光譜法研究鹽溶液濃度對(duì)輝光放電活化液體的影響

許慧敏，賈培佩，陳俊宇，賈鵬英，李小妮

(1．河北金融學(xué)院 基礎(chǔ)教學(xué)部，河北 保定 071051;2．華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定 071003;3．河北大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071002)

大氣壓輝光放電(APGD)具有低氣壓輝光放電的均勻性和較高的化學(xué)活性，且擺脫了真空裝置的限制[1-3]，在材料改性[4]、生物醫(yī)療[5-6]等領(lǐng)域具有非常廣泛的應(yīng)用前景.

在諸多等離子體應(yīng)用中，通常將樣品直接暴露于等離子體，利用等離子體中的電子、活性粒子、紫外光等物質(zhì)引發(fā)樣品的物理及化學(xué)反應(yīng).另一種是等離子體與樣品間接作用,通常讓等離子體先與水作用，形成富含活性粒子的水(等離子體活化水)，然后再利用活化水處理樣品.即使對(duì)于等離子體直接作用而言，樣品也通常置于(或者溶解于)液體中.因此，液體電極大氣壓放電引起了研究者越來(lái)越多的關(guān)注. Gubkin[7]首次使用液體作為放電電極，實(shí)現(xiàn)了大氣壓放電，并稱之為“輝光放電電解”.利用單針-液體電極裝置，Li等[8]發(fā)現(xiàn)其放電絲直徑和振動(dòng)溫度隨著氣隙寬度或放電電流的增加而增加.采用多針-液體電極裝置，發(fā)現(xiàn)隨著增大氣隙寬度分立的放電絲能合并在一起，從而形成片狀等離子體羽，在此過程中轉(zhuǎn)動(dòng)溫度及振動(dòng)溫度都降低[9].除了放電電流和氣隙寬度影響放電特性外，液體電極的電壓極性也會(huì)對(duì)放電產(chǎn)生影響.Lu等[10]利用盤狀金屬-液體電極裝置，發(fā)現(xiàn)液體電極作陰極時(shí)比作陽(yáng)極時(shí)，放電絲較粗且發(fā)光較暗.Bruggeman等[11]觀察到液體電極作陰極時(shí)比作陽(yáng)極時(shí)等離子體接觸點(diǎn)具有明顯的收縮，且在液面附近更分立.

針對(duì)于此，本文采用針-液體電極放電裝置，在其放電間隙產(chǎn)生了大氣壓空氣輝光放電，利用電學(xué)測(cè)量和光譜學(xué)方法對(duì)3種不同NaCl濃度的液體電極放電的等離子體參數(shù)隨放電電流的變化進(jìn)行了研究，并測(cè)量活化液體中H2O2濃度隨放電電流的變化.

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1中針-液體電極放電裝置，采用空氣作為工作氣體.用去離子水配置不同濃度的NaCl溶液作為電極，對(duì)應(yīng)濃度為0、3.0和7.5 mmol/L NaCl溶液的初始電導(dǎo)率分別為3.6、327.0及820.0 μS·cm-1.

圖1 針-液電極放電裝置和空氣放電照片F(xiàn)ig.1 Schematic diagram of the needle-liquid electrode discharge experiment setup and an atmosphere discharge photo

鎢針直徑約為1.0 mm，針尖曲率半徑約為200 μm.液體注入圓柱形水槽(體積約400 mL、水深約70 mm、內(nèi)徑約86 mm)，其通過置于其底部的銅線(直徑1.0 mm)接地.針尖距水面5.0 mm.直流電源(Glassman EK15R40)的正高壓輸出端通過100 kΩ的鎮(zhèn)流電阻與鎢針相連.利用高壓探頭(Tektronix P6015A)和電流探頭(Tektronix TCPA300)分別測(cè)量電源的輸出電壓和放電電流，并通過示波器(Tektronix DPO4104)顯示和存儲(chǔ).采用數(shù)碼相機(jī)(Canon EOS 7D)沿著與針-液體軸線成45°的方向拍攝放電照片.利用光譜儀(PI Acton SP2750)測(cè)量放電的發(fā)射光譜.利用吸收光譜法測(cè)量臭氧濃度，即紫外光源(LLS-LED 3186)發(fā)出的光在穿過待測(cè)區(qū)域(距離針尖2.5 mm處)后，通過光纖將信號(hào)輸送到光譜儀中.通過比較有無(wú)等離子體情況下的紫外光強(qiáng)度，利用Beer-Lambert定律可以測(cè)量O3濃度.通過比色法可以測(cè)量H2O2濃度，即通過紫外-可見分光光度計(jì)(Perkin Elmer Lambda 950)在407 nm處讀出吸光度，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算H2O2濃度.

