氦气介质阻挡放电等离子体失活酵母菌机理的研究

实验利用氦气介质阻挡放电失活面包酵母菌研究大气压低温等离子体的灭活机制。采用美兰染色计数法给出了酵母菌存活数与处理时间的关系,结果显示酵母菌经过5min的氦气等离子体处理后,存活数下降了约7个数量级。利用扫描电子显微镜观察处理后的菌体形貌发现,经氦气等离子体处理5min后的酵母菌细胞壁有明显裂痕,细胞壁破损严重,形貌难以辨认。而就在3min～5min范围内被氦气处理后的菌液PH值已降至4.0以下,酸度增加,有可能使细胞壁中的脂类物质溶解,减薄了的细胞壁在静电张力作用下更加容易破裂,因此破裂程度加深,所以过低的pH值在静电作用的基础上加剧了破裂程度;并通过对培养基和菌液的pH值曲线与存活曲线的分析和比较进一步探讨了氦气介质阻挡放电过程中pH值的变化在失活酵母菌过程中的作用。

大气压栅状介质阻挡放电等离子体空气消毒研究

空气净化与消毒是控制呼吸道传染性疾病的有效途径。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)用于空气消毒具有高效、大面积放电、低风阻等优势,但目前对其空气消毒特性、消毒因子和消毒剂量的研究不足。文中介绍了清华大学电机系气体放电与等离子体研究团队近期关于栅状DBD等离子体空气消毒的研究进展。杀菌特性方面,重点研究了放电结构参量、湿度、微生物种类、电压类型等因素的影响,发现缩小间隙、增大电极尺寸、增加气流湿度均可提高杀菌效率和能量效率(Z值),相对湿度为60%时装置Z值可达1.68L/J;对MS2噬菌体气溶胶的单次通过净化效率可达99.5%~99.9%。杀菌因子方面,实验发现短寿命气相粒子是细菌气溶胶灭活的主要因子,长寿命粒子作用至多占总杀菌作用的30%。杀菌剂量方面,提出以比能量密度作为等离子体空气消毒的剂量参数,并基于湿空气放电的化学反应动力学模型,发现单粒子剂量与功率密度的线性关系,揭示了比能量密度作为剂量的机制。该研究可为介质阻挡放电空气消毒提供理论和工程应用支撑。

γ-Al_(2)O_(3)负载的Ni、Fe、Cu对介质阻挡放电等离子体转化CO_(2)/CH_(4)的影响

二氧化碳和甲烷是大气中主要的温室气体,两者的高效资源化利用有助于实现双碳目标。等离子体催化CH_(4)/CO_(2)气液两相均有产物,但存在产物组成复杂、选择性低的问题。等离子体与催化剂结合可以有效提高目标产物选择性,本文采用微燃烧法将活性金属负载在载体γ-Al_(2)O_(3)上,与等离子体结合催化转化CH_(4)/CO_(2)。负载金属后催化剂氧空位比例的改变增强催化剂表面碱性,进而提高CO_(2)转化率。负载金属后弱酸比例增加,有利于合成液相产物,其中Lewis酸有利于合成醇类产物,而Brønsted酸促进了乙酸合成。金属催化剂装填增强了介质阻挡放电功率,转移更多电荷,提升了反应能量效率。通过催化剂结构对产物选择性的影响规律研究,有利于针对等离子体催化进行催化剂的理性设计。

介质阻挡放电低温等离子体处理对宰后羊肉色泽和氧化稳定性的影响

以宰后羊双侧背最长肌为研究对象,在宰后不同贮藏时间利用介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)低温等离子体处理,通过分析冷藏期间样品色泽、肌红蛋白含量、脂肪氧化、总巯基含量和表面疏水性的变化,明确宰后不同贮藏时间进行DBD低温等离子体处理对羊肉色泽和氧化稳定性的影响。结果表明:宰后不同时间利用DBD低温等离子体处理对羊肉的L^(*)、a^(*)值无显著影响(P>0.05),但b^(*)值显著高于未经DBD低温等离子体处理的对照组(P<0.05);DBD低温等离子体处理会降低肉色稳定性,加速肉色劣变,P6(宰后6 h处理)和P12(宰后12 h处理)组色泽稳定性受到的影响较小;宰后不同时间利用DBD低温等离子体处理对羊肉的肌红蛋白含量无显著影响(P>0.05);DBD低温等离子体处理组样品的硫代巴比妥酸反应物含量高于对照组(P<0.05),且DBD低温等离子体处理后会显著降低羊肉中总巯基含量并增加溴酚蓝结合量(P<0.05)。综上,宰后6~12 h使用DBD低温等离子体处理羊肉对稳定和保持肉色的作用最明显。此外,DBD低温等离子体处理可以加速肌原纤维蛋白氧化,在改善羊肉肌肉品质方面具有潜在的应用价值。

