大气压微波等离子体光谱特性解读.docx

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大气压微波等离子体光谱特性解读

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@;

孙　冰（1961-）,男,辽宁朝阳人,教授,博士生导师,E2mail:

sunb88@.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　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的激发态氩原子数量急剧减少.激发态氧原子谱线强度随氧气添加量的增加出现先增加后减小的变化趋

3

势,在氧气流量为40cmΠmin时,谱线强度出现最

3

大值,随后逐渐变小.当氧气流量从0～40cmΠmin变化时,激发态氧原子发射光谱强度逐渐增强,说明等离子体中激发态氧原子绝对数量逐渐增加.而当

3

氧气流量从40～200cmΠmin变化时,氧气的持续增加引起能量的大量消耗,而输入的微波能量恒定不变,造成自由电子数量不断减少,等离子体系中没有足够的能量用来形成激发态氧原子,导致激发态氧原子谱线光强变小.当氧气流量为200cmΠmin

3

3

微波输入的能量可以同时满足两种气体激发所需能量时,基态粒子数量决定激发态粒子数量.因此基态氧分子的增加,导致激发态氧原子在等离子体激发态粒子中所占比例的增加.

　　作为电负性气体,氧气分子消耗高能电子用来形成激发态氧原子,同时捕获自由电子形成O.随着氧气量的持续增加,等离子体系中高能电子会出

-

第4期　　　　　　　　　　解宏端,等:

大气压微波等离子体光谱特性　　　　　　　　　　　　93时,等离子体中氩和氧的激发态原子发射光谱强度均较弱,等离子体射流亮度和长度都在很大程度上变小.可以推断,继续增加氧气流量,最终会导致等离子体反应中止

.

功率从400W增至800W时,氩和氧激发态原子的相对强度均有不同程度的增加,说明各种激发态粒子的数量均有所增加.微波功率为800W～1000W时,发射光谱强度增加的幅度减小,且在1000W处出现了氩和氧激发态原子发射光谱强度的极大值.这是因为微波能量的增加导致等离子体中自由电子的能量和数量增加,使等离子体区域的氩和氧的激发态原子数量增加.在P=1000W时,氩和氧激发1200W时,,这

图4　

2.2　氩气流量为4LΠmin,氧气流量为200cmΠmin,微波功率为400W时,发射光谱强度很弱.分别将

使从激发态转变到电离状

从而导致激发态粒子数量相对减少.氮分子第一正态谱线的出现,说明等离子体中自由电子的能量达到了更高的水平,满足氮分子激发所需能量.从物质结构的角度分析,氩为单原子气体,原子外层电子数饱和,受到自由电子碰撞后,容易激发和电离,因而氩气等离子体在较低的微波功率下也可以激发和维持.氧分子是双键分子,键能为493kJΠmol,而双键中有一对电子是平行自旋的,这种电子的排斥力很大,进入等离子体区域后表现为氧分子受到自由电子的撞击形成激发态的氧原子和氧离子.而氮分子为三键分子,键能为941kJΠmol,与氧分子相比原子间共价键的能量更大,结构更稳定,不易形成激发态原子和离子,因此在等离子体中仅表现为氮分子的发射光谱,并没有出现氮原子激发态的谱线.Ar、O

2、N2的不同物质结构,使其在等离子体激发过程中表现出不同的特性.

微波功率提高至800、1000、1200W,测量不同功率

时的等离子体发射光谱,其结果如图5所示.在P=400～800W阶段,在670.48nm和589.60nm处出

图6　微波功率对激发态氧原子和氮分子比例的影响

3　结　论

图5　微波功率对微波等离子体光谱图的影响

现新的谱线,随着输入功率的增加,这两条谱线强度

均明显增强.通过分析,确定其为氮分子的第一正态

33+

激发光谱（BПAΣu）.图6为激发态氧原子和激g—发态氮分子谱线强度与激发态氩原子谱线相对强度的比值随微波功率的变化曲线.图7为各条谱线的相对强度与输入功率的关系曲线.由图7可知,微波

（1）在微波功率为400W时,随着氧气添加量

的增加,激发态氧原子在等离子体中所占比例逐渐增加,等离子体系中的能量出现过剩→平衡→不足的变化过程,氩和氧的激发态原子发射光谱强度均在减小,激发态原子数量也在减少.氩气流量为

4LΠmin,氧气流量为40cmΠmin,微波输入功率为400W时,提供的能量恰好满足氧分子在氩等离子

　　　　　　　　　　　　　　　　　　大连海事大学学报　　　　　　　　　　　　　第34卷　94

[3]HONGY,YOUNGS,KIMH.Reductionofperfluoro2

compoundemissionsbymicrowaveplasma2torch[J].ThinSolidFilms,2003（435）:

3292334.

[4]SHENGJ,MOOB.OxidativeconversionofPFCviaplas2maprocessingwithdielectricbarrierdischarges[J].PlasmaChemistryandPlasmaProcessing,2001,21（3）:

3112325.[5]ITAGAKIN,SASAKIK,KAWAIY.Electrontempera2turemeasurementinSiH4ΠH2ECRplasmaproducedby915

图7　微波功率对各种激发态粒子

发射光谱强度的影响

MHzmicrowaves[J].ThinSFilms,2006（506）:

4792]TAI,M,etal.Character2amicrostripheliumplasmawithgas2sampleintroductionfortheopticalemissionspectro2metricdeterminationofbromine,chlorine,sulfurandcarbonusingaminiaturizedopticalfiberspectrometer[J].Spectro2chimicaActaPartB:

AtomicSpectroscopy,2008,63（3）:

4152421.

[7]MOONS,CHOEW.Acomparativestudyofrotational

temperaturesusingdiatomicOH,O2andN2

+

体中形成最高数量的激发态氧原子.

（2）随着微波输入功率的增加,定程度后略有减小,.在功率达到800W后,激发态粒子开始向电离状态转变;功率超过1000W后,电离状态的粒子数增加,激发态的粒子数量减小.随着微波功率的增加,等离子中基态、激发态、电离态的粒子逐渐从基态向电离态转化.

（3）氮分子激发与氩原子和氧分子激发相比需

molecular

spectraemittedfromatmosphericplasmas[J].Spectrochim2icaActaPartB:

AtomicSpectroscopy,2003,58

（2）:

2492257.

[8]VACHERD,FAUREG,ANDREP.Thermodynamic

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155121564.

要更高的微波功率.大气压下微波等离子体激发和维持的条件与工作气体的物质结构密切相关.在微波等离子体中混入氧气进行氧化分解难降解有机物时,需控制氧气加入量和微波输入功率以保证等离子体中能量能够满足工作气体电离,同时满足混入气体产生足够多的活性粒子,从而提高有害气体的脱除效率.

参考文献（References）:

[1]PARKB,TAKATORIK,YOSHIKOS,etal.Degrada2tionofmycotoxinsusingmicrowave2inducedargonplasmaatatmosphericpressure[J].SurfaceandCoatingsTechnology,2007,201（9）:

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