介質(zhì)阻擋放電在環(huán)境領(lǐng)域中應(yīng)用現(xiàn)狀

王博文　喬茜茜

【摘 要】介質(zhì)阻擋放電是一種良好的大氣壓低溫等離子體技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單，能耗低等優(yōu)點，并且可以將其應(yīng)用到各種領(lǐng)域中，其中在環(huán)境領(lǐng)域應(yīng)用更為廣泛。介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體可以直接使用去除污染物或者利用等離子體進行材料的合成，也可以將等離子體作為一種原子吸收光譜的介質(zhì)，對環(huán)境進行監(jiān)控檢測。本文針對介質(zhì)阻擋放電進行原理分析，環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用介紹，并且對介質(zhì)阻擋放電的發(fā)展進行合理化的展望。

【關(guān)鍵詞】介質(zhì)阻擋放電;環(huán)境應(yīng)用;等離子體

中圖分類號： O461 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0110-002

0 引言

介質(zhì)阻擋放電是一種在19世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的具有良好應(yīng)用前景的大氣壓低溫等離子體技術(shù)[1]。雖然介質(zhì)阻擋放電技術(shù)在19世紀(jì)就被Simens等人所發(fā)現(xiàn)，但是直到21世紀(jì)初，這項技術(shù)才被廣泛應(yīng)用在電池材料，環(huán)境污染物去除，光譜分析應(yīng)用等工業(yè)化以及實驗室研究等領(lǐng)域。并且通過其優(yōu)異的性能，開拓了各個領(lǐng)域的使用范圍和應(yīng)用前景。

由于介質(zhì)阻擋放電在相同領(lǐng)域的儀器中具有結(jié)構(gòu)小巧、簡單，能耗較少、反應(yīng)條件相對溫和、激發(fā)能力強的經(jīng)濟價值與使用價值優(yōu)勢。正是由于介質(zhì)阻擋放電的優(yōu)異性能，將其引入原子光譜領(lǐng)域也得到了大家的廣泛認同。這篇文章就針對介質(zhì)阻擋放電技術(shù)進行一個綜合性的討論，并對介質(zhì)阻擋放電的發(fā)展前景進行合理化的展望。

1 介質(zhì)阻擋放電原理分析

介質(zhì)阻擋放電是1863年Simens等人在實驗過程中發(fā)現(xiàn)的一種無聲放電現(xiàn)象，隨著其他研究人員對無聲放電的現(xiàn)象的研究發(fā)現(xiàn)，在大氣壓條件下，同軸或者非同軸的電極在部分被絕緣介質(zhì)覆蓋的條件下，電極之間充滿可以作為電介質(zhì)的氣體，此時對電極輸入高頻電壓，在高頻高電壓所產(chǎn)生的電場中，作為電介質(zhì)的氣體被擊穿，進而產(chǎn)生等離子體的過程。與一般情況下的氣體放電所不同的是介質(zhì)阻擋放電的放電空間存在絕緣介質(zhì)。基于放電特性和配置的各種可能性，可以將DBD分為屏障放電，靜音放電，交流放電，常壓輝光放電，臭氧發(fā)生器放電和顯示放電等幾種類型。

介質(zhì)阻擋放電的電極通常由兩個金屬電極或者一個金屬電極通過使用具有高絕緣性的物質(zhì)層保護，一般使用派熱克斯，石英和陶瓷等材料，這種結(jié)構(gòu)可以將它們與氣體層（單電介質(zhì)）分割，這也證明了DBD是一種非平衡放電，并且可以在環(huán)境條件下運行。Lopez和Valincius分別在2008年和2012年通過實驗證明，電介質(zhì)的材質(zhì)會限制單個微等離子體在整個電極表面區(qū)域上傳輸?shù)碾姾闪俊?008年，Lopez與Nehra分別通過實驗證明DBD不能使用DC執(zhí)行，但由于電介質(zhì)的電容耦合，可以在高壓交流電（AC）下操作，這也證明DBD是屬于依靠交流電壓來驅(qū)動位移電流的裝置。

