx doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 05. 047 [中圖分类号] F273 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）05- 0113- 02 0 引 言 随着经济的快速发展，我国汽车的保有量也持续增加，由此而带来的环境污染问题日益严重。其中汽车所产生的NOx是目前主要的大气污染物之一。现在，虽然有众多的净化技术，如三效催化技术等，但都存在着较大的局限性[1]。而本文所阐述的等离子体净化技术则拥有处理效率较高、投资较少、运行成本较低、不产生二次污染等优点，其已经成为了尾气净化研究的热点。 1 等离子体净化NOx的原理 等离子体净化汽车尾气中的氮氧化物主要是通过粒子非弹性碰撞。气体在外加电场作用下，通过放电产生的高能量电子撞击汽车尾气中的N2、O2分子，使之离解成为具有较高活性的原子。在气相化学过程中，具有活性的原子与尾气中的NOx作用，还会产生其他种类的活性物质，最终导致发生一连串复杂的化学反应。在这些反应中，高能电子对反应的程度起着决定性作用，其中最重要的影响因素是电子的平均能量、电子密度、气体温度等[2]。其反应过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 等离子体产生的方式 一般地，按照等离子体产生时压强的范围和电极的形状共可将等离子体的产生方式分为五类，即电晕放电、射频放电、辉光放电、微波放电和介质阻挡放电等。 2.1 电晕等离子体放电 当在电极两端加上未达到击穿电压的较高电压时，若电极表面附近的局部电场很强，则电极附近的常压介质会被局部击穿从而产生电晕放电现象，其可以分为两种即直流电晕放电和脉冲电晕放电，典型的电晕放电结构如图1所示[3]。 2.2 射频等离子体放电 射频放电可以在常压甚至加压下工作，放电气体并不需要与电极直接接触，可以利用高频电场通过电感耦合或电容耦合来产生等离子体，其中最常用的单频电容耦合放电等离子体发生装置如图2所示。 辉光放电，虽然装置较为简单，但是传统的辉光放电工作气压过低，需要庞大而复杂的真空系统和相应设备，不太利于汽车的使用环境，其典型的辉光放电如图3所示[4]。 2.3 微波等离子体放电 利用微波放电产生等离子体是通过微波击穿气体，从而放电生成等离子体，其反应的基本机理是将微波所具有的能量注入已经充满工质气体的放电腔中，随着微波能量逐渐增大，会形成很强的电场，达到一定阈值时就会击穿气体放电，产生大量的微波等离子体[5]。微波放电多采用无极放电，可以避免材料对电极的不利影响，对频率和压力要求较低但多容易形成火花放电，不利于尾气的处理。 2.4 介质阻挡等离子体放电 介质阻挡放电（Dielectric Barrier Discharge，DBD）是一种在放电空间中插入绝缘介质的一种气体放电方法，我们既可以将介质层附着在电极上，也可以将其悬置在放电空间。当我们对两个电极加以足够大的高频交流电压时，两电极间的气体会被击穿进而形成所谓的介质阻挡放电。我们通常采用的介质阻挡放电和间隙结构如图4所示。下面我们拿比较简单的电极结构作为例子，这些电极和间隙结构既可以是平面形的，也可以是同轴圆柱体形的。结构（a）是使用最为广泛的放电类型，我们通常用它来制造臭氧发生器，它的特点是与其他类型相比结构较为简单，产生的热量可以通过金属电极散发。结构（b）的特点是在两层介质之间放电，可以极大地防止金属电极与放电的等离子体的直接接触。对于纯度较高的等离子体或腐蚀性气体，这是一种较为理想的结构。第三种结构（c）可以同时在介质的两边产生两种组成成分互异的等离子体。在两电极间安插介质可以极大地防止局部火花或弧光放电在放电空间中的产生，而且可以在大气压强下产生较为稳定的气体放电[6]。 3 等离子体应用于汽车尾气中NOx净化的展望 等离子体的产生是一个错综复杂的过程，且生成等离子体的方式多种多样，等离子体产生方式的不同直接决定了净化器在汽车上的应用效果。如前所述电晕放电产生的电子能量较低，且对电压要求较高，导致其在汽车上使用时需要配备合适的变压器，提高了整车质量，不利于汽车的轻量化；与电晕放电类似，射频放电需要高频电压，故需引入高频电场，也使整车的质量提高；辉光放电虽有着较为简单的放电系统，但其需要在低气压下工作，在净化装置内无法给出相应的低气压环境，故在汽车上的使用也较为困难；微波放电虽可避免气体的电极的不利影响，但是容易产生火花放电，不利于放电过程的稳定性。综上所述，介质阻挡放电产生等离子体具有采用强电离放电，电子的能量高于电晕放电，可以在常温常压下进行，放电较为稳定，放电过程容易控制，可以避免产生火花放电和电弧放电等诸多优点，故更适宜应用于机动车尾气中NOx的净化。 注：陈萌，通讯作者。 主要参考文献 [1]冯长根，王大祥，王亚军. 车用三效催化剂的研究进展[J]. 安全与环境学报，2003，3（5）：21-26. [2]龚大国，袁宗宣，谢春梅，等.等离子体汽车尾气治理技术[J].重庆环境科学，2003.25（2）：28-32. [3]左莉，侯立安.介质阻挡放电与脉冲电晕放电净化气态污染物的试验研究[J].洁净与空调技术，2003（3）：43-45. [4]李成柳. 大气压辉光放电等离子体的产生及灭菌应用[D].北京：北京交通大学，2008. [5]常海军. 电火花连锁微波放电等离子体装置及机理研究[D].淮南：安徽理工大学，2017. [6]汪涛.介质阻挡放电脱除氮氧化物的实验研究和动力学分析[D].北京：华北电力大学，2015. |
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