南昌大学设计研究院江西南昌330000
摘要：介质阻挡放电（DielectricBarrierDischarge:DBD）近年来在材料物理领域具有较为广泛的应用。同时，活性炭材料由于其对物质的净化、吸附性能良好，并且具有良好的经济性，故在许多领域都有广泛的应用。
DBD改性活性炭作为二者的结合，正日益得到研究人员的重视，本文对DBD改性活性炭的机理，影响因素进行综述，并在一定基础上对DBD改性活性炭材料的应用前景进行展望。
关键词：DBD、活性炭、改性
0引言
介质阻挡放电（DielectricBarrierDischarge:DBD)运用于活性炭改性是近20余年来新型的活性炭改性技术，其可在大气压条件下产生低温等离子体，尤其适用于低温等离子体的工业化应用。DBD产生等离子体的过程具有均匀，漫散以及稳定的特点，并且在介质阻挡放电过程中产生的电子能量远高于等离子体产生的其他形式。
本文对DBD改性活性炭技术进行了相应的阐述，介绍了DBD在活性炭改性技术上的影响因素，并对DBD在活性炭改性上的应用前景进行了展望。
1介质阻挡放电
1.1介质阻挡放电放电特性
介质阻挡放电（DBD）是在两金属电极之间插入至少一块绝缘物质，用以阻挡放电通道，故称之为介质阻挡放电[1]。DBD通过50Hz及以上的正弦波形交流高压电源驱动，主体结构包括高压电极，绝缘介质，低压电极三个部分，在放电过程中由于绝缘介质的存在，避免了电弧产生，从而使气体放电呈现均匀，漫散状态[2]。
随着放电电压的升高，两极板间气体会经历三个阶段变化，由绝缘状态到部分击穿再到空间放电状态[3]。
气体击穿后，导电通道建立，电荷聚集在绝缘介质上，并且形成一与外加高压电场相反的附加电场，并随着电子的进一步积累而使得电场场强持续减弱，从而导致放电熄灭。至此一个放电过程结束。
1.2介质阻挡放电放电器结构
介质阻挡放电的放电器结构主要有平板式结构以及同轴式结构，平板式结构主要由高压电极，绝缘介质以及低压电极组成，其中绝缘介质可安装于高压或低压电极极板上，亦可安装于两极板间[4]。
同轴式结构主要由内电极，地电极以及绝缘材料制成的同轴介质，与平板式结构类似，其绝缘介质可同时布设与内电极，外电极上，亦可单独布设。
2活性炭改性方法
活性炭的改性主要通过一定的物理，化学方法改变活性炭表面官能团及表面负载离子，从而改变活性炭表面的吸附性能，活性炭改性的主要方法有物理法改性，化学法改性以及物理化学相结合的方法。
物理方法改性活性炭，首先对原材料进行一定的低温碳化处理，去除其材料中的挥发性成分，再通入气体对碳材料表面进行一定的改性处理，如水蒸气或二氧化碳等。通过开孔，扩孔以及新造孔洞的作用，使其活性炭材料改性。
化学方法改性主要有：表面还原法，表面氧化法、负载离子法等，在实际运用过程中联合使用不同的方法对其进行改性。传统的化学法制备活性炭也分为炭化和活化两步，现已经实现了化学一步活化法制备活性炭。而物理与化学相结合的方法，通常以化学溶剂浸渍的方式进行，通过调整浸渍比例和浸渍时间，以获得特殊孔径或官能团的产物。
采用物理或化学方法对活性炭进行改性，对活性炭的吸附性能有较大的影响，这是因为大部分酸性官能团和少部分碱性官能团在高温下被分解成CO2、CO、H2O等低分子产物，并从活性炭上脱离。
3DBD改性活性炭机理
DBD改性活性炭主要借助DBD等离子体与材料表面的相互作用的过程而对碳材料进行改性，在实际过程中主要包括等离子物理以及等离子化学两个过程，DBD产生高速电子以使气体分子激发，电离成为相应的自由基，正离子与活性炭表面基团相互作用使被处理材料表面发生刻蚀现象。同时中性原子与相应的自由基团附着在被处理材料表面，从而形成沉积层。而由于电子的快速抨击，使器壁建立层电位。带正电性的粒子从而向负电性表面运动，并与电子发生碰撞。在此过程中当离子与中性粒子在活性炭表面作用时，入射粒子能量传递给活性炭表面原子，使表面原子发生溅射，随后溅射粒子返回活性炭表面，这一过程降低了表面分子量。
