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1、沿面放电陶瓷片是小型臭氧发生器的核心部件。当前陶瓷片的应用范围有逐步扩大的趋势：由小型向中型，由空气向水处理拓展。在陶瓷片的使用中，也遇到了一些问题。为了用好沿面放电陶瓷片，制造出性能优良的臭氧发生器，本文在介绍沿面放电陶瓷片工作的基本原理之后，将我们多年来生产、考核、检测的体会，以及跟用户合作中遇到的一些问题列举于后，并有针对地提供一些业已采取的有效解决办法，供与会同行参考1。沿面放电陶瓷片是利用陶瓷绝缘介质表面上的沿面放电，产生低温等离子体来实现臭氧发生功能的器件。沿面放电陶瓷片的结构特点是：电极分别布置在陶瓷基片的两边，正面为放电电极（一般为线状），背面为感应电极（通常为板状），并接地。
2、将不十分高的电压作用在两极上时，由于陶瓷基片的良好绝缘，很难出现放电通道。只有两极间的电压大于某临界值，并以高频正弦交流电作用时，在放电电极附近有限的表面上进行电晕放电。这时，陶瓷绝缘介质表面相当于一个极板，在高频高压正弦交流电的作用下，放电电极附近表面处不断地俘获和发射电荷。当电压达到正半周临界起晕电压Uth时，开始放电，正电荷聚向放电极附近的介质表面，即电子被加速到很高能量从介质表面传输到放电电极。随着电压升高，放电继续，更多的正电荷被束缚在介质表面，这一过程一直持续到峰值电压U。放电过程停止，介质表面正电荷并不消失。当电压开始下降时，介质表面正电荷仍不动，放电并不发生，一直持续降到负半周
3、临界起晕电压-Uth，这时放电开始，介质表面的正电荷离开，负电荷积聚于表面，即电子被加速到很高能量从放电电极传输到介质表面，这一过程持续到负半周峰值电压-Up，放电过程停止。当电压再次升高到正半周临界起晕电压Uth时，正电晕放电又开始，整个放电过程就是这样交替进行的，因此，沿面放电过程就是介质表面的静电平衡状态反复建立和破坏，表面气体的反复击穿而介质表面上反复充放异性电荷的过程。根据沿面放电陶瓷片的工作原理，影响其放电的因素很多，例如，介质材料的绝缘性能、电极的结构配置、电极表面的气体条件以及激励电源的性能参数等。七、八十年代日本人研究表明，沿面放电器件的材料选用钨电极和AL203陶瓷基片较好
4、，因为钨的热膨胀系数与AL203陶瓷相近，受热后电极不会与陶瓷脱开，同时，陶瓷基片具有较好的绝缘性和机械强度。所以，这种沿面放电器件有良好的电、机械、热和化学性能。然而，制造性能优良的臭氧发生器，除合理选用臭氧陶瓷器件外，还必须注重各方面的影响因素。实验证明：l、放电能量随供电电压峰值Upp的增大而增大，同时放电发光长度也随Upp的增大而加长，一般在空气中，当Upp为6-8KV时，放电发光长度为2.5-3.4mm，所以，Upp越高，臭氧产量越高。2、沿面放电器件的临界起晕电压Uth值是供电频率f的函数，f越大，Uth越低，即在高频条件下，沿面放电陶瓷片具有更低的起始工作电压，有利于臭氧产率的提
5、高。临界起晕电压Uth还与气体条件有关，不同的气源和工作环境，会影响Uth的大小和放电过程进行的完善程度，可直接影响臭氧产量。3、沿面放电陶瓷片在未放电时，表现为纯电容性质，介质表面充电面积越大，则电容越大。当放电时，器件可表现出电阻和电容二重性，它的特性除与充电面积有关，还受放电过程气源和工作环境(温度、湿度等)的影响，所以，沿面放电器件的阻容特性是动态的，在配置供电电源时，必须注意要适应它在不同使用条件下的阻容特性。下面列举使用中的问题和对策。一、陶瓷片使用过程中，放电电极变细变短，臭氧产率下降的问题。在高频高压放电的情况下，即使放电电极是钨烧结体，也难免电极材料的氧化和迁移。解决的办法是
