第34卷 第4期 2008年11月
大连海事大学学报
JournalofDalianMaritimeUniversity Vol.34 No.4Nov., 2008
文章编号:100627736(2008)0420091204 大气压微波等离子体光谱特性 解宏端,孙 冰,朱小梅,刘永军
(大连海事大学环境科学与工程学院,辽宁大连 116026)
Ξ
摘要:为研究气体组分及微波功率对等离子体特性的影响,光谱的变化规律.:,等,在氩气流量为
4LΠmin,微波输入功率为400W,氧气流量为40cmΠmin
3 言
大气压下微波等离子体内部具有均匀、高密度的高能电子,可促进化学反应顺利进行,因而被广泛应用于难降解的有害气体的脱除
[1-3]
时,激发态氧原子数量达到最大;微波功率的增加首先导致等离子体中的激发态粒子数量增加,进而导致电离态粒子数量增加.
关键词:微波等离子体;光谱强度;激发态粒子中图分类号:O53 文献标志码:A
.工业上产生
[2]
的难降解气体,多数为含碳有机污染物.Radoiu等脱除效率可提高20%.Sheng等 [4]
研究发现,向等离子体脱除C2F6体系中混入氧气, 研究了加入氧气
对等离子体脱除CF4的影响,当氧气体积分数从0增加至20%时,CF4去除率随着氧气添加量的增加而增加,去除率提高了
27.6%.本研究发现,CF4去除率随着氧气添加量的增加先增加后减小,氧气添加量存在最佳值.目前关于这一现象产生的原因,国内外未有深入研究.本文以高纯氩气为工作气体,混合氧气(含微量氮气),在大气压下产生微波等离子体.利用发射光谱法 [5-9]
Spectroscopiccharacterizationofmicrowaveplasma underatmosphericpressure
XIEHong2duan,SUNBing,ZHUXiao2mei,LIUYong2jun
(CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026,China)
Abstract:Spectroscopicintensityofmicrowaveplasmacomposedofmixedgasunderatmosphericpressurewasmeasuredtostudytheinfluenceofgascomponentandmicrowavepowerontheplasmaproperties.Thespectroscopyofexcitedstateoxygenat2ominmicrowaveplasmawasinvestigatedatvariousoperatingconditionsincludingoxygenratioingasmixturesandmicrowavepower.Theexperimentalresultsindicatethatthedensityofex2citedstateoxygenatomincreasesfirstandthendecreaseswithincreasingtheratioofoxygeninargonandoxygengasmixtures,andthedensityofexcitedstateoxygenatomreachesthemaxi2mumvaluewhenmicrowavepoweris400W,thegasflowofargongasandoxygenis4LΠminand40cmΠminrespectively. 3
探测微波等离子体发射光
谱,分析氧气含量变化对等离子体状态的影响,同时研究不同微波功率对等离子体内部各种物质的激发态粒子含量的影响,目的在于深入研究混合气体等离子内部粒子变化的原因和规律,提高和优化氧气在大气压下微波等离子体氧化分解有害气体中的正面促进作用.
1 材料与方法
大气压下微波氩气等离子体发生与光谱检测装置如图1所示.氩气(纯度>99.99%)、氧气(纯度>99.9%,含微量氮气)流量分别由各自的质量流量 Theincreasingofmicrowavepowerinducesthedensityofexcit2edstateparticlesincreasing,whichleadtothedensityofionizedstateparticlesincreasing.
Keywords:microwaveplasma;spectroscopicintensity;excited stateparticles
Ξ收稿日期:2008206230.
计(MFC)控制,以向下旋流模式注入石英管反应器. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(20577004).
作者简介:解宏端(1981-),男,辽宁辽阳人,博士研究生,E2mail:xiehongduan@163.com; 孙 冰(1961-),男,辽宁朝阳人,教授,博士生导师,E2mail:sunb88@newmail.dlmu.edu.cn.
大连海事大学学报 第34卷 92
微波发生器(PGEN2KW2450-380-10W,IBF,GER)产生2.45GHz微波,通过锥形波导管将能量集中,在石英管反应器中激发等离子体射流.采用多通道光谱分析仪(PMA-11,HAMAMATSU,JA2PAN)测量发射光谱
. 图
2 结果与分析
2.1 发射光谱强度随氧气添加量的变化 设置氩气流量为4LΠmin,微波功率为400W,
调节反射功率小于10W,分别对不同氧气流量(0、20、40、60、80、100、200cmΠmin)时大气压微波等离
3
子体发射光谱强度进行测量.图2(a)、(b)、(c)分别为氧气流量0、20、100cmΠmin时大气压下微波等
3
图2 氧气添加量对微波等离子体光谱的影响
离子体光谱.从图2可知,光强较强的激发态氩原子的谱线波长分别为763.51、801.48、811.53、842.46、912.30nm,激发态氧原子的谱线波长分别 5503为777.42nm(3pP→3sS)和844.64nm(3pP
→30
3s
S).实验中探测到的激发态氧原子的两条特征
谱线与文献[9]中观测到的激发态氧原子的谱线位置一致.图2中光谱相对强度变化说明等离子体内部粒子状态发生了变化.选择激发态氧原子在777.42nm和844.64nm处的两条谱线与激发态氩
图3 氧气流量对激发态氧原子比例的影响
原子在811.53nm处的相对光强的比值表示激发态氧原子在等离子体激发态粒子中所占的比例,其比值与氧气流量的相对关系如图3所示.由图3可知,随着氧气流量的增加,激发态氧原子在等离子体中所占比例逐渐增加.这是因为氩原子和氧分子均受到高能电子碰撞,发生如下反应: e+Ar→Ar+e e+O2→
O+O 3 -
现过剩→平衡→不足的变化过程.这个变化过程体现在发射光谱强度的变化(图4).随着氧气添加量的增加,激发态氩原子的发射光谱强度明显减弱,说明在等离子体中加入氧气后,氧分子在激发过程中捕获了一部分高能电子,导致受电子撞击形成