同时，具有一定能量的电子，离子以及其他粒子在对活性炭材料表面进行改性的时候，有一部分粒子进入活性炭内部并与内部粒子结合，引起相应的活性炭内部粒子的变化，这一过程又增加了表面分子量。
综上所述在DBD改性活性炭的过程中其主要作用在以下几个方面：
3.1表面刻蚀作用
在DBD改性活性炭过程中，由于等离子体的不稳定性从而进一步的引发了局部的热沉以及蒸发，使活性炭表面发生刻蚀现象。进一步使活性炭的孔隙率增加，并且在增加了活性炭的比表面积。
3.2官能团的引入
DBD等离子体内的高能电子抨击活性炭表面，并且与活性炭表面的各分子发生电离，从而进一步激发生成离子或次级电极，再进一步反应生成如臭氧，氢氧根离子等自由基团，这部分活性基团易于与有机分子反应生成易氧化物质，从而使活性炭吸附能力提升。
3.3表面交联
等离子体激发高能粒子包括有电子、光子等粒子，其在与活性炭材料表面发生碰撞过程中，使得活性炭材料表面的化学键发生断裂，而断裂的化学键又彼此之间相互发生交联。从而在活性炭材料表面形成网状交联结构。从而使得活性炭表面的性能得以改善，提升其吸附性能。
4DBD改性活性炭影响因素
由于在DBD改性活性炭过程中，其主导因素是电子对活性炭表面的抨击或对其表面分子以及官能团的影响而导致的活性炭材料表面的改性，因而在DBD改性活性炭的过程中，其主要影响因素是介质阻挡放电对活性炭改性的影响。
本文选取放电电压的大小与频率对活性炭改性的影响进行阐述。
4.1放电电压大小
放电电压对活性炭的影响的主要原因是当电压很低时，电极间仅有较为微弱的放电，所以在实际放电过程中产生的等离子体数量较少，因而在对活性炭表面的抨击过程中，其与表面分子发生碰撞概率小，导致活性炭的改性效果较差。反之，在放电电压较高时，其碰撞概率大，因而导致相应的物理化学因素对活性炭的结构破坏较大，改性效果在一定范围内有所提升。
4.2放电电压频率
放电电压频率对活性炭改性的影响类似于放电电压的影响，由于随着介质阻挡放电等离子体电源频率的增大，反应体系中获得的能量越大，电子激发电离的概率较高，产生的高能活化粒子的密度云较大，从而单位面积内活性炭与高能氧化粒子碰撞的机率增大，等离子体改变了活性炭表面结构和表面官能团等性质。
5结论与展望
DBD改性活性炭的机理主要有：1、表面刻蚀；2、官能团引入；3、表面交联。
DBD作为一种有效的活性炭改性方法，在环保领域都有较为明显的优势。同时，影响DBD改性活性炭的主要因素有DBD的放电电压、放电频率，但目前对DBD放电频率改性活性炭的相关研究较少，今后将会是DBD改性活性炭的一个研究方向。同时，对于放电电压的影响因素的研究普遍表面在一定范围内，其对活性炭改性有较为显著的影响，但相对而言，其确定范围的值波动较大。今后的研究应对此方面进行加强。
参考文献
[1]王新新.介质阻挡放电及其应用[J].高电压技术,2009,35(1):1-11
[2]王秋颖,顾璠.介质阻挡放电等离子体生物质的液化[J].农业工程学报,2010,26(2):290-294
[3]徐青,李军,郑章靖,凌长明.介质阻挡放电等离子体在碳材料表面改性中的应用[J].节能技术,2010,28(163):401-407
[4]李杰,靳清,鲁娜,吴彦,李国锋.介质阻挡放电等离子体辐照活性炭再生方法及装置[P].中国:200910011140.8,2011/11/16.
作者简介
胡骏，江西省余干人，1990年生，2013年本科毕业，现任南昌大学设计研究院给水排水工程设计师。