低温等离子体+介质阻挡放电：碳颗粒分解的新路径

大阪工大团队基于SDBD与浮置电极结构，探索碳黑颗粒捕集与氧化分解机理，为船舶尾气与PM2.5控制提供新思路

关键词
Nonthermal plasma, Particulate matter, Oxidative decomposition, Exhaust gas, Diesel engine, Electrostatic precipitator, Ship exhaust cleaning

大气细颗粒物（PM2.5、PM0.1）已经成为全球性的环境与健康问题，其中碳颗粒是重要组成部分。一方面，来源于柴油机、船舶燃油等燃烧过程的烟尘，会直接导致呼吸系统和心血管疾病；另一方面，沉降在冰雪表面的黑碳还能降低反照率，加速全球变暖。即便在汽车“电动化”趋势之下，轮胎磨损颗粒（TWP）释放的碳黑，也被认为是新兴的城市微颗粒污染源之一。这些现实背景，使得如何高效捕集并分解碳颗粒成为环境工程与静电除尘行业的共同关切。

在传统技术路线中，柴油颗粒捕集器（DPF）是针对碳颗粒治理最成熟的方案之一，但其依赖过滤机理，颗粒在滤壁上的累积不可避免地带来压降升高、再生频繁等问题。汽车柴油机通常通过提高排气温度至约650 ℃来实现碳颗粒再生燃烧，这意味着额外的燃油消耗与系统复杂度的上升。对于长航时、高负荷的海船，或需要控制压降的工况，例如海事脱硫洗涤塔（EGCS）前端烟气预处理，传统DPF式再生路径很难直接照搬。

在这样的行业背景下，日本大阪工科大学（Osaka Institute of Technology）工学研究科与电气电子系统工程系的研究团队提出了一条截然不同的技术路线：利用表面介质阻挡放电（Surface Dielectric Barrier Discharge，SDBD）产生的低温等离子体，在不明显提高烟气整体温度、保持较低压降的前提下，直接在介质表面完成碳颗粒的捕集与氧化分解。本文解读的研究成果来自第17届国际静电除尘会议（17th International Conference on Electrostatic Precipitation, 2024），题为“Decomposition of Carbon Particles on a Dielectric Surface by Plasma Generated Using SDBD Device Combined with Floating Electrodes”，作者为Ryo Senga、Ryoma Maezawa 和 Keiichiro Yoshida，均来自大阪工大。

这项研究延续了Yoshida团队在静电除尘与介质阻挡放电结合领域的工作思路：首先通过电场与介质表面充电作用，实现对排气中碳颗粒的高效捕集[1][2]；随后利用SDBD产生的非热等离子体，在介质表面直接对已沉积的碳黑颗粒进行低温氧化分解。与传统ESP（静电除尘器）“先捕集后外部处理”的模式不同，这种结构更接近“集尘-原位氧化一体化电极”，对未来紧凑型、低维护的工业烟气与船舶尾气处理设备具有潜在启发意义。

在实验结构上，研究团队设计了一块典型SDBD电极板：正面为主放电电极与辅电极，背面为接地电极，中间夹一层厚度约1 mm的氧化铝陶瓷介质。主电极与辅电极均为梳齿状条带结构，但宽度不同（主电极2.5 mm，辅电极1 mm），条带之间的间距为3.5 mm。这种“梳状+面对面”结构在非热等离子体与静电除尘领域较为常见，既便于扩展放电面积，又能通过几何设计强化电场梯度。

核心创新点在于：在传统SDBD主电极之外，额外引入一组辅电极，并设计三种不同的电气连接方式，系统对比其对碳黑分解效率和区域均匀性的影响：

第一种是“浮置电极（Floated）”方式：辅电极不与任何外部导体电连接，处于浮置电位状态。由于在主电极放电过程中，辅电极通过电容耦合及表面电荷作用会获得一定的感应电位，从而在介质表面形成更复杂的横向电位分布与电场梯度，理论上有望扩展等离子体生成区域。

第二种是“外接LC（External LC connected）”方式：在辅电极回路中串接电感（L_e = 1.07 H）与可更换的电容（C_e = 50 pF 和 100 pF）。这样辅电极不再是简单的浮置导体，而是在交流高压条件下形成一个与主电极相位存在差异、甚至接近谐振的辅助电压源，相当于构建了一个“相位调制的双电极SDBD”结构，目标是实现跨主-辅电极间更均匀的等离子体分布。

第三种是“同电压（Same voltage）”方式：辅电极与主电极直接同相连接，施加相同的交流高压。直观上看，这可以简单地增加施加电压的有效面积，从而扩大放电区域。但其对表面电场分布和碳颗粒分解均匀性的真实影响，仍需实验验证。

为模拟实际尾气烟尘中的碳颗粒，研究选用炭黑（Carbon Black, CB）作为模型物质。作者将一款商业CB分散液（OP-1018A，含25%–35%碳黑与30%–40%2-丁酮）用2-丁酮稀释80倍后，定量滴涂在电极板上预设区域，其作用相当于“在已经捕集了烟尘的介质表面上，进行SDBD分解实验”。随后，利用照片扫描仪对放电前后的板面进行图像采集，通过图像处理软件将黑度转换为0–255等级，并用“黑度变化量”ΔD表征单位区域碳黑覆盖程度。进一步，定义了局部及全板平均的“碳黑减除率”R和R_av，用以定量评价低温等离子体分解效果。