基于介质阻挡放电低温等离子体分析储藏稻谷高温胁迫下酚类代谢规律

【目的】探讨介质阻挡放电低温等离子体(DBD-CP)处理对储藏稻谷高温胁迫下酚类代谢规律的影响。【方法】模拟夏季高温35℃条件下,以新鲜偏高水分稻谷(粳稻,16.0%水分含量,湿基水分)为原料,分析DBD-CP处理对储藏稻谷L^(*)、a^(*)、b^(*)、黄度指数(YI)、活性氧以及丙二醛(MDA)等品质指标的影响,探讨储藏过程中总酚和总黄酮成分的变化规律,并结合抗氧化活性ABTS^(+)、DPPH自由基抑制率以及铁离子还原能力等多重验证,联合苯丙烷代谢关键限速酶的活性变化,共同揭示DBD-CP处理下的储藏稻谷酚类代谢规律。【结果】经DBD-CP处理后,稻谷储藏过程中颜色稳定性得到显著提升,对应储藏60 d后的处理组黄变指数显著降低了12.6%,超氧阴离子、过氧化氢以及MDA含量在储藏20 d时分别相对降低14.8%、41.6%和21.6%,对应的新鲜偏高水分稻谷劣变速率显著受到抑制;此外,在高温胁迫储藏期间,处理组样本总酚及总黄酮含量同步增加(P<0.05),最大上升幅度分别为对照组的1.23和1.34倍,对应样本的抗氧化特性和铁离子还原能力均得到显著提升(P<0.05);结合苯丙烷代谢关键限速酶的活性分析,对应处理后苯丙氨酸解氨酶(PAL)、肉桂酸-4-羟化酶(C4H)和查尔酮合酶(CHS)活性显著增强,上升幅度在1.71—2.28倍;相关性分析进一步证实,高温胁迫下偏高水分稻谷酚类物质含量与PAL、C4H和CHS酶活性密切关联(P<0.05),与籽粒内部活性氧以及丙二醛含量显著负相关(P<0.05)。【结论】介质阻挡放电低温等离子体处理可以通过激活苯丙烷代谢促进偏高水分稻谷籽粒内部酚类合成速率,加强组织抗氧化特性并缓解膜质过氧化和自由基的积累,进而延缓稻谷在高温胁迫储藏环境下的品质劣变。

CoFe-LDH/泡沫铜的制备及催化介质阻挡放电等离子体降解水中敌草隆性能与机制

采用一步水热法,以钴和铁元素为活性组分制备了片层状钴铁层状双金属氢氧化物(CoFe-LDH),通过调节元素摩尔比和水热温度、时间以及尿素投加量的制备条件得到了可以高效催化介质阻挡放电等离子体(DBDP)的粉末催化剂。研究结果表明,当n(尿素)∶n(Co)∶n(Fe)=10∶3∶1,水热温度为120℃,水热时间18 h时,得到的CoFe-LDH催化性能最优,其催化DBDP降解敌草隆(DUR)的降解率和降解速率常数分别达到了96.54%和0.1354 min^(-1),制备条件中水热时间对催化性能影响最大。在此基础上,将配比优化的CoFe-LDH负载在泡沫铜(CuF)表面,得到了片状可回收的三元CoFe-LDH/CuF(CFHC)催化剂。系统地表征了CFHC的结构组成,研究了微观结构和元素组成与催化性能之间的内在联系。由于还原态铜元素的引入,增加了催化剂表面的氧空位含量,显著地提升了复合材料的催化性能。CFHC的加入成功将DBDP对敌草隆的去除速率提升至0.2175 min^(-1),是DBDP空白体系的3.18倍。CuF的引入增加了催化剂的导电能力,在降解过程中钴、铁、铜和氧空位之间的电子转移是高催化活性的根本原因,CFHC重新调整了DBDP体系内的优势活性物种,·O_(2)^(-)和^(1)O_(2)取代·OH成为了降解敌草隆的主要活性物质。

