隧道CO等离子体氧化新路径：介质阻挡放电与线电晕技术对比解读

基于日本武藏工业大学与富士电机联合开展的CO放电氧化实验研究

关键词
carbon monoxide; corona discharge; dielectric barrier discharge; wet condition; electrostatic precipitator; tunnel ventilation system

在城市密集区不断推进地下化交通的今天，封闭或半封闭空间内的汽车尾气治理正从“除尘优先”走向“气体深度净化”。长期以来，高速公路和长大隧道主要依靠静电除尘器（ESP）高效去除柴油颗粒物（DEP），再通过大型通风塔和风机将一氧化碳（CO）等有害气体稀释排出。这套“ESP + 大风量通风”的经典组合在山岭隧道中相对可行，但在地表紧邻居民区的地下立交、城市隧道内，其高通风塔、高能耗、高占地的矛盾愈发突出。一旦能在隧道内直接降低CO浓度，即便只是降低一部分，通风量、塔高和整体工程造价都有机会显著压缩。因此，围绕“如何在隧道内源头削减一氧化碳”的探索，正在成为工业烟气治理与隧道通风技术的新热点。

在这一背景下，日本武藏工业大学（Musashi Institute of Technology）与富士电机系统公司（Fuji Electric Systems Co., Ltd.）联合开展了一项针对一氧化碳氧化的实验研究，论文题为《Study of Carbon Monoxide Oxidation by Discharge》，发表于第11届国际静电除尘会议（International Conference on Electrostatic Precipitation）论文集中。该研究聚焦两类典型非热等离子体放电方式——介质阻挡放电（DBD）和线电晕放电（corona discharge），系统对比了在不同湿度条件下，一氧化碳向二氧化碳（CO→CO₂）的转化效果及能效表现，为隧道尾气中CO控制提供了重要的技术信号。

作者团队包括 Nobumitsu Matsui、Yoshiyasu Ehara、Toshiaki Yamamoto（以上来自武藏工业大学）以及 Akinori Zukeran、Koji Yasumoto（来自富士电机），实验场景紧贴高速公路隧道与城市地下高速的实际排放特征：柴油机颗粒物由静电除尘器捕集，而CO则希望通过放电氧化部分转化为CO₂，从而在满足安全浓度的前提下减少通风需求。论文关键词为 carbon monoxide、corona discharge、dielectric barrier discharge、wet condition，延伸到行业语境中，还自然关联到静电除尘器（ESP）和隧道通风系统两个工程热词。

在实验设计方面，研究团队构建了一套实验台架，使用N₂稀释的一氧化碳气体（初始CO浓度约150 ppm），配合O₂和N₂调配成模拟尾气。总气量控制在400 mL/min，并通过气体质量流量控制器精确调节。为模拟不同湿度工况，气流经过水浴鼓泡，实现从“干燥”、“中等含湿”到“高含湿”的多档状态，典型水分浓度包括干燥、6 g/m³、14 g/m³等。气体先在混合腔内均匀混合，再进入介质阻挡放电反应器或线电晕反应器进行处理。

CO浓度在反应器前后分别在线监测，采用专用一氧化碳分析仪进行ppm级测量，同时辅以温湿度传感器对气体水分进行跟踪。由于放电过程中生成的臭氧及水汽可能干扰或腐蚀分析仪，作者在分析仪前布置了二氧化锰与硅胶组合的“干燥与脱臭单元”，以保证检测稳定性。这种面向工程实际的“前端预处理”配置，也对未来工业系统集成具有参考价值。

反应器部分是本研究的技术核心。介质阻挡放电（DBD）反应器采用同轴圆筒结构：内侧为不锈钢接地电极，外侧在玻璃管外壁缠绕铝箔作为高压电极，电极间隙约1.5 mm，有效放电长度约180 mm。交流高压加在电极之间形成均匀的面放电，放电功率通过示波器测Lissajous图形获得。

线电晕放电反应器则采用细金属丝为高压电极，对面为两块不锈钢平板接地电极，间隙约9.5 mm，典型放电电流在0.1–0.3 mA范围内。作者不仅考察了单级线电晕反应器的性能，还进一步将两个线电晕段串联形成“二级线电晕”结构，以模拟工程中“多模块串联”的强化处理思路。线电晕的放电功率则按电压与电流的乘积进行计算。

在工况参数保持一致（气量400 mL/min，CO初始150 ppm）的前提下，作者系统扫描了放电功率，从低功率逐步提升至约3.5 W，分别记录干燥与湿润条件下CO转化率的变化。结果表明，无论是介质阻挡放电还是线电晕放电，一氧化碳都可以被有效氧化为二氧化碳，且转化率随放电功率的提高而单调上升。更具工程意义的发现是：含湿条件下的CO转化率远高于干燥气体。

