磁场辅助增强纳秒脉冲流光放电等离子体物理化学活性及降解VOCs的应用研究

Atmospheric-pressure streamer discharge plasma has potential application in the field of gaseous pollutant control due to its advantages such as lower resistance and wider adaptability to gaseous pollutant. However, how to generate a stable streamer discharge with high plasma density and wide electrode gap is still a great technological problem in the field of atmospheric-pressure discharge application. On this project, an atmospheric-pressure streamer corona discharge with high plasma density is performed by using magnetic-field-assisted nanosecond pulse technology, and which is employed for the degradation of volatile organic compounds (VOCs). This project is willing to investigate the effect of magnetic field on the formation and development process of pulse streamer discharge and its underlining mechanism via combining experimental observation with simulation analysis. To reveal the promoting mechanism of the physical and chemical activities using magnetic-field-assisted nanosecond pulse streamer discharge, a quantitative-semiquantitative model of reactive species will be developed and the dynamics behaviors of reactive species will be investigated in streamer discharge system with the presence of magnetic field. On the basis of the above study, the project will further optimize the key factors influencing the discharge characteristics and form a control strategy to generate a stable streamer discharge with high plasma density and wide electrode gap. The achievement will provide reliable theoretical and technological references to atmospheric-pressure discharge plasma pollution control technology.

大气压流光放电等离子体因其具有气体阻力小、处理气量大等优势，在工业气态污染物治理领域具有潜在的应用价值。然而，如何在大气压条件下产生具有高等离子体密度、宽电极间隙的稳定流光放电仍是大气压放电等离子体应用领域面临的一个技术难题。项目提出利用磁场辅助纳秒脉冲放电技术，在宽电极间隙范围内激励产生具有高等离子体密度的大气压流光放电，并应用于挥发性有机废气（VOCs）的降解。采用实验结合仿真手段重点研究磁场对脉冲流光放电产生和发展过程的影响及内在本质；建立流光放电体系中活性粒子定量-半定量模型，研究磁场作用下脉冲流光放电等离子体中活性粒子的动力学行为，揭示磁场辅助增强纳秒脉冲流光放电等离子体物理和化学活性的作用机制；在此基础上进一步优化影响纳秒脉冲流光放电特性的关键因素，并形成产生高等离子体密度、宽间隙稳定流光放电的调控策略，为大气压放电等离子体污染控制技术提供可靠的理论依据和技术指导。

在大气压下产生高等离子体密度、宽间隙的稳定放电是实现气态污染物高效处理的关键。本项目提出了磁场辅助纳秒脉冲放电提高等离子体物理化学活性的方法，并应用于挥发性有机物（VOCs）降解。取得如下研究结果：. （1）研究了垂直磁场对脉冲等离子体特性和活性粒子演化的影响规律。发现垂直磁场存在时一次流光和二次流光的亮度提高、传播速度加快、存留周期延长，且二次流光在传播过程中所形成的流光通道面积明显增加，活性粒子产量得到明显提高。. （2）揭示了垂直磁场增强等离子体物理化学活性的机制。平行磁场可通过磁化电子改变等离子体特性。施加垂直磁场后，电子在放电空间内的拉莫回旋运动和E×B漂移运动加剧了电子与气体分子的碰撞电离过程，从而增强了脉冲放电强度。. （3）研究了平行磁场对脉冲等离子体特性和活性粒子演化的影响规律。施加平行磁场后，一次流光的速度显著增加，而二次流光几乎不受影响。平行磁场作用下，放电强度增强、流光通道数目增多、活性粒子产量增加、臭氧浓度及其能量效率也明显提高。. （4）揭示了平行磁场增强等离子体物理化学活性的机制。一方面，垂直于电场方向运动的电子在洛伦兹力作用下做拉莫回旋运动，增加了电子和气体分子的碰撞概率；另一方面，平行磁场对放电通道内电子的束缚可有效降低雪崩头部电子由于横向漂移扩散引起的中和损耗，保留了大量电子，提高了等离子体活性。. （5）提出了直流电压耦合提高脉冲源与反应器阻抗匹配度，提高脉冲电源注入能量的方法。开展了脉冲参数、气相参数、介质参数及磁感应强度等关键影响参数的优化研究，形成了磁场辅助增强等离子体物理化学活性的调控策略。. （6）开展了平行和垂直磁场辅助等离子体降解VOCs的可行性研究。发现施加平行和垂直磁场均显著提高对VOCs的降解性能、矿化性能及能量效率，尤其在短脉冲上升沿条件下磁场对等离子体降解VOCs的增强效果尤为显著。揭示了磁场辅助增强放电等离子体降解甲苯的机理。