等离子体活化水化学产物特性调控策略：电源极性的源头影响效应

摘要

等离子体活化水（Plasma-activated water,PAW）的性能受液相中反应性物种组成及其协同作用影响显著,而放电极性可在源头上调控能量注入方式及反应路径.本文基于气液两相介质阻挡放电（DBD）体系,在相同外加电压条件下比较了正、负脉冲极性对PAW电学行为、化学组成及灭菌性能的影响.结果表明,负脉冲放电的平均功率仅约为正脉冲的1/3,但其制备的PAW在灭菌能力与能量利用效率方面均表现更优,在14kV条件下其单位对数减少值的能耗（EEO）值为17.2 kW·h·m^-3.order^-1,相比于正脉冲PAW(84.3 kW·h·m^-3.order^-1)降低约79.1%.通过荧光探针与定量分析发现,两种极性条件下活性氧物种（ROS）生成量的差异较小（负脉冲仅低于正脉冲约6.7%）,而负脉冲条件下活性氮物种（RNS）浓度提高约12%.进一步的机理分析表明,富集的RNS通过促进亚硝酸根（NO₂^-）与双氧水（H₂O₂）耦合反应显著增强ONOOH的生成动力学,从而在较低能量输入下实现更强的灭菌能力和更优的能量效率.该差异归因于负脉冲较低的能量输入降低了气液界面水汽化程度,提升了电子与氮分子（N₂）的碰撞概率,同时增强了负离子生成及液相溶解.本研究为通过放电极性实现液相反应路径定向调控,构建高能效PAW体系提供了新的物理化学依据与方法学思路.

关键词

脉冲极性 / 等离子体活化水 / 活性物种 / 介质阻挡放电 / 灭菌效应