22 / 2021-05-24 15:14:36

中频氦等离子体射流处理去离子水的一维流体仿真

等离子体与水溶液的相互作用广泛应用于生物医学、污水处理、农业育种等领域，是近年来的一大研究热点。等离子体的液相化学过程会显著影响其应用效果，但复杂、迅速的化学体系在实验检测上仍存在诸多困难，因此采用仿真研究很有必要。基于此，本文建立了基于实际装置的氦气中频冷等离子体射流处理去离子水的一维流体模型，分析了活性粒子的空间输运以及反应动力学过程，并结合放电特性、发射光谱以及液相活性成分的检测验证了模型的可靠性。仿真结果发现，等离子体的处理过程受三方面因素显著影响：带电粒子在射流管内壁的电荷沉积影响放电电流的连续性；被处理溶液的电导率影响放电电流的幅值；溶液中的残余离子杂质影响活化溶液的酸碱性。对气相过程而言，相较于沿面放电等离子体，射流结构下的电场耦合作用显著增强了如电子、OH_gas等短寿命活性粒子在气相区域的局部生成率，进而提高了其向水溶液的传质通量。对液相过程而言，液相活性主要来源于气相溶解的电子、OH_aq、H₂O_2aq以及HNO_2aq粒子。其中，液相电子分解H₂O_2aq的过程对短寿命OH_aq粒子的液相生成具有重要贡献；进一步地，OH_aq通过与NO_2aq^-间的电荷传递过程在溶液中直接生成低溶解度的NO_2aq粒子，而后者是液相RNS_aq体系的关键先驱粒子。以NO_2aq为起始的液相RNS_aq体系主要包含两条路径。其一，通过OH_aq的氧化作用生成ONOOH_aq/ONOO_aq^-，并在向溶液深层扩散过程中分解生成NO_aq粒子；其二，通过HO_2aq的氧化作用生成O₂NOOH_aq/O₂NOO_aq^-，并在向溶液深层扩散过程中分解生成O₂(a)_aq粒子。