多孔阳极氧化铝介质对大气压介质阻挡放电等离子体的影响

为了提高大气压下介质阻挡放电的稳定性,采用阳极氧化方式在铝板表面制备一层多孔阳极氧化铝(Porous anodic alumina,PAA)。运用扫描电子显微镜、划痕仪、金相显微镜和台阶仪测试了阳极氧化铝的表面形貌、厚度等特性。比较分析了石英、陶瓷和PAA为介质的大气压下介质阻挡放电的放电过程图片和放电波形。实验表明:应用阳极氧化法制备的多孔阳极氧化铝具有规则的纳米级多孔结构,膜基结合力好;应用多孔阳极氧化铝作为介质的介质阻挡放电更稳定,放电中产生的更密的微放电有助于降低放电击穿电压和提高放电稳定性;更厚的多孔阳极氧化铝膜为介质的大气压介质阻挡放电具有更好的放电稳定性。

正弦交流介质阻挡放电等离子体激励器诱导流场研究的进展与展望

正弦交流介质阻挡放电等离子体流动控制技术是基于等离子体激励的主动流动控制技术,具有响应时间短、结构简单、能耗低、不需要额外气源装置等优点,在飞行器增升减阻、抑振降噪、助燃防冰等方面具有广阔的应用前景.针对“激励器消耗的大部分能量尚未被挖掘利用、诱导流场的完整演化过程尚未完全掌握、诱导流场的演化机制尚不明确”这三方面问题,本文首先从激励器诱导流场的空间结构、时空演化过程、演化机制三个方面回顾总结了激励器诱导流场的研究进展.在诱导流场空间结构方面,发现了高电压激励下诱导射流的湍流特性,辨析了壁面拟序结构与无量纲激励参数之间的关联机制;从激励器诱导声能方面挖掘出了激励器潜在的能量,发现了“等离子体诱导超声波与诱导声流”的新现象,提出了声激励机制;在时空演化过程方面,阐明了激励器诱导流场从薄型壁射流发展为“拱形”射流、再演变为启动涡,最终形成准定常射流的完整演化过程;在演化机制方面,结合声学特性提出了以“升推”为主的诱导流场演化机制.其次,围绕激励器诱导流场,进一步凝练出下一步研究重点,为突破等离子体流动控制技术瓶颈,打通“概念创新—技术突破—演示验证”的创新链路,实现工程应用提供支撑.

基于质谱法的大气压介质阻挡放电等离子体中O_(3)和N_(2)O组分的测量

为提高介质阻挡放电(DBD)在大气压条件下低温等离子体的产率以及设备的稳定性和可靠性,降低处理成本,提高航天发射废水的降解率,利用四极杆质谱仪设计了一套基于质谱法的大气压DBD等离子体中O_(3)和N_(2)O组分测量系统,通过测量等离子体组分和未放电时的大气组分来证实该方法的可行性。结果表明,在101.325 kPa大气压条件下,使用6管同轴介质阻挡放电,在控制电压为200 V时,O_(3)和N_(2)O的组分浓度达到最高;在控制电压为200 V,空气流量为7.8 L/min时,O_(3)的组分浓度达到最高;在空气流量为3.8 L/min时,N_(2)O的组分浓度达到最高。综上所述,控制电压和空气流量对等离子体组分浓度有较大影响,解决了传统质谱法难以应用于大气压条件下DBD等离子体活性产物测量和强电场对质谱仪干扰的问题。本研究结果在DBD反应器的优化、关键参数的调控和实现大气压DBD在降解航天推进剂废水的工程实际应用方面具有参考价值。

