光谱解析低温等离子体中O2，N2，CO2的活性中间体及其环境化学行为

论文摘要

低温等离子体技术在处理密闭舱室中低浓度、大气量、多品种有机污染物和分解CO2制氧气方面具有特殊的优势,但仍然面临着难以解决的问题:抑制有害副产物的生成和提高反应的选择性。要解决这些问题需要系统研究等离子体化学反应机理,需要搞清放电体系中各种气体组份的变化特征以及相互作用规律。本文以低温等离子体处理密闭舱室有机污染物时最常用的空气分子O2、N2、N2/O2、CO2等为放电体系,以大气压介质阻挡放电为等离子体产生方式,以放电时各种活性基团产生的发射光谱为主要研究手段,研究放电过程中产生的活性基团的类型、能量特征、化学活性、浓度变化规律和相互之间的化学反应过程。研究表明:1、氧气介质阻挡放电时产生的活性基团主要是各种能量在9.1515.78 eV之间的激发态氧原子、激发态氧分子和能量高于15 eV的氧分子离子,当氧气中含有少量水蒸气时还会产生OH自由基和能量更高的激发态O+离子;这些活性物种的形成涉及氧气分子的激发、离解和电离等多种过程,氧分子激发产生的亚稳态及离解产生的氧原子是导致氧气电离激发和一系列高激发态氧原子生成的主要因素,这些活性基团是氧化分解气态有机污染物时最主要的氧化剂和能量来源;2、氮气放电时活性物种主要是能量在6至11 eV的不同激发态氮气分子及少量的N2+、NO和激发态N原子,增大放电频率能减少基态和激发态的NO浓度;3、N2/O2混合放电时,随着氧气含量的增加,五重态氮分子和NO迅速减少,而高能量、高活性的的浓度明显增大,同时电子温度也明显升高,因此,N2/O2混合气体提供的更多高能量活性基团和高能量电子有利于提高处理污染物的效率;4、CO2放电时活性基团主要是激发态CO、CO2+以及O原子,在常压介质阻挡放电这种温和的实验条件下,CO2分子也能够分解为CO、C和O2;5、量子化学计算表明,CO2在放电中存在三种分解途径,其中三重态分解途径能垒最低,是低能量放电体系中最可能的分解途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 介质阻挡放电处理气态污染物的优势和进展
• 1.2.1 介质阻挡放电的特点
• 1.2.2 介质阻挡放电处理气态污染物的优势
• 1.2.3 介质阻挡放电处理气态污染物的进展
• 1.3 介质阻挡放电处理气态污染物所存在的问题
• 1.4 反应机理研究是解决存在问题的关键步骤
• 1.4.1 介质阻挡放电中化学反应特点
• 1.4.2 对处理气态污染物机理的认识
• 1.5 发射光谱法研究气体放电机理的优势
• 1.5.1 发射光谱法能获得的信息
• 1.5.2 发射光谱研究气体放电中的活性基团
• 1.5.3 根据发射光谱测定电子温度、转动温度和振动温度
• 1.6 本课题的研究内容和技术路线
• 1.6.1 主要内容
• 1.6.2 技术路线
• 第二章 实验设备和研究方法
• 2.1 实验设备
• 2.1.1 等离子体产生装置
• 2.1.2 电信号检测设备
• 2.1.3 光谱测量设备
• 2.1.4 其他分析检测设备
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 放电物理参数测量
• 2.2.2 光谱测量与辨识
• 2.2.3 光谱分析
• 2在低温等离子体中的活性基团及反应机理'>第三章 O₂在低温等离子体中的活性基团及反应机理
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验条件
• 3.1.2 放电物理参数分析
• 2 在介质阻挡放电中产生的活性基团'>3.2 O₂在介质阻挡放电中产生的活性基团
• +离子和OH 自由基'>3.2.1 O 原子、O⁺离子和OH 自由基