6、在放电电极上覆盖一层纳米氧化铝保护层。国外资料表明，氧化铝可大幅提高钨的抗氧化性。我们所做的考核证明了带纳米氧化铝保护层的沿面放电陶瓷片寿命长，臭氧产率稳定。二、陶瓷片工作时温度升高，臭氧产率下降、氮氧化物增加的问题。由于陶瓷片放电时能量密度较高，温升快，会使臭氧产率迅速下降。解决的办法，正如大家熟知的：贴散热器，强制风冷或水冷，这就对陶瓷片的平整度提出了严格的要求。由于我们生产的沿面放电陶瓷片的电极是钨烧结体，它的烧结温度高，使陶瓷片难免有或大或小的翘曲变形，对此，我们采取了整平的工序，以确保片子的平整度能满足用户的使用要求。另外，要特别指出的是，随陶瓷片工作温度升高，还存在氮氧化物增高的问
7、题。我们应用美国Beckmen Industrial公司的Model 955 NONOx Analyzer仪器分析，对我们的钨电极陶瓷片和某种材料电极的陶瓷片进行测试，其结果如下：钨陶电瓷极片 室温25室内空气NOx浓度(PPM)1.56陶瓷片工作 温度 25 35 46 55 62NOx浓度(PPM) 3.23 3.63 3.74 4.04 4.28某种陶材瓷料片电极 室温25室内空气NOx浓度(PPM)1.4陶瓷片工作 温度 25 35 50 60 76NOx浓度(PPM) 3.52 4.71 11.81 86.76 163.46钨陶电瓷极片 室温25室内空气NOx浓度(PPM)1.56陶
8、瓷片工作 温度 25 35 46 55 62NOx浓度(PPM) 3.23 3.63 3.74 4.04 4.28某种陶材瓷料片电极 室温25室内空气NOx浓度(PPM)1.4陶瓷片工作 温度 25 35 50 60 76NOx浓度(PPM) 3.52 4.71 11.81 86.76 163.46不难看出，沿面放电陶瓷片工作时，用空气作为气源，在产生臭氧的同时，总会产生氮氧化物。欲限制其数量，控制好陶瓷片的工作温度固然重要，适当选择好放电电极材料的成分则是个不容忽视的因素。三、在某些特殊场合使用时电极损耗的问题。将沿面放电陶瓷片在某些场合使用，譬如用于鸡舍的除味、杀菌消毒时，鸡舍的空气中有较
9、多的氨、硫化氢及水气。陶瓷片放电时，在电极附近可能会合成硫酸、硝酸等产物，对金属电极产生腐蚀。经过长期实践和分析，采取以下解决办法并取得了良好的效果：1、发生器的电源要与陶瓷片相匹配；2、陶瓷片放电电极的保护层适当加厚；3、臭氧发生器加进风罩，从室外引入新鲜空气作为气源。四、垃圾站除味器的陶瓷片上厚厚沉积物的问题。垃圾站环境极为恶劣，沿面放电陶瓷片工作时经受了严酷的考验，连续工作2天，陶瓷片上就沉积一层毛茸茸的白色絮状物，其味咸涩，分析为硝氨、硫氨类盐，影响放电和臭氧产率，解决的办法为：1、从室外引入新鲜空气作为发生器气源；2、发生器设活门，便于定期清理陶瓷片表面；3、给发生器配备小毛刷、百洁
10、布和小瓶酒精。五、高湿环境使用陶瓷片遇到的问题。有的臭氧发生器使用环境特别潮湿，如水产品加工车间、肉禽屠宰加工车间、乳品加工车间等，相对湿度达80-90甚至更高，沿面放电陶瓷片放电启动迟缓，对一些需频繁启动的周期性工作的臭氧发生器来说，就不能满足要求了。解决办法是：1、在陶瓷片表面增加致密保护层，以提高抗湿性，缩短放电启动时间；2、试用开放式的缝隙放电器件。这些方法我们已经采用，并正在考核之中。六、低温启动遇到的问题。自激振荡的高频高压电源，与沿面放电陶瓷片相匹配，通常是在常温制造、调试的。当进入低温环境时，由于陶瓷片阻容特性的变化，有时会遇到激振不起来的问题。对此，可在发生器启动时，将陶瓷片
11、适当预热，使其很快进入工作状态。一旦正常放电，就可以连续运转。七、供气源对臭氧产率的影响。气源泉是产生臭氧气的原料，气源状态会直接影响陶瓷片臭氧产率的大小。从气源成分来讲，含氧气量越多，产生科研所就越多，所以纯气作为乞源是最想的。当用空气源时，不但成分中含氧气量只有20%，而且自然空气受天气影响很大，温度、湿度过高时，都会影响陶瓷片的放电过程，使臭氧产率下降，故使用空气源时，需要采取过滤、干冷冻等措施。目前，沿面放电陶瓷片逐渐发展到应用于水处理中，要求臭氧产量大、浓度高的臭氧发生器，因此，采用多片沿面放电陶瓷片的组合，封闭在小体积容器中，使气源气体沿陶瓷片放电表面通过，取得高产量高浓度的臭氧气