气体条件方面，实验采用室内空气与氮气混合，调节氧含量至约10 vol%，总流量1.5 L/min，模拟低氧工况下的烟气环境。同时，在反应器下游设置一台350 ℃的加热器，用于分解介质阻挡放电产生的臭氧，避免对后续分析造成干扰。放电电源为AC高压电源，最高输出12 kVpp，标准频率9.8 kHz。功率消耗采用Lissajous方法，通过外并联测量电容（0.47 μF）与示波器获得P–V–Q关系。电压施加条件为：对“浮置电极”方式，分别在7.0、8.5和9.0 kVpp 下测试；“外接LC”和“同电压”则以7.0 kVpp为主。每组条件下，放电持续时间为3次×1 min，中间每分钟记录表面图像与部分电流波形。

从实验结果看，“浮置电极”方式在碳黑减除率与单位功率消耗之间表现最为优越。当施加电压提升至9.0 kVpp，总放电功率快速上升的同时，全板平均减除率R_av可达到0.6左右，即表面碳黑有约60%被氧化分解。在非热等离子体和静电除尘的工程实践中，这一水平在低温、短时处理条件下，已经颇具吸引力。然而，图像与黑度分布分析清晰表明：碳黑的有效分解几乎完全聚集在主电极边缘附近，板面中部及靠近辅电极区域变化很小，呈现出明显“高效率但强非均匀”的特征。这意味着若将其直接用于工业烟气或船舶尾气处理，可能面临局部负荷过高、电极局部老化加剧以及有效处理面积受限等工程问题。

“同电压”方式的情况则有所不同。由于主辅电极同时施加相同高压，靠近两侧电极区域的碳黑均有明显减薄，说明局部放电与氧化过程存在；但在主、辅电极条带间距的中部区域，碳黑几乎没有分解迹象，形成一个“中间死区”。值得注意的是，即便在相同7 kVpp条件下，该方式在功率消耗上存在一定波动，研究者推测与初始碳黑涂布厚度与均匀性有关，也体现了SDBD对表面状态敏感的特点。在工程上，这提醒我们：在非热等离子体耦合静电除尘或过滤结构设计时，表面负载状态会对放电路径与功率分配产生非线性影响。

更具工程启发意义的是“外接LC”方式。引入L_e = 1.07 H与不同C_e（50 pF、100 pF）后，辅电极在交流周期中获得一个与主电极存在相位差的动态电位，使主-辅电极间形成时变电场，从而在空间上拓展了等离子体放电区域。实验结果显示：在相似或略高的总功率条件下，该方式的全板平均减除率R_av低于“浮置电极”模式，说明部分功率被消耗在主-辅电极之间的气隙放电中，并未完全有效用于表面碳黑的氧化分解。这在非热等离子体工艺中较为常见——“更均匀”的放电并不必然意味着“更高的单位能耗去除率”。

但从空间分布角度看，外接LC结构带来了明显优势：碳黑分解不仅发生在主电极边缘，也出现在辅电极附近以及主-辅电极间距的中部区域，板面处理更加均匀。对于工业烟气治理、船舶尾气EGCS前端预处理以及未来可能出现的“电动汽车轮胎磨损颗粒治理加装单元”等场景，这种“更均匀但单位能效稍低”的放电模式，反而可能在系统优化上更具现实意义——因为它有利于保护电极、降低局部热负荷、提升设备的长期稳定性。

从静电除尘行业视角看，这项研究至少释放了三个值得关注的信号：

其一，低温等离子体与介质表面电荷调控结合，可以在较低总体温度和适中能耗下，对碳颗粒实现可观的氧化分解，尤其适用于不允许显著提高烟气温度的工况，如海上脱硫洗涤塔入口、某些高湿或高腐蚀性烟气处理场合。这为未来“ESP+SDBD一体化”或“集尘-原位分解”式新型电极结构提供了技术储备。

其二，辅电极连接方式（浮置、同相、外接LC）对非热等离子体空间分布与颗粒分解均匀性有显著影响，且存在典型的“效率-均匀性”权衡。对于强调单位电耗处理量的场景，浮置电极模式优先；对于强调低局部应力与大面积均匀分解的系统，外接LC模式更具工程操作空间，今后可进一步通过谐振调谐、相位控制等方式优化。

其三，这项工作虽目前在实验室尺度以炭黑涂布模拟烟尘，但其对象与机理与实际尾气中碳颗粒、轮胎磨损颗粒中的碳黑具有高度相关性。结合团队此前关于基于表面充电力的颗粒捕集与间歇介质阻挡放电控制的研究[1][2]，可以预见：未来在船舶尾气、非道路柴油机、以及工业炉窑烟气治理中，围绕“SDBD+浮置/调制电极”的非热等离子体协同除尘与脱硝/脱臭一体化系统，有望成为新一轮技术路线探索的重点之一。

总体而言，大阪工大团队的这项研究并非直接给出一套可立即产业化的静电除尘设备方案，而是通过精细的电极与电路设计，对碳颗粒在介质表面的低温等离子体分解过程进行了定量刻画与对比评估。对于工业环保技术从业者而言，其中关于电极结构、电路拓扑对放电区域、功率分配与颗粒氧化行为的影响机理，具有重要的参考价值。尤其是在行业越来越关注PM2.5/PM0.1、黑碳、轮胎磨损颗粒以及船舶尾气超低排放的今天，如何将传统ESP的高效捕集能力，与SDBD等离子体的原位氧化能力耦合，是值得持续跟踪的技术风向之一。

参考文献
[1] Yoshida K. Collection of Particulate Matters in Exhaust Gas Using the Attractive Force Induced by Surface Charging[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2022, 58(2): 2462–2470.
[2] Yoshida K. Collection of Carbon Particles in Diesel Exhaust Gas Using Intermittent Dielectric Barrier Discharge[C]//Lecture Notes in Electrical Engineering. Vol. 1052. 2023: 26–35.

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