介质阻挡放电低温等离子体降解甲基红模拟染料废水的研究

利用介质阻挡放电低温等离子体技术对甲基红模拟染料废水进行降解研究,降解反应在同心管式反应器中进行。考察了放电功率、溶液初始浓度、初始pH、处理时间、气氛条件等单因素的改变对甲基红降解效果的影响,通过测定甲基红521 nm处的吸光度值、溶液pH及颜色变化,分析了甲基红降解历程,并推测了降解机理。研究结果表明:在本实验中,溶液在115 W低放电功率下的处理效果更好,由于处理效果受温度、湿度等影响,放电功率与处理效果间并不呈正相关关系;溶液的初始浓度越高,达到同样的降解效果所需的时间越长;相同条件下,模拟废水的初始pH越低,其处理后的降解效果越好,即酸性条件下更有利于甲基红断键降解。

大尺度大气压均匀介质阻挡放电等离子体射流的生成特性研究

搭建了一种能够生成大尺度大气压氮气均匀介质阻挡放电等离子体射流的电极结构实验装置。利用电场仿真软件和流体仿真软件研究了该电极结构的电场分布和流场分布;通过实验,分别对放电特性和射流特性进行研究。结果表明:采用厚度不均匀的阻挡介质,有利于在放电间隙中形成产生起始放电的亚毫米间隙,有利于沿电子崩的发展方向形成产生均匀放电的先大后小的电场分布,进而在大气压氮气或空气中实现较大区域的均匀介质阻挡放电。在实验中,利用气流的作用,在大气压氮气中实现了长10 mm、宽15 mm的大尺度等离子体射流。

介质阻挡放电等离子体检测器在分析气体中微量组分的应用

使用介质阻挡放电等离子体检测器(BID)对几种气体中特殊组分进行了分析方法研究。使用不同类型的色谱柱,在实验条件下,实现目标气体组分的全部分离检测。砷烷、二氧化硫、氨气、氯气、甲醛、水分可以使用TCD检测器进行分析,灵敏度却很低,但是在BID检测器上,这几种物质却表现出很高的响应;含氧有机物和含卤素有机物通常在FID检测器上进行分析,但是在含量很低的时候响应却不理想,BID检测器对于含卤素有机物和含氧有机物有着很高的响应峰面积。含硫化合物一般采用气相色谱FPD和SCD来检测,但是FPD和SCD使用条件限制多,维护繁琐,BID检测器对含硫化合物有着不错的灵敏度和较高的线性范围,通过对以上物质进行分析方法研究,实验结果完全可以满足微量、痕量定量分析的要求。

毛细管共面介质阻挡放电等离子体特性

共面介质阻挡放电(coplanar dielectric barrier discharge,CDBD)因高压电极和接地电极掩埋在绝缘介质中而具有较长的使用寿命和广泛的应用前景。然而,传统CDBD起始电压高、制作较为复杂,这会限制其应用的进一步发展。因此提出了一种新型的毛细管CDBD结构,即用填充铜粉的毛细管作为高/低压电极,并利用两电极间的紧密接触缩短放电气隙以降低起始放电电压。该研究从流光发展过程、光学特性、电学特性以及活性粒子生成角度对毛细管CDBD进行了系统性的研究,并探究了脉冲电压幅值、上升时间、下降时间、峰值平顶宽度、电极直径以及介质的相对介电常数对等离子体特性的影响。结果表明,毛细管CDBD在单次脉冲作用下存在一次放电和二次放电,分别对应电流极性为正和为负的部分。在脉冲上升沿阶段,流光从相邻高/低压毛细管间的“V型”区域底部产生,然后主要沿着高压电极表面爬升并达到最高点。而在脉冲下降沿阶段,流光则主要沿着接地电极表面发展。高的脉冲电压、短的脉冲上升时间和下降时间有利于放电的增强和活性粒子的生成。同时脉冲上升时间的增加还会使得放电均匀性变差,而脉冲峰值平顶宽度的影响则较为有限。相对介电常数的增加能够增强放电强度和降低起始放电电压,而电极直径的增加虽能增加放电面积,但也会使得放电强度变差。

纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨工艺条件优化

氨(NH3)作为重要的化工原料对农业及国计民生发展有直接影响。工业合成氨需高温高压、能耗高和污染重。低温等离子体技术是一种可持续,有潜力的合成氨途径,已成为国内外研究热点。本工作以氮气和氢气为原料,在低温常压下采用纳秒脉冲介质阻挡放电等离子体合成氨,通过单因素实验系统研究脉冲峰值电压、脉冲重复频率、气体总流量、N_(2)和H_(2)体积比(V(N_(2))∶V(H_(2)))等因素对合成氨速率及能量产率的影响规律。进一步通过正交实验评价确定影响合成氨反应速率因素的主次顺序为:脉冲峰值电压>脉冲重复频率>气体体积比>气体总流量。影响合成氨能量产率因素的主次顺序为:脉冲峰值电压>气体体积比>脉冲重复频率>气体总流量。结合两部分实验,最终得到合成氨的优选条件:脉冲峰值电压16 kV、脉冲重复频率6 kHz、脉冲上升沿100 ns、V(N_(2))∶V(H_(2))=1∶1、气体总流量200 mL/min。此时NH3合成速率最高为923.08μmol/h,能量产率为0.30 g/kWh。

Mn基金属有机骨架(MOFs)催化剂制备及介质阻挡放电(DBD)等离子体协同催化降解甲苯

采用溶剂热合成法制备了Mn-MOF-74和Mn-TPA-DMF两种Mn基MOFs催化剂,并用XRD、FTIR、SEM、BET和XPS等对催化剂进行了表征.采用催化剂与介质阻挡放电(DBD)等离子体反应器协同系统评估甲苯气体降解性能.研究结果表明,采用DBD/Mn-MOF-74催化降解甲苯,当能量密度为830.57 J·L^(-1)、氧气体积分数为4%时,甲苯降解率达97.3%,CO_(2)选择性为49.4%,矿化度为72.8%,能量效率为5.77 g·kWh^(-1).与单独DBD相比,Mn基MOF催化剂的引入提高了甲苯的去除率、CO_(2)的选择性和碳平衡,有效抑制了副产物O_(3)和NO_(x)的生成(下降了约50%).与Mn-TPA-DMF相比,Mn-MOF-74表现出更优越的等离子体协同催化性能.结合催化剂的表征结果及性能评估,推测Mn基MOFs大的比表面积、表面吸附氧(Oads)、Mn多价态(Mn^(2+),Mn^(3+),Mn^(4+))之间的电荷循环转移是影响催化性能的关键因素.

介质阻挡放电低温等离子体协同催化降解苯乙烯

采用介质阻挡放电(DBD)低温等离子体协同催化降解苯乙烯,考察了输入功率、初始苯乙烯质量浓度、气体湿度、停留时间、脉冲频率等因素对苯乙烯降解率和能量效率的影响,建立了苯乙烯降解动力学模型,探讨了苯乙烯的降解机理。结果表明:在输入功率30 W、初始苯乙烯质量浓度464 mg/m^(3)、气体相对湿度30%、停留时间0.18 s、脉冲频率200 Hz的最佳工艺条件下,苯乙烯降解率为62.20%,能量效率为36.10 g/(kW·h);DBD等离子体降解苯乙烯的动力学过程符合准一级动力学模型,相应的反应速率常数为0.1094 m^(3)/(W·h)。DBD等离子体降解苯乙烯主要通过活性物种e^(-)、·O、·OH和NO_(2)·等对苯乙烯进行氧化。与单独DBD等离子体工艺相比,在相同输入功率下,DBD协同催化工艺能有效提高苯乙烯降解率和矿化率,降低反应器出口O3浓度。

介质阻挡放电低温等离子体处理对宰后羊肉嫩度的影响

以宰后羊双侧背最长肌为研究对象,在宰后不同贮藏时间利用介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)低温等离子体进行处理,通过分析贮藏期间样品pH值、菌落总数、肌原纤维小片化指数(myofibrillar fragmentation index,MFI)以及肌原纤维超微结构,明确在宰后不同时间进行DBD低温等离子体处理对羊肉嫩度的影响。结果表明:在贮藏过程中,宰后6h和12h进行DBD低温等离子体处理的羊肉贮藏至12h时pH值均显著低于其他处理组(P<0.05);宰后12~72h时用DBD低温等离子体处理样品的菌落总数较未处理组显著降低;随着贮藏时间的延长,各处理组MFI逐渐增大,且在6~72h内呈显著上升趋势(P<0.05),在72h后趋于稳定;宰后6~24h进行DBD低温等离子体处理样品的MFI增长速率总体显著高于其他样品组(P<0.05);宰后成熟早期(6~24h)DBD低温等离子体处理组肌节长度在贮藏24h时显著变短(P<0.05),且低于其他组别,且24h处理组在贮藏24h时肌节长度最短。综上,宰后12~24h时使用DBD低温等离子体处理羊肉在减菌的同时对其嫩度的影响效果最小。

