介质阻挡放电在环境领域中应用现状

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　　【摘 要】介質阻挡放电是一种良好的大气压低温等离子体技术，具有结构简单，能耗低等优点，并且可以将其应用到各种领域中，其中在环境领域应用更为广泛。介质阻挡放电产生的等离子体可以直接使用去除污染物或者利用等离子体进行材料的合成，也可以将等离子体作为一种原子吸收光谱的介质，对环境进行监控检测。本文针对介质阻挡放电进行原理分析，环境领域的应用介绍，并且对介质阻挡放电的发展进行合理化的展望。
　　【关键词】介质阻挡放电;环境应用;等离子体
　　中图分类号： O461 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）05-0110-002
　　0 引言
　　介质阻挡放电是一种在19世纪60年代发现的具有良好应用前景的大气压低温等离子体技术[1]。虽然介质阻挡放电技术在19世纪就被Simens等人所发现，但是直到21世纪初，这项技术才被广泛应用在电池材料，环境污染物去除，光谱分析应用等工业化以及实验室研究等领域。并且通过其优异的性能，开拓了各个领域的使用范围和应用前景。
　　由于介质阻挡放电在相同领域的仪器中具有结构小巧、简单，能耗较少、反应条件相对温和、激发能力强的经济价值与使用价值优势。正是由于介质阻挡放电的优异性能，将其引入原子光谱领域也得到了大家的广泛认同。这篇文章就针对介质阻挡放电技术进行一个综合性的讨论，并对介质阻挡放电的发展前景进行合理化的展望。
　　1 介质阻挡放电原理分析
　　介质阻挡放电是1863年Simens等人在实验过程中发现的一种无声放电现象，随着其他研究人员对无声放电的现象的研究发现，在大气压条件下，同轴或者非同轴的电极在部分被绝缘介质覆盖的条件下，电极之间充满可以作为电介质的气体，此时对电极输入高频电压，在高频高电压所产生的电场中，作为电介质的气体被击穿，进而产生等离子体的过程。与一般情况下的气体放电所不同的是介质阻挡放电的放电空间存在绝缘介质。基于放电特性和配置的各种可能性，可以将DBD分为屏障放电，静音放电，交流放电，常压辉光放电，臭氧发生器放电和显示放电等几种类型。
　　介质阻挡放电的电极通常由两个金属电极或者一个金属电极通过使用具有高绝缘性的物质层保护，一般使用派热克斯，石英和陶瓷等材料，这种结构可以将它们与气体层（单电介质）分割，这也证明了DBD是一种非平衡放电，并且可以在环境条件下运行。Lopez和Valincius分别在2008年和2012年通过实验证明，电介质的材质会限制单个微等离子体在整个电极表面区域上传输的电荷量。2008年，Lopez与Nehra分别通过实验证明DBD不能使用DC执行，但由于电介质的电容耦合，可以在高压交流电（AC）下操作，这也证明DBD是属于依靠交流电压来驱动位移电流的装置。
　　2 介质阻挡放电的应用
　　2.1 介质阻挡放电在环境污染物降解中的应用
　　介质阻挡放电在放电过程中会产生大量活性物质，与高级氧化技术去除污染物的有效成分相似，基于高级氧化技术的原理，介质阻挡放电技术去除污染物是具有技术可行性以及可观的应用价值[1-2]。Mark和Schluep（2001）首先使用单一DBD在低温下产生气相自由基，并且成功分解诸如苯等污染物。Joshi和Shrivastava（2011）利用浮动电极介质阻挡放电产生活性氧，以达到快速灭活大气中的细菌污染物目的。在Rong等人（2014）使用的DBD配置中，反应器的内绝缘管由石英制成，但外介电层使用的是有机玻璃管。这种新型的介质阻挡放电结构与之前相比更加复杂，但是可以按照比例进行工业化扩大，也更好的符合工业化大量处理有机废水的目的。
　　2.2 介质阻挡放电在储能材料的应用
　　能源始终是环境要面临的一个重要的问题，寻找更多的清洁能源来取代当今的化石能源受到了大家越来越多的关注。介质阻挡放电技术在低温等离子体技术中具有多种优势，其中介质阻挡放电等离子体辅助研磨（P-milling）就是一种新型材料合成方法[3]，P-研磨为制备纳米材料或加速机械化学反应提供了一种简单，经济，无污染的方法，为未来大规模生产储能材料铺平了道路。Ouyang等人（2014）首次使用P-研磨对镁基储氢材料进行改进，极大程度减小了破坏热稳定性所需的能量。Cao等人（2015）在镁基储氢材料的基础上利用P-研磨技术，研发一套四元镁基材料，不仅破坏原有的热稳定性同时可以大幅缩短制备过程所需的时间。Hu和Sun等人（2014）利用P-研磨将氧化石墨烯均匀附着在硅电极表面，提高锂电池储能以及实用性能。
　　2.3 介质阻挡放电在环境检测中的应用
　　2001年，Miclea等人的工作证明了介质阻挡放电等离子体用于分析元素光谱的潜力。Wu等人（2011）通过将含汞溶液引入介质阻挡放电中生成水银冷蒸气，将其进行气液分离后，吹扫汞蒸气进入电感耦合等离子体发射光谱仪中对汞进行分析测定。Zhu（2006）发明了一种新的原子吸收光谱结构，最大的特点就是利用DBD作为吸收光谱的雾化器，这种雾化器可以有效解离Se、Sb、Sn等原子。Tombrink（2010）提出一种基于微管的微型DBD，这种结构可以有效避免之前电解过程产生的气泡，对仪器的精密度有了极大的改进。Han等人（2014）开发了一种微波辅助过硫酸盐氧化反应器，可以用来微量流动注射分析或连续监测环境水样中的总有机碳。
　　3 结论及展望
　　介质阻挡放电已经有了将近100年的历史，但是直到现在其仍然是在大气压下产生非热气体放电的最重要的技术等离子体源之一。DBD具有良好的可扩展性，强大且可控制良好的等离子体源。 因此，DBD可以应用在污染物降解、储能材料制备以及环境检测技术等多种领域中，并且具有良好的使用前景。 等离子体技术逐渐向小型化发展，小型化仪器可以实现更有效的过程。而且随着纳米技术的不断发展，更加复杂的新型等离子体源也不断被开发。 这也代表介质阻挡放电技术会具有更加良好的工作性能，可以为环保领域做出更多的发展。
　　【参考文献】
　　[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.
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