用于空气消毒的微型介质阻挡放电模块的特性和有效性研究

　　导读：有效灭活空气中的病原体对于空气质量控制和预防传染病至关重要，尤其是在室内人类居住环境中。广东美的环境电器制造有限公司和清华大学团队利用中智科仪逐光IsCMOS像增强相机研究基于表面介质阻挡放电等离子体的新型空气消毒器，成果以“Characterization and effectiveness of a miniaturized dielectric barrier discharge module for air disinfection”为题发表于期刊“Physics of Plasmas”。

　　研究背景

　　自21世纪以来，呼吸道病毒和呼吸道传染病呈现出周期性大规模爆发的趋势。空气消毒是切断传染源传播途径、降低感染率的有效手段，尤其是在人口密集且通风不畅的地区。就家用空气消毒器而言，除了认证的消毒效率外，还需要满足其他必要要求，例如低副产物排放、长寿命和低功耗。可以将小型化消毒器安装在风扇或冰箱等家用电器中，从而确保空气安全。从这个角度来看，传统使用的空气过滤器可能不适用，因为它的气流阻力大，而且仅靠物理过滤只能使微生物富集，很难使其失活。

　　非热等离子体(Non-thermal plasmas，NTPs)近年来在空气传播病原体消除方面展现出非凡的潜力，其优势在于低能耗、低气流阻力以及高灭活能力。基于等离子体的消毒器通常采用介质阻挡放电(DBD)或电晕放电的形式。然而，发生在大气中的DBD等离子体会产生臭氧和氮氧化物，这对人体呼吸系统有害。尽管可以通过催化剂或活性炭过滤器等技术降低臭氧浓度以符合环境标准，但在确保灭活能力的同时，开发一种低臭氧排放的 DBD 方案是更好的选择。

　　本工作建立了一个表面DBD(SDBD)反应器来评估其空气消毒能力，研究了等离子体诱导灭活中臭氧和离子的作用。与体积型DBD相比，主要在介质表面产生的SDBD具有较低的点火电压，从而减少臭氧的排放，并且可以调整为O3-主导或NxOy-主导模式。

　　实验装置及方法

　　DBD等离子体反应器的制造

　　DBD反应器由广东美的环境电器制造有限公司设计、制造并提供。如图1(a)和1(b)所示，DBD反应器呈圆柱形配置，内部螺纹状电极由碳钢制成，外部为编织网不锈钢电极。内、外电极之间由外径为5 mm的密封石英管隔开。外部电极网紧密附着在石英管上，有助于实现更均匀的放电。等离子体可以在石英管内外生成。内部放电是在内电极线和石英管之间的螺纹间体积放电，而外部放电是在电极网周围表面放电。两种放电都沿着内电极的螺纹进行[图1(b)]。需要注意的是，内部放电仅限制在石英管内，只有外表面放电用于空气消毒。因此，消毒性能代表了外表面放电的特性。

　　图 1. DBD 反应器(a)和(b)，放电照片(c)

　　光学发光特性

　　放电的光学信号通过增强型科学互补金属氧化物半导体(IsCMOS)相机(TRC411-H20-U，CISS)进行成像，以捕获放电外观。曝光时间设置为40 us，对应一个电压周期。

　　图 2. 实验设置：(a) 单程效率测试系统，(b) 主管道和插入式DBD反应器的侧视图，(c) 单程效率测试系统，(d) O3暴露实验，(e) 离子暴露实验

　　此外，论文工作还包括单程效率测试与Z值计算，循环消毒实验、O3暴露实验、离子暴露实验。

　　实验结果

　　图3. 等离子体放电光学信号分布图像

　　如图3所示，放电呈线性形状，并主要发生在螺纹电极周围。放电丝的典型宽度为100 um，输入电压越高，宽度越大。尽管有网状电极的遮挡，但由于电压较高，放电沿螺纹电极更加连续。

　　图4. 直流输入和气流速度的影响。(a) 直流输入为12V时的典型电压和电流波形， (b) 在不同速度下(RH = 22%-24%)直流输入电压与放电功率的关系， (c) 直流输入电压与单程效率的关系， (d) 速度与单程效率的关系。

　　在直流输入电压为12V下等离子体的典型电压和电流波形如图4(a)所示。对于直流输入电压为12V的情况，通过李萨如方法测量的放电功率约为1.4 W，而该功率几乎线性增加并与气流速率无关(图 4(b)，相对湿度 RH=22%-24%)。SDBD可以在O3或NxOy模式下工作。值得注意的是，在 NxOy 模式下，臭氧浓度通常随功率密度增加而降低。因此，本工作的SDBD 主要工作在 O3-主导模式。单次通过效率如图4(c)所示。随着输入电压从12 V增加到15 V，效率从15%增长至96%。然后将输入电压固定为15V以评估气流速度的影响。如图4(d)所示，效率随气流速度增加而降低，在速度为2m/s时效率低于20%。电压为15V情况下，比较图4(c)和图4(d)，较高的湿度水平可能促进消毒效率。

　　总结

　　在该工作中，提出了一种基于表面介质阻挡放电的家用微型空气消毒器。通过合理设计电极形状和尺寸，放电功率可以保持在相对较低的水平，即1-3W。等离子模块与电源一起具有微型尺寸，小于2×2×10立方厘米。在给定条件下等离子体主要以O3主导产物模式工作。放电功率和N2(C-B)发射强度与输入电压线性相关。特别关注了气流湿度的影响。尽管随着湿度增加，放电功率、电流、臭氧浓度和等离子发射强度会降低，但细菌灭活效率显著提高。就单次空气处理而言，等离子体的灭菌因素不是(或较少是)臭氧或离子，而是很可能是短寿命活性物质。在适当参数下，循环抗菌效率可在40分钟内达到>97%，2小时内达到消毒级别(>99.9%)，而运行2小时的臭氧排放量少于70 ppb。长期运行表明，所提出的等离子模块寿命长，有潜力用于家用。

　　论文链接：

　　https://doi.org/10.1063/5.0208487

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　　解决方案

　　中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。

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　　以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声;

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