等离子体与水溶液相互作用的传质模拟
作者单位:山东大学
学位级别:硕士
导师姓名:谭震宇
授予年度:2017年
学科分类:07[理学] 070204[理学-等离子体物理] 0702[理学-物理学]
主 题:大气压冷等离子体 等离子体生物医学 等离子体与水溶液相互作用 活性粒子传质 解离吸附
摘 要:近年来,大气压冷等离子体因其优越性而受到广泛关注,并已应用于消毒杀菌、环境保护、聚合物改性以及等离子体医学等领域。在新兴的等离子体医学领域,越来越多的实验研究表明,大气压冷等离子体在生物医学工程上有着广阔的应用前景,如医疗消毒、外科手术、伤口愈合甚至癌症治疗。在这些临床应用中,等离子体用来处理生物组织,以期得到希望的生物效应。通常,被处理物表面覆盖着几百微米厚的水层,等离子体要作用到生物组织表面,必然涉及到等离子体与水溶液的相互作用以及活性粒子在水溶液中的传质过程。另一方面,人们发现当被处理物处于含水环境中时,真正起作用的活性粒子与等离子体自身的活性粒子可能有很大的不同。因此,等离子体与水溶液相互作用过程以及其中活性粒子的传质就成为等离子体医学领域中基本而重要的研究课题。在实验诊断方面,已有很多关于等离子体活化水中活性粒子定量或半定量检测的报道。尽管如此,由于检测技术有限,活性粒子在液相中的浓度分布情况并不能单纯通过实验获得。因此,目前较为可行的一个途径仍是通过数值模拟来推断出活性粒子在液相传质过程中的浓度分布。本文基于一维漂移扩散模型,研究活性粒子从等离子体气相区进入液相区的传质过程。本文研究的重点是,调节等离子体中电子的能量,从而考虑传质过程中低能电子通过解离电子吸附机制引起的液态水解离,研究此情形下等离子体活化水中存在的五种主要活性粒子羟基(OH)、臭氧(O3)、超氧化氢(HO2)、超氧阴离子(O2-)和过氧化氢(H2O2)的渗透深度随电子能量的变化规律。本文工作表明,随着等离子体中电子能量的增大,HO2会变成短寿命的粒子,在距液相表面几微米处就猝灭。但是,O3和OH的渗透深度明显地增大,能够达到几十微米。此外,本文还研究了 OH自由基在不同电子能量下主要的生成、去除反应,定量地给出了各个反应的贡献。这为探究OH在水溶液中的生成、消亡机制以及传质过程提供了重要的理论参考。本文工作对于研究穿过水层最终可能作用到细胞组织表面的活性粒子种类的调控以及对于大气压冷等离子体在生物医学上的应用具有重要意义。