学会动态---等离子体及应用专业委员会
 

《中国电机工程学报》最新综述文章:大气压低温等离子体特性与应用研究现状
发表时间:2020/3/6 18:54:24  点击:82

 

2018年全国高电压与放电等离子体学术会议于20181012-14日在南京成功举行。高电压与放电等离子体技术领域的三大基础方向-高电压、脉冲功率和等离子体是此次会议主要议题。从各主题摘要的数量和比重来看,大气压低温等离子体主题的摘要在数量上占了绝对的优势,体现了大气压低温等离子体技术近些年的发展势头。为促进相关学科研究人员对放电等离子体的认识和关注,加强学科间的交流与合作,探索学科未来新的发展方向,进一步推动大气压低温等离子体技术在实际应用和产业化方面的发展,近期,南京工业大学梅丹华副教授、方志教授和中国科学院电工研究所邵涛研究员全面梳理了大气压低温等离子体的研究现状,总结了大气压低温等离子体技术在面向国家重大需求和科学前沿领域基本特性理论与实际应用方面的主要进展和重要成果,分析了未来发展趋势,并在《中国电机工程学报》合作发表了题为大气压低温等离子体特性与应用研究现状的综述论文。

该综述论文分为大气压低温等离子体的研究动态和未来发展趋势两大部分。在大气压低温等离子体的研究动态部分,论文指出目前国内关于大气压低温等离子体的研究主要集中在特性机理探索和实际应用两个方面,如图1所示。

大气压等离子体20191223

1 大气压低温等离子体在特性机理和实际应用方面的研究热点

 

论文从等离子体激励电源、等离子体产生装置、实验诊断技术和数值仿真技术等方面总结了大气压低温等离子体放电特征分析、等离子体参数诊断和调控、放电稳定性和均匀性分析以及放电理论扩展等方面的进展。在等离子体激励源方面,关于高频交流、脉冲及射频作为激励源的研究均有报道,但是相比之下脉冲激励源是大气压低温等离子体最热门的激励电源;此外,多种电源组合使用也是研究人员关注的热点。在大气压低温等离子体产生方式方面,介质阻挡放电(DBD)、大气压等离子体射流(APPJ)和滑动弧放电等离子体(GAD)是目前的研究热点。关于GAD的基本特性研究主要集中在周期特性和放电模式上。DBD分为体介质阻挡放电(volume DBDVDBD)和表面介质阻挡放电(surface DBDSDBD)VDBD基本特性方面的研究主要体现在放电稳定性、均匀性和放电模式方面;SDBD基本特性的研究集中在电荷分布和输运特性方面。APPJ的基本特性研究则集中在射流的产生和传播机制、射流阵列的稳定性和均匀性以及APPJ与作用对象的相互作用过程等三个方面。关于大气压低温等离子体的实验诊断技术,目前仍然以电气测量和光学诊断手段为主;另外,基于低温等离子体的诊断技术也逐步发展起来。在等离子体数值仿真技术方面,目前主要基于流体模型、粒子模型和化学反应动力学模型开展相关研究。

关于大气压低温等离子体实际应用的讨论热点主要集中在材料处理、能源转化、环境治理、生物医学、航空航天、农业食品等领域。在材料处理领域,论文总结了大气压低温等离子体在材料制备和改性方面的研究进展。大气压低温等离子体材料制备主要围绕功能材料和催化剂等展开,例如高温聚合物电容器薄膜、纳米结构复合材料、储能和催化材料等;等离子体材料改性则主要集中在纺织纤维、聚合物绝缘材料、陶瓷以及金属等的表面改性。在能源转化方面,大气压低温等离子体的应用包括CO2转化、甲烷活化、碳氢化合物制氢、生物质能转化利用等。CO2转化的研究集中在CO2直接分解、CO2转化制备液态有机物和CO2转化反应器的设计优化;甲烷活化则围绕甲烷无氧转化、甲烷干重整及上述过程的放电特性等;等离子体碳氢化合物制氢方面目前采用的原料主要为乙醇、液态烃等;等离子体生物质转化的研究主要集中在生物质快速液化和生物质气化产物净化等;等离子体能源转化过程的能量效率是上述应用领域共同关注的问题。在环境治理领域,大气压低温等离子体的应用主要包括废气处理和废水处理两个方面。在废气处理方面,主要焦点为等离子体联合催化剂或者双功能材料来协同降解VOC;在废水处理方面,采用的放电形式有气液放电和液相放电两种,单纯等离子体降解和等离子体与其他技术相结合进行废水降解处理的研究均有报道,重点关注等离子体废水降解机理及与其他技术相结合时产生的协同作用。在生物医学领域,目前国内的研究热点集中在癌症治疗、病菌灭活等方面。在癌症治疗方面,主要围绕等离子体诱导肿瘤细胞死亡机制、等离子体治疗安全性及临床治疗技术等;在病菌灭活方面,研究工作主要围绕如何获得化学活性强、稳定性好的大气压低温等离子体、如何提高灭菌效率及相关灭菌机制等方面展开,此外采用等离子体活化物,例如活化水、活化油等,能起到有效杀灭病菌的效果,也逐步成为研究热点。在航空航天领域,研究热点集中在等离子体电推进、点火助燃和流动控制方面。在等离子体电推进方面,主要围绕不同类型推力器进行等离子体参数诊断、结构设计、参数优化和样机试验等研究。在等离子体点火助燃方面,研究热点主要在不同放电形式等离子体点火助燃装置的性能方面,例如滑动弧等离子体、射流等离子体等。在等离子体流动控制方面,主要围绕如何提高激励器控制力和控制效率等展开研究。在农业食品领域,研究热点集中在等离子体处理促进农作物生长、等离子体固氮以及等离子体杀菌消毒等方面。

在大气压低温等离子体未来发展趋势部分,该综述指出,未来发展应立足于相关应用领域的具体需求,重点解决制约其迅速发展的基本理论问题和关键技术问题。例如,在基本理论方面,需要针对相关应用领域的具体需求,对其所涉及的放电产生机制、时空演化机制、放电稳定性、非线性动力学过程以及等离子体参量调控等方面进行系统性的研究,包括采用精准的实验诊断技术和开发精确高效的数值模拟方法。在实际应用方面,在拓展应用领域的同时,需要不断提高技术水平,解决特定应用领域的相关技术壁垒问题。例如,开发新型高性能等离子体激励源,精确调控等离子体参量并提高过程效率。与此同时,在材料处理领域,需要解决大面积均匀稳定高活性等离子体产生问题、材料表面改性作用的时效性问题以及大面积等离子体材料处理装置的研发问题。针对能源转化和环境治理领域涉及的等离子体协同催化技术,需要开发适用于等离子体条件下的高活性催化剂,并解决催化剂失活和等离子体协同催化系统工程化放大问题。在涉及等离子体和液体相互作用的领域,需要解决放电稳定性、等离子体与液体之间传热传质以及关键活性成分的精准调控问题。在生物医学和农业食品领域,需要建立等离子体剂量与治疗和处理效果之间的精确关系,并实现等离子体剂量的有效控制;对于等离子体生物医学,人体安全性也是需要重点关注的问题。通过基本特性理论和实际应用关键技术协同发展,建立和发展面向具体实际应用的等离子体理论和工艺体系,实现大气压低温等离子体技术在更多的领域大规模推广应用。

本综述论文的发表得到了中国电工技术学会等离子体及应用专委会的支持。

论文全文信息:梅丹华,方志,邵涛. 大气压低温等离子体特性与应用研究现状,中国电机工程学报,202040(4)1339-1358.    

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