• 2 分子'>3.2.2 激发态O₂分子
• 2⁺'>3.2.3 氧气分子离子O₂⁺
• 3.3 活性基团形成机理分析
• 2 分子'>3.3.1 激发态O₂分子
• 3.3.2 激发态O 原子
• 2⁺'>3.3.3 氧气分子离子O₂⁺
• 3.3.4 氧气激发态的猝灭过程
• 3.4 活性基团参与的反应
• 3.4.1 活性基团之间的反应
• 3.4.2 活性基团与有机污染物的反应
• 3.5 本章小结
• 2在低温等离子体中的活性基团及反应机理'>第四章 N₂在低温等离子体中的活性基团及反应机理
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验条件
• 4.1.2 放电物理参数分析
• 2 介质阻挡放电产生的活性基团'>4.2 N₂介质阻挡放电产生的活性基团
• 2 分子及其产生过程'>4.2.1 激发态N₂分子及其产生过程
• 2⁺'>4.2.2 氮气正离子N₂⁺
• 4.2.3 N 原子及其产生过程
• 4.2.4 激发态NO
• 4.3 放电频率对各种活性基团的影响
• 4.4 本章小结
• 2/O₂介质阻挡放电的环境化学反应及中间产物'>第五章 N₂/O₂介质阻挡放电的环境化学反应及中间产物
• 5.1 实验部分
• 5.1.1 实验条件
• 5.1.2 放电物理参数分析
• 2含量对N₂ 介质阻挡放电中活性基团的影响'>5.2 O₂含量对N₂介质阻挡放电中活性基团的影响
• 2 分子激发态的影响'>5.2.1 对N₂分子激发态的影响
• 2⁺离子的影响'>5.2.2 对N₂⁺离子的影响
• 5.2.3 对O I 和N I 原子的影响
• 5.2.4 对NO 的影响
• 2 含量对等离子体参数的影响'>5.3 O₂含量对等离子体参数的影响
• 5.3.1 对电子温度的影响
• 5.3.2 对转动温度的影响
• 5.3.3 对振动温度的影响
• 5.4 本章小结
• 2在介质阻挡放电中的分解过程'>第六章 CO₂在介质阻挡放电中的分解过程
• 6.1 实验部分
• 6.1.1 实验条件
• 6.1.2 实验方法
• 2 介质阻挡放电时产生的活性基团'>6.2 CO₂介质阻挡放电时产生的活性基团
• 6.2.1 激发态CO 分子
• 2⁺'>6.2.2 基态与激发态CO₂⁺
• 6.2.3 激发态氧原子
• 2和O₂对CO₂ 放电的影响'>6.3 Ar、N₂和O₂对CO₂放电的影响
• 2 放电的影响'>6.3.1 Ar 对CO₂放电的影响
• 2/CO₂ 混合放电'>6.3.2 N₂/CO₂混合放电
• 2 混合放电'>6.3.3 Air/CO₂混合放电
• 2 放电分解产物分析'>6.4 CO₂放电分解产物分析
• 6.4.1 气相产物分析
• 6.4.2 电极和阻挡介质表面沉积物分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 二氧化碳分解途径及中间产物的量子化学计算
• 7.1 计算软件与方法
• 7.1.1 Gaussian 程序简介
• 7.1.2 计算方法与基组选择
• 7.2 二氧化碳分解中间产物的理论计算
• 2 的分子结构'>7.2.1 CO₂的分子结构
• 2 及相关分子的几何结构优化'>7.2.2 CO₂及相关分子的几何结构优化
• 7.2.3 分子运动参数计算
• 7.2.4 各分子（离子）平衡态能量计算
• 7.3 二氧化碳分解途径分析
• 7.3.1 激发分解途径
• 7.3.2 电离分解途径
• 7.4 本章小结
• 第八章 全文总结与展望
• 8.1 主要结论
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文及参与的项目
• 致谢