等离子体清洗技术分为低气压等离子体清洗技术和大气压等离子体清洗技术,其中低气压放电等离子体清洗技术可根据放电形式的不同分为射频放电和辉光放电;用于大气压放电等离子体清洗技术的气体放电形式主要有射流等离子体和介质阻挡放电(DBD)两类清洗技术。

低气压放电等离子体清洗技术

在低气压条件下,由于气体密度低,电子、中性粒子几乎不发生碰撞而损失能量,增加了粒子的平均自由程,活性粒子与污染物结合的概率增大。其中,射频放电等离子体技术是利用射频能量产生高频的交变电磁场,促使气体激发电离从而形成等离子体。射频放电等离子体装置如图1所示。由于射频放电的能量高且范围较大,目前广泛应用于污染物的清洗与材料表面改性。

低气压等离子体装置示意图 

辉光放电是在低气压下常见的气体放电形式。通常在低气压环境下,通过施加直流高压或者交流高压在两个电极之间形成辉光放电等离子体。在辉光放电等离子体中,电子能量高且密度大,辉光等离子体中含有多种粒子,它们之间发生着复杂的碰撞和能量交换过程。在电场的作用下,电子和离子可以与材料表面的污染物发生反应,从而实现清洗的目的。

大气压放电等离子体清洗技术

如上所述,尽管低气压条件下能够有效清洗材料,但通常需要复杂的真空系统,并且对实验条件的要求较高,显著增加了成本。相较于真空下清洗,大气压等离子体清洗摆脱了真空系统的限制,且能够产生更多有利于清洗的活性粒子,更适合低成本、高效的在线清洗工艺。大气压下的等离子体清洗技术主要分为两种:大气压等离子体射流清洗技术和大气压DBD等离子体清洗技术。

(1) 等离子体射流清洗技术

大气压等离子体射流通常是通过喷头产生的,其中喷头内部连接着高电压源(例如脉冲源、微波源或射频源),内部电极与之连接,而外部电极则接地。工作时,高速的工作气体从中间通入喷头,通过高压电离和激发气体,产生高能量密度的等离子体。随后,等离子体随着气流被喷射出来,形成喷射状的等离子体射流。大气压等离子体射流清洗可进行定点定位清洗,操作简便,目前广泛应用在材料表面改性、金属表面除油污等。

(2) DBD等离子体清洗技术

DBD是一种将绝缘介质插入两放电电极之间的一种气体放电形式,在电极之间插入介质可以很好的避免电极之间的气体被击穿形成电弧放电或火花放电,是一种较为稳定的放电形式，因此DBD等离子体被广泛应用在材料改性、合成臭氧、生物医学、挥发性有机污染物降解等方面。相比于其他放电等离子体技术,DBD由于具有结构简单、放电条件温和,并且其放电面积较大,可以有效提升清洗效率,以及操作安全可靠等一系列优点受到国内外研究学者的广泛关注。