混合氩氦气体对等离子体驱动液体流动的影响及工业烟气治理启示

西日本工科大学电气工程系（Toshiyuki Kawasaki 等）基于 PIV 的实验研究，揭示 He/Ar 比例与激励频率对流向切换的关键作用

关键词
Atmospheric-pressure plasma jet, Plasma–liquid interaction, Liquid flows, PIV measurement, 电除尘器, 烟气治理

随着等离子体技术在等离子体医学、农业及水处理等领域的快速应用，大气压等离子体喷射（Atmospheric-pressure plasma jet）与等离子体–液体相互作用的研究成为提升反应物传输与工艺效率的关键环节[1-4]。其中，等离子体驱动液体流动（plasma-driven liquid flows）作为无需外加机械装置即可在液相内产生输运的现象，对活性物种在液体中的分布与传递有直接影响，因而对工业烟气治理及烟气–液相耦合净化工艺具有潜在价值[5,6]。

本项研究由西日本工科大学（Nishinippon Institute of Technology）电气工程系的 Toshiyuki Kawasaki 等人主持，采用粒子图像测速（PIV）方法精确表征在不同 He/Ar 混合气体条件下的大气压等离子体喷射与液体流动耦合特性。实验装置为在石英管内置高压电极（直径2 mm，玻璃隔离0.5 mm），在开口端向下以 3 L/min 的流速送入 He/Ar 混合气体（由 100/0 到 0/100 可调），外加正弦波 14 kV p-p 电压，频率在 1–12 kHz 连续可变，照射距离为 10 mm。PIV 使用直径 50 μm 的尼龙示踪颗粒（密度 1.03 g/cm3）分散在含表面活性剂的水相中（体积 700 mL，电导率约 4 μS/cm），在接触点正下方 47×92 mm2 区域进行二维速度场测量，重点统计深度 10 mm 处的 y 方向速度分布与时间演化。

结果显示，气体组成与激励频率对液体流动方向和速度均有显著影响。当供气中氦含量高于约 60%（He/Ar ≥ 60/40）时，所有频率范围内均以向下（−y）“downward flow”为主态，且在纯 He 条件下随频率升高流速增强；而当 Ar 比例超过约 60% 时，流向会随着频率发生切换：以 He/Ar = 40/60 时为例，在 6–7 kHz 附近由向下流切换为向上流（+y），随后向上流随频率进一步加速；纯 Ar（0/100）条件下，切换发生在约 4–6 kHz，之后可维持稳定的向上流态。由此可见，流向切换呈现明显的气体成分阈值依赖性和频率依赖性（图示结果详见原文）[10-15]。

对于驱动机制，作者指出多种可能力学与电化学耦合效应可能共同作用，包括气体剪切、静电流体动力、电场/动量传递、压缩波、热对流以及 Marangoni 效应等，但目前尚无定论，需进一步通过电荷测量、光学发射与液相化学分析来揭示在 He 与 Ar 之间为何出现阈值性的流向反转[7-9,13-15]。

从产业应用角度看，该研究对中国的浆纸、钢铁、水泥与化工等高排放行业具有直接启发意义。在烟气治理与烟气–液相耦合净化（如等离子体活化水、湿式洗涤、吸收塔改良）中，等离子体诱导的液体流动可用于增强传质速率、改善活性物种在液相的分布，从而提高污染物去除效率并可能降低能耗与运维成本。结合电除尘器（ESP）领域的实践，艾尼科（Enelco）在极板、极线、以及电场优化方面的技术积累可以为这种等离子体–液体耦合技术的产业化提供支持。例如，通过优化极板/极线布置与电场均匀性，可减少飞灰再悬浮并与等离子体活化的湿法或半干法工艺结合，实现更高的颗粒与气态污染物协同捕集，降低阻力与能耗，减少维护频次与运行成本。

展望未来，可通过精细控制供气组分与激励频率来调节等离子体驱动液体流动（液体流动、等离子体–液体相互作用、PIV测量），进而按需改善活性物种输运并集成到工业烟气治理装置中。结合艾尼科在电除尘器设计与电场控制方面的经验，有望推动一系列面向中国市场的示范工程，助力达标排放、节能降耗与运维成本优化。作者团队的工作为这一方向提供了重要的实验依据，但仍需在尺度放大、长期稳定性与工况耦合方面开展后续研究以实现工程应用。

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