介质阻挡放电氦等离子体-气相色谱测定绿豆中脂肪酸含量

基于介质阻挡放电氦等离子体-气相色谱结合微型样品前处理方式,建立绿豆中脂肪酸含量的快速测定方法,采用石英毛细管柱HP-88(100 m×0.25 mm,0.25μm)(88%-氰丙基/芳基-聚硅氧烷固定液),载气为超纯氦气(纯度99.999 9%),载气流量为1.5 mL/min,柱温为程序升温,进样口温度250℃,隔垫吹扫流量为3 mL/min,分流比为1∶60,检测器温度为280℃,等离子体放电气体流量为40 mL/min,进样体积为1μL;样品中目标物采用异辛烷萃取,氢氧化钾-甲醇甲酯化后上机分析。实验结果表明,绿豆样品中8种脂肪酸甲酯检测灵敏度在0.105～0.196μg/mL之间,相对标准偏差在1.04%～1.35%之间。所建方法所需样品量及化学试剂少,样品前处理简单快速,重现性好,能够精确测定绿豆中脂肪酸含量。

网电极沿面介质阻挡放电等离子体润湿性改性及清洗性能研究

目的针对大气压等离子体装置存在的等离子体面积小、温度高及均匀性差等问题,研发一种网电极沿面介质阻挡放电装置和等离子体清洗平台。方法通过静电场仿真和实验,优化装置的结构参数,通过分析放电波形探究装置的放电特性。最终确定网孔的对角线尺寸为6 mm,采用厚度为0.3 mm的云母片作为介质材料。通过清洗平台对涂有润滑油的玻璃表面和铝片表面进行清洗实验,并通过AFM、SEM、EDS对清洗前后的表面形貌和元素组分进行分析,探究等离子体清洗机理。结果放电装置的电场强度和放电功率与网孔尺寸、介质材料的相对介电常数及放电电压呈正相关,与介质厚度呈负相关,放电装置的放电功率随着频率的增加呈先增大后减小的趋势,样品表面接触角随着电压的增大显著降低,随着放电频率的增加呈先减小后增大的趋势,并在5.29 kHz时达到最大放电功率(79 W)。通过试验得到了玻璃的最优清洗参数,电压峰值为11.52 kV,放电频率为5.29 kHz,处理距离为0.3 mm,处理时长为20 min,样品移动速度为2 mm/s。得到了铝片的最优清洗参数,放电电压峰值为11.60 kV,放电频率为5.29 kHz,处理距离为0.3 mm,处理时长为30 min,样品移动速度为2 mm/s。结论从润湿性改变、光学显微镜照片、扫描电镜、原子力显微镜及表面元素的角度对样本表面的油污进行检验,经检验发现,样品表面的油污被去除,并显著改善了其润湿性。等离子体清洗以化学反应为主,可在不对表面造成损伤的前提下去除表面有机污染物。

介质阻挡放电等离子体对单增李斯特菌的杀灭效果及作用机制研究

采用扫描电子显微镜(SEM)、流式细胞分析、荧光染色等方法研究介质阻挡放电(Dielectric Barrier Discharge,DBD)等离子体对单增李斯特菌(Listeria monocytogenes)的杀灭效果及对其细胞形态、细胞膜变化、胞内活性氧(Reactive Oxygen Species,ROS)水平等的影响。结果表明:经放电功率为20.8 W的DBD等离子体处理80 s后,L.monocytogenes菌落数从初始8.26 lg CFU/mL降低至1.30 lg CFU/mL,其胞内ROS相对水平显著升高了9.5倍(P<0.05);DBD等离子体处理会破坏L.monocytogenes的细胞形态,增强细胞膜通透性并使其发生去极化,且细胞损伤程度随处理时间的延长而显著增加;经DBD等离子体处理后,生理盐水的pH值显著降低,氧化还原电位(ORP)、NO_(3)^(-)、NO_(2)^(-)和H_(2)O_(2)浓度均显著升高。DBD等离子体杀灭L.monocytogenes的作用机制是其可损伤细胞膜、诱导氧化应激损伤等。