具体而言，在介质阻挡放电（DBD）反应器中，当水分浓度达到约14 g/m³、放电功率约3.5 W时，CO转化率可接近50%。相比之下，单级线电晕反应器在相近功率和湿度下CO转化率约为20%，而将两个线电晕段串联的二级模式，CO转化率亦可提升到约20%左右，但仍明显低于DBD的表现。作者指出，DBD放电的空间分布更为均匀，有利于在整个反应器截面上形成均匀的活性物种场，因而整体氧化效率更高。

对于湿度影响，作者从等离子体化学角度给出了解释：在非热等离子体环境中，水分子在高能电子轰击下可生成大量·OH等高活性自由基，这类羟基自由基具有极强的氧化能力，对一氧化碳的氧化起到关键促进作用[4][5]。相关文献中已经报道，通过监测CO氧化可以反推放电系统中·OH的生成状况[4]，而本研究在模拟隧道尾气条件下的实验结果，进一步从工程视角印证了“适度增湿有利于CO非热等离子体氧化”的规律。

考虑到隧道与工业烟气治理的能耗约束，作者还进一步计算了不同放电方式下的“单位能量转化效率”，以比能量输入（Specific Input Energy, SIE，单位J/L）为横坐标，CO转化效率（以g/kWh计）为纵坐标，给出了DBD与线电晕在干燥与湿润条件下的能效对比曲线。结果显示，在相同SIE下，介质阻挡放电的CO转化效率明显高于线电晕放电，而在湿润条件下，两类放电方式的能效均明显优于干燥状态。这一结论对于评估未来“ESP+等离子体深度治理模块”的整体能耗至关重要：若在限电场景下希望最大化CO削减效果，引入DBD型等离子体反应器，并结合适度湿度控制，可能是更具前景的路径之一。

从行业应用角度看，本研究虽然在实验室尺度（百mL/min级气量、百ppm级CO浓度）下开展，但其技术信号十分明确：一是介质阻挡放电在CO氧化方面的能效与转化率均优于传统线电晕结构，这对现有静电除尘器（主要采用线板电晕结构）的升级改造提出了新思路——可考虑增加独立的DBD尾段作为气体深度净化单元。二是相比单纯依赖通风稀释，通过在隧道通风系统中嵌入非热等离子体CO氧化模块，有望在一定程度上降低设计通风量，从而缩减通风塔体量和运行能耗。三是水分在等离子体CO氧化中扮演“促进剂”角色，如何在冬季干燥工况或高海拔区域进行湿度调控，将成为工程集成时需要综合考虑的关键点。

结合现有文献[1–3]关于非热等离子体耦合催化（plasma-driven catalysis）、屏障放电与光源辅助等多种CO氧化路径的探索，可以预期，围绕隧道尾气与工业烟气中CO、NOx、VOC等多污染物协同控制的研究，将逐步从单一除尘走向“多污染物协同净化+节能通风”的整体方案。对于静电除尘器与工业烟气治理行业而言，这既是技术挑战，也是打开新增长空间的关键窗口。

Keywords: carbon monoxide, corona discharge, dielectric barrier discharge, wet condition, electrostatic precipitator, tunnel ventilation system

参考文献
[1] Kim H H, Date M, Ogata A, Futamura S. CO oxidation using atmospheric nonthermal plasma-driven catalysis. In: Proceedings of the 10th International Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry; 2006.
[2] Oda T, Murata Y, Ono T, Han S, Kurose S. Oxidation of carbon monoxide by using a barrier discharge. Journal of The Institute of Electrostatics Japan. 2004;27-30.
[3] Saitoh T, Sugita N, Oda T. Dependence on concentration of oxygen in oxidation of CO – Comparison between a barrier discharge reactor and an excimer lamp. Journal of The Institute of Electrostatics Japan. 2005;87-90.
[4] Su Z-Z, Ito K, Takashima K, Katsura S, Onda K, Mizuno A. OH radical generation by atmospheric pressure pulsed discharge plasma and its quantitative analysis by monitoring CO oxidation. Journal of Physics D: Applied Physics. 2002;35(24):3192-3198.
[5] Su Z-Z, Kim H-H, Tsutsui M, Takashima K, Mizuno A. OH Radical Formation in Non-Thermal Plasma. Thermal Science & Engineering. 1999;7(4):23-30.

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