第5章　介质阻挡放电等离子体净化器

5.1　介质阻挡放电的发展历程

介质阻挡放电（DBD）突出的特点是从小型实验室反应器到具有兆瓦输入功率的大型工业设备的简单可扩展性。阻挡放电的特征在于在两个平面或圆柱形电极之间存在至少一个绝缘层，在操作中需要交流电压；作为绝缘体的电介质不能通过直流电流。当气体间隙上的电压超过气体击穿电压时，发生许多微放电，其特征在于电子倍增、激发、解离、电离和空间电荷积累的过程。介电层的存在限制了施加到单个微放电的电荷和能量的量，从而在整个电极区域上分布微放电。与电晕放电不同，DBD主要用于大体积等离子体化学的应用，例如臭氧产生、表面处理和空气污染控制。

尽管人们对DBD的研究已经有超过一百年的历史，然而仍有许多问题没有解决。因此，DBD至今还是气体放电领域的研究热点。目前，DBD的研究可分为放电物理研究和应用技术研究两个方面；前者主要集中在放电属性的界定（细丝放电、均匀放电、汤森放电、辉光放电）、大气压下均匀放电产生的条件和物理机制等。

DBD的研究已有很长的历史，大致发展历程如图5-1所示。1857年，玻璃管式臭氧发生器成为现代工业臭氧发生器的雏形。它在两个同轴的玻璃管之间留有一个环形气隙，并在内外玻璃管间安装了电极，空气或氧气由环形气隙通过后产生臭氧。这一装置也是最早的DBD等离子体发生装置。1860年，放电命名为无声放电。从1860～1900年的40年间，对DBD的研究基本停留在利用其产生臭氧和氮氧化物（NOx）。20世纪初，开始了对DBD本身放电特性的研究。1933年，利用平行平板电极结构研究了大气压空气DBD的放电特性，拍摄了长曝光时间的放电图像Lichtenburg图，并用示波器记录了放电电流波形。到20世纪70年代，等离子体物理特别是高温等离子体物理得以发展并成熟起来，成为物理界公认的一个独立的分支学科。在此期间，尽管以气体放电和电弧技术为基础的DBD物理和工艺取得了一些发展，但作为DBD一部分的DBD等离子体物理和工艺却没有得到发展。其主要原因是在这一期间臭氧发生装置的效率十分低下致使获得臭氧的成本非常高。而就在这一时期，可替代臭氧的氯的价格却十分低廉。因此限制了臭氧应用技术的发展，从而也限制了DBD等离子体技术的发展。

图5-1　DBD等离子体的发展历程

随着利用DBD技术合成臭氧和紫外辐射光源技术的日益成熟，一些研究也开始利用DBD技术处理VOCs，例如进行烟气的脱硝脱硫、分解有害气体及净化汽车尾气等方面的研究工作。1989年发现采用与合成臭氧相仿的装置在60Hz、15kV放电条件下脱出SO2的效率达44%，标志DBD开始应用到VOCs的治理领域；1991年报道了利用DBD处理SO2的效率超过75%，并进行了数值模拟；同年报道了利用DBD并结合紫外照射技术在模拟烟气条件下同时脱除SO2的效率高于80%；1992年利用DBD与动态喷油的协同作用在柴油机上同时实现了SO2脱除率为70%、NOx的脱除率为20%、烟尘脱除率几乎为100%的效果；1993年又报道了利用相同方法同时脱除SO2和NO的效率分别达到了29%和79%；1997年报道了在无声电场作用下碳烟氧化率大于54%；1998年利用DBD对氯苯分解的研究结果；同年，在常压条件下利用DBD降解CF2ClBr的研究，在CF2ClBr体积分数为0.6%的空气放电10s的条件下，达到了95%的降解率；2001年利用DBD脱出SO2时铵盐回收达到了88%。至此，DBD技术在环境领域开始得到迅速的发展。

近20年来，由于材料科学和电力电子技术等相关学科取得了较大的发展，促进了对DBD等离子体理化特性及应用技术的研究，并成为DBD研究的一个热点。不仅在臭氧发生理论与应用方面取得了巨大的进步，而且在基础工业和高科技领域中，DBD也获得了广泛的应用，有力地推动了等离子体同其他学科和技术领域的相互渗透、相互促进和相互发展。