2 介質(zhì)阻擋放電的應(yīng)用

2.1 介質(zhì)阻擋放電在環(huán)境污染物降解中的應(yīng)用

介質(zhì)阻擋放電在放電過程中會產(chǎn)生大量活性物質(zhì)，與高級氧化技術(shù)去除污染物的有效成分相似，基于高級氧化技術(shù)的原理，介質(zhì)阻擋放電技術(shù)去除污染物是具有技術(shù)可行性以及可觀的應(yīng)用價值[1-2]。Mark和Schluep（2001）首先使用單一DBD在低溫下產(chǎn)生氣相自由基，并且成功分解諸如苯等污染物。Joshi和Shrivastava（2011）利用浮動電極介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生活性氧，以達到快速滅活大氣中的細菌污染物目的。在Rong等人（2014）使用的DBD配置中，反應(yīng)器的內(nèi)絕緣管由石英制成，但外介電層使用的是有機玻璃管。這種新型的介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)與之前相比更加復(fù)雜，但是可以按照比例進行工業(yè)化擴大，也更好的符合工業(yè)化大量處理有機廢水的目的。

2.2 介質(zhì)阻擋放電在儲能材料的應(yīng)用

能源始終是環(huán)境要面臨的一個重要的問題，尋找更多的清潔能源來取代當(dāng)今的化石能源受到了大家越來越多的關(guān)注。介質(zhì)阻擋放電技術(shù)在低溫等離子體技術(shù)中具有多種優(yōu)勢，其中介質(zhì)阻擋放電等離子體輔助研磨（P-milling）就是一種新型材料合成方法[3]，P-研磨為制備納米材料或加速機械化學(xué)反應(yīng)提供了一種簡單，經(jīng)濟，無污染的方法，為未來大規(guī)模生產(chǎn)儲能材料鋪平了道路。Ouyang等人（2014）首次使用P-研磨對鎂基儲氫材料進行改進，極大程度減小了破壞熱穩(wěn)定性所需的能量。Cao等人（2015）在鎂基儲氫材料的基礎(chǔ)上利用P-研磨技術(shù)，研發(fā)一套四元鎂基材料，不僅破壞原有的熱穩(wěn)定性同時可以大幅縮短制備過程所需的時間。Hu和Sun等人（2014）利用P-研磨將氧化石墨烯均勻附著在硅電極表面，提高鋰電池儲能以及實用性能。

2.3 介質(zhì)阻擋放電在環(huán)境檢測中的應(yīng)用

2001年，Miclea等人的工作證明了介質(zhì)阻擋放電等離子體用于分析元素光譜的潛力。Wu等人（2011）通過將含汞溶液引入介質(zhì)阻擋放電中生成水銀冷蒸氣，將其進行氣液分離后，吹掃汞蒸氣進入電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀中對汞進行分析測定。Zhu（2006）發(fā)明了一種新的原子吸收光譜結(jié)構(gòu)，最大的特點就是利用DBD作為吸收光譜的霧化器，這種霧化器可以有效解離Se、Sb、Sn等原子。Tombrink（2010）提出一種基于微管的微型DBD，這種結(jié)構(gòu)可以有效避免之前電解過程產(chǎn)生的氣泡，對儀器的精密度有了極大的改進。Han等人（2014）開發(fā)了一種微波輔助過硫酸鹽氧化反應(yīng)器，可以用來微量流動注射分析或連續(xù)監(jiān)測環(huán)境水樣中的總有機碳。

3 結(jié)論及展望

介質(zhì)阻擋放電已經(jīng)有了將近100年的歷史，但是直到現(xiàn)在其仍然是在大氣壓下產(chǎn)生非熱氣體放電的最重要的技術(shù)等離子體源之一。DBD具有良好的可擴展性，強大且可控制良好的等離子體源。 因此，DBD可以應(yīng)用在污染物降解、儲能材料制備以及環(huán)境檢測技術(shù)等多種領(lǐng)域中，并且具有良好的使用前景。 等離子體技術(shù)逐漸向小型化發(fā)展，小型化儀器可以實現(xiàn)更有效的過程。而且隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，更加復(fù)雜的新型等離子體源也不斷被開發(fā)。 這也代表介質(zhì)阻擋放電技術(shù)會具有更加良好的工作性能，可以為環(huán)保領(lǐng)域做出更多的發(fā)展。

【參考文獻】

[1]Brandenburg， R.， Dielectric barrier discharges： progress on plasma sources and on the understanding of regimes and single filaments. 2018.

[2]Mouele， E.S.M.， et al.， Degradation of organic pollutants and microorganisms from wastewater using different dielectric barrier discharge configurations-a critical review. Environmental Science and Pollution Research， 2015. 22（23）： p. 18345-18362.

[3]Ouyang，L.Z.，et al.，Application of dielectric barrier discharge plasma-assisted milling in energy storage materials-A review. Journal of Alloys and Compounds，2017.691：p.422-435.