2 結(jié)果與討論

圖1的右側(cè)部分給出了曝光時(shí)間為100 ms的針-液體電極空氣放電的照片.從照片可以看出，該大氣壓輝光放電從陰極到陽(yáng)極分別為負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)和陽(yáng)極輝區(qū)，這類似于低氣壓輝光放電.因此放電機(jī)制為大氣壓輝光放電.

圖2 液面附近采集的200～900 nm發(fā)射光譜(a)和液面附近O I(777.4 nm)的譜線強(qiáng)度(b)隨放電電流的變化關(guān)系Fig.2 200 nm to 900 nm scanned spectra collected close to liquid surface(a) and spectral intensity of O I(b) close to liquid surface as a function of discharge current

從圖3可以看出，I391.4/I337.1隨電流增大而增大，即電子平均能量隨電流的增大而增大.在一定電流下，溶液濃度越小，電子平均能量越大.靠近液體表面的振動(dòng)溫度也隨放電電流的增大而增大.且在一定電流下，溶液濃度越小，振動(dòng)溫度越大.根據(jù)能量弛豫過程，在等離子體中電子通過碰撞將能量傳遞給氮分子，因此電子能量越高，通過碰撞傳遞給分子的能量越高，反映為分子的振動(dòng)溫度也越高.

圖3 液面附近發(fā)射譜線強(qiáng)度比I391.4/I337.1(a)和振動(dòng)溫度(b)隨放電電流的變化關(guān)系Fig.3 Intensity ratio of I391.4/I337.1 (a) and vibrational temperature (b) close to liquid surface as functions of discharge current

利用吸收光譜法，圖4a給出了O3濃度隨放電電流的變化關(guān)系.可見O3濃度隨著放電電流增大而增大，且溶液濃度越小O3濃度越大.這表明隨放電電流的增大及溶液濃度的減小放電，產(chǎn)生的活性粒子濃度增大，這必然導(dǎo)致活化水中的活性粒子呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì).比色法測(cè)量過氧化氫濃度[16]，結(jié)果如圖4b所示.從圖4b中可以看出，隨放電電流增大，H2O2濃度增大.當(dāng)放電電流一定時(shí)，鹽溶液濃度越小，H2O2濃度越大.

圖4 液面附近的臭氧濃度(a)和H2O2濃度(b)隨放電電流的變化關(guān)系Fig.4 Ozone concentration close to liquid surface (a) and H2O2 concentration of liquid (b) as functions of discharge current

3 結(jié)論

通過對(duì)直流電源激勵(lì)下大氣壓空氣針-液體電極放電特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同濃度液體電極的放電都有明顯的分區(qū)現(xiàn)象，從陰極到陽(yáng)極分別是負(fù)輝區(qū)、法拉第暗區(qū)、正柱區(qū)和陽(yáng)極輝區(qū).通過比較放電的發(fā)射光譜，發(fā)現(xiàn)不同濃度電極的發(fā)射光譜類似，但譜線強(qiáng)度比不同.通過測(cè)量I391.4/I337.1和振動(dòng)溫度，發(fā)現(xiàn)它們均隨著放電電流的增大，或者溶液濃度的減小而增大.此外，還利用吸收光譜測(cè)量了放電區(qū)域中產(chǎn)生的O3濃度，利用比色法測(cè)量了活化液體中的H2O2濃度.結(jié)果表明，隨著放電電流增大，氣相中的O3濃度及液相中的H2O2濃度都增大.在一定放電電流下，鹽溶液濃度越小，H2O2及O3濃度越大.