12、。这种形式的。臭氧发生器，其效率高、功耗低，可产生每小时几十克到上百克的臭氧，在中型水处理设备上的应用有很大潜力。值得提出的是，这类臭氧发生器因为是采用多片陶瓷片的合，气源的气体分配到各陶瓷片表面的方式，对臭氧产率有较。大影响。我们的实发现，气源气体沿陶瓷片放电表面要有一定的流通长度，气流量越大，流通长度应越长，因此，采用气体串联进入各陶瓷片，能在保证臭氧浓度的前提下，明显提高臭氧产量。另外，气体应尽量贴近放电表面，也就是通气缝隙不宜过大，产生的臭氧浓渡可提高，更适宜于水处理中的应用。 上述不难看出，要做出性能优良，符合使用要求的臭氧发生器，是集气源、电源、陶瓷片以及设计、制造使用之大成的一项
13、系统工程，需要陶瓷片生产者、发生器挂靠者和使用者互相磨合理解、不断交流和协调才能完成的。也现一点情况和问题，就怨天尤人，这无助于问题的解决。所以说这些，是因为不少问题往往集中表现在陶瓷片不工作了，或工作不理想了，但原因有时并不单纯是由于陶瓷片出问题；也所以说这些，是希望臭氧行业的同行们一起努力，把臭氧发生器做好，把事业做大。2.1.1带电粒子带电粒子轰击微生物，可直接破坏其蛋白质、核酸等大分子物质，使微生物死亡。Mendis 等 21认为，带电粒子在杀菌过程中起着重要作用，它可能积累在细胞外膜表面，从而产生超过细胞膜自身张力的静电力，引起细胞破裂，达到灭活作用。孙岩洲等的研究发现，介质阻挡放电
14、低温等离子体对枯草杆菌芽孢的作用机理，是由空气等离子体中高速粒子的击穿作用和组成等离子体的高能活性基团导致芽孢生命物质的变性凝固而引发的。2.1.2活性物质活性物质（如活性氧、自由基团等）与微生物中的蛋白质和核酸反应，扰乱微生物的正常功能。如Laroussi等23认为，可能是活性粒子穿透外膜屏障，直接与胞内生命物质作用导致细胞死亡。吴旭琴等通过大肠杆菌细胞壁及外膜的破裂证明，活性自由基在常压低温等离子体（APPJ）引起微生物细胞破裂机制中发挥主要作用。Trompeter 等向放电气体中加入水蒸气，发现灭菌效率得到提高，认为此现象可能是由于灭菌过程中形成了羟自由基和过氧化氢等自由基的原因。2.1
15、.3紫外辐射在等离子体产生的过程中，由于辉光放电，可放出大量紫外线。紫外线可通过干扰细胞 DNA 中胸腺嘧啶的形成来抑制细菌的再繁殖，也可以破坏蛋白质氨基酸的结构，使蛋白质失去生物学活性。但是，紫外线只有在波长小于280 nm且剂量足够大时才能杀死细菌。Laroussi认为，等离子体杀菌过程中，有电磁辐射、粒子辐射和紫外辐射 3 种，其中紫外线在波长230240 nm的杀菌效果最好。Trompeter 等通过实验发现，紫外辐射能够杀死枯草杆菌。综上所述，等离子体灭菌是在微生物外层壁发生的物理溅射、活性物质的化学降解以及紫外线的协同作用过程，各类等离子体在灭菌中的规律和作用尚未完全探明。许多学者
16、对等离子体的产生方式( 气体成分以及它对微生物的杀灭效果等进行了研究! 而且取得了一定的进展%对于灭菌机理!一般认为主要有以下几种作用)高速粒子的破坏效应(高压电场效应(紫外光以及活性自由基的光化作用J +K% 根据分子生物学观点! 细菌正常时带电并且细胞膜上的电荷有助于细菌细胞对营养物质的吸收! 但当细菌受到高频电场或带电粒子的作用时! 若细胞膜两端电位差大于, -!细胞膜结构和膜上的电荷分布可被破坏!从而造成细菌细胞死亡% 放电中产生的自由基&L2! L?$具有极强的氧化性!可以氧化细菌细胞中的生物分子! 国内有学者利用纳米材料等离子体放电催化实现了对芽孢杆菌的完全杀灭*# +%笔者在该研究中分析了介质阻挡放电对枯草杆
