不同电极配置和颗粒尺寸下等离子体及等离子体催化反应器中电场分布的研究

这篇论文主要探讨了非热等离子体（NTP）技术在污染控制和环境清洁中的应用，特别是通过介电阻挡放电（DBD）反应器的不同电极配置和颗粒包装对等离子体反应器性能的影响。研究的重点是优化反应器的电场分布，以提高其去除柴油发动机废气中氮氧化物（NOx）等污染物的效率。

1. 引言

论文首先介绍了NTP技术的背景及其在环境污染治理中的潜力。NTP通过将气体转化为带电粒子来触发化学反应，而无需高温。这些反应可以帮助分解污染物，从而净化空气和水。为了优化NTP的功能，深入理解等离子体生成设备内部带电粒子和电场的行为至关重要。

2. 实验装置

研究中使用了COMSOL Multiphysics 6.0软件对不同的反应器配置进行模拟。研究了五种不同类型的体积放电和表面放电反应器，分别采用了同心圆柱形、方形和螺旋形电极配置，以及浮动和非浮动电极配置。研究还探讨了不同尺寸（直径1/3/5毫米）的颗粒对等离子体催化反应器性能的影响。

3. 理论基础

论文中使用了高斯定律和泊松方程来描述电场和电荷分布。高斯定律用于描述电场（E）与电荷密度（ρ）之间的关系，而泊松方程则用于描述等离子体中的电势分布。通过求解这些方程，可以确定电势如何在等离子体体积中变化，并由此计算电场。

4. 体积放电

研究发现，螺旋形电极配置产生的电场最强，最大电场强度达到102.40MV/m。相比之下，实心和空心圆柱形电极配置的最大电场强度分别为6.45MV/m和6.18MV/m。螺旋形电极的设计使得电场在体积内的均方根值最大，这对于提高反应器的污染物去除效率至关重要。

5. 表面放电

在表面放电设置中，研究了浮动电极和非浮动电极的两种配置。浮动电极的设计可能改变等离子体的行为，从而影响反应器的性能。研究表明，电场强度在尖锐边缘或角落处会显著增加，这种现象被称为“电荷集中”。

6. 颗粒作为催化剂

论文还探讨了使用颗粒作为催化剂来提高NOx去除效率的可能性。通过改变颗粒的尺寸和材料组成，可以优化催化活性。研究表明，3毫米的颗粒尺寸在计算复杂性和反应器性能之间达到了平衡。

7. 结论

这项研究为开发更有效的空气污染治理技术做出了贡献。通过优化电极配置和颗粒尺寸，研究人员能够显著提高等离子体反应器的性能。这项工作代表了NTP技术在污染管理和环境清理应用中的重要进展。

术语解释

• 非热等离子体（NTP）：一种通过电场激发气体分子而不显著升高温度的技术。
• 介电阻挡放电（DBD）：一种通过在电极之间放置介电材料来产生等离子体的技术。
• 高斯定律：描述电场与电荷分布关系的基本物理定律。
• 泊松方程：用于计算电场和电势分布的偏微分方程。

通过这项研究，作者展示了如何通过优化等离子体反应器的设计来提高其在污染控制中的效率，为未来的环境清洁技术提供了新的思路。