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臭氧常用的制取技術(shù)

發(fā)布者：admin 發(fā)布時(shí)間：2014-4-9

臭氧的發(fā)現(xiàn)及認(rèn)識(shí)過程，是人類應(yīng)用臭氧的開始，臭氧應(yīng)用使臭氧制取技術(shù)得以快速發(fā)展，人工產(chǎn)生臭氧的方法按原理分為光化學(xué)、電化學(xué)、原子輻射和電暈放電等幾種。原子輻射法用得極少，工業(yè)應(yīng)用臭氧源大多采用氣體電暈放電型的臭氧發(fā)生器。目前用于實(shí)際的臭氧合成技術(shù)有如下幾種：

1 光化學(xué)法——紫外線臭氧發(fā)生器

此方法是光波中的紫外光會(huì)使氧氣分子O₂分解并聚合成臭氧O₃，大氣上空的臭氧層即是由此產(chǎn)生的。

波長(zhǎng) λ＝185nm（10^-9m）的紫外光效率最高，此時(shí)，光量子被O₂吸收率最大。其反應(yīng)基本過程為：

O₂+ hr → O + O

O₂+ O + M → O₃+ M

hr——紫外光量子；

M——存在的任何惰性物體，如反應(yīng)器器壁、氮、二氧化碳?xì)怏w分子等。

使用185nm紫外光產(chǎn)生臭氧的光效率為130gO₃/kw·h，是比較高的。但目前低壓汞紫外燈的電－光轉(zhuǎn)換效率很低，只為0.6%～1.5%，則紫外法產(chǎn)生臭氧的電耗高達(dá)600kwh/kgO₃，即1.5gO₃/kw·h，工業(yè)應(yīng)用價(jià)值不大。

紫外法產(chǎn)生臭氧的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)濕度、溫度不敏感，具有很好的重復(fù)性。同時(shí)，可以通過燈功率線性控制臭氧濃度、產(chǎn)量。這兩個(gè)特性對(duì)于臭氧用于人體治療與作為儀器的臭氧標(biāo)準(zhǔn)源是非常合適的。

2 電化學(xué)法——電解純水臭氧發(fā)生器

利用直流電源電解含氧電解質(zhì)產(chǎn)生臭氧氣體的方法，其歷史同發(fā)現(xiàn)臭氧一樣悠久。八十年代以前，電解液多為水內(nèi)填加酸、鹽類電解質(zhì)，電解面積比較小，臭氧產(chǎn)量很小，運(yùn)行費(fèi)用很高。由于人們?cè)陔姌O材料、電解液與電解機(jī)理、過程方面作了大量的研究工作，電解法臭氧發(fā)生技術(shù)取得了很大進(jìn)步。近期發(fā)展的SPE（固態(tài)聚合物電解質(zhì)）電極與金屬氧化催化技術(shù)，使用純水電解得到20%以上的高濃度臭氧，使電化學(xué)法臭氧發(fā)生器技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步。

日本某公司向市場(chǎng)推出了120gO₃/h的電解臭氧發(fā)生器，電耗150kw·h/kgO₃，使這種類型產(chǎn)品達(dá)到了工業(yè)化應(yīng)用規(guī)模。我國(guó)武漢大學(xué)早期開展了電解臭氧技術(shù)的研究，上海唐鋒電器公司研究開發(fā)了電解法臭氧發(fā)生器系列產(chǎn)品，臭氧濃度可達(dá)20%，最大臭氧產(chǎn)量為500g/h。該產(chǎn)品使用純水電解產(chǎn)生臭氧后在機(jī)內(nèi)直接與水混合形成4-20mg/L高濃度臭氧水，其規(guī)格為高濃度臭氧水供水量由60L/h到5000L/h。

電解法臭氧發(fā)生器具有臭氧濃度高、成分純凈、在水中溶解度高的優(yōu)勢(shì)，在醫(yī)療、食品加工與養(yǎng)殖業(yè)及家庭方面具有廣泛應(yīng)用前景，在降低成本與電耗條件下將與目前應(yīng)用廣泛的電暈放電法臭氧發(fā)生器形成激烈競(jìng)爭(zhēng)。

3 電暈放電法——臭氧發(fā)生器

電暈放電合成臭氧是目前世界上應(yīng)用最多的臭氧制取技術(shù)，此技術(shù)能構(gòu)使臭氧產(chǎn)量單臺(tái)達(dá)500 kg/h以上。

電暈放電法（無聲放電或輝光發(fā)電法）就是一種干燥的含氧氣體流過電暈放電區(qū)產(chǎn)生臭氧的方法。常用的原料氣體有：氧氣空氣以及含有氮、二氧化碳，或許還有其他惰性稀釋氣體的含氧混合氣體。

臭氧的產(chǎn)生機(jī)理：

雖然有若干機(jī)理可能同電暈內(nèi)臭氧的形成有關(guān)，但①式特殊反應(yīng)途徑被認(rèn)為是主要的。

e + O₂→ 2O + e ①

利用高速電子轟擊氧氣，其分解成氧原子。高速電子具有足夠的動(dòng)能（6～7eV）,緊接著通過三體碰撞反應(yīng)形成臭氧。

O + O₂+ M → O₃+ M ②

式中M是氣體中任何其它氣體分子，不過與此同時(shí)，原子氧和電子也同樣同臭氧反應(yīng)形成氧氣。

O + O₃→ 2O₂ ③

e + O₃ → O + O₂+ e ④

此外，電暈內(nèi)的氣體是處于可促進(jìn)臭氧分解反應(yīng)的高溫下，所以凈臭氧產(chǎn)量或出口產(chǎn)氣組成是形成和分解臭氧所有反應(yīng)的總和。凈產(chǎn)率依眾多因素而變，包括：原料氣的氧氣含量和溫度、原料氣含的污染物、達(dá)到的臭氧濃度、電暈中的功率密度、冷卻劑的溫度和流量及冷卻系統(tǒng)的效率。這些因素都影響著實(shí)用的、經(jīng)濟(jì)上有吸引力的臭氧發(fā)生器和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3.1 沿面放電——臭氧發(fā)生器

沿面放電型發(fā)生器原理屬于電暈放電，其放電區(qū)發(fā)生在高壓電極邊緣表面，由高壓閃絡(luò)形成。沿面放電區(qū)空氣電暈?zāi)芰考?，功率密度較高，需要良好的冷卻。

此型發(fā)生器有充惰性氣體氖（Ne）或（Ar）的玻璃放電管和陶瓷片兩種

充氣玻璃放電管發(fā)生器國(guó)外稱作臭氧燈，八十年代初外國(guó)遠(yuǎn)洋食品冷藏船艙殺菌防霉就使用這種臭氧發(fā)生器。我國(guó)邯鄲、大連等船舶工業(yè)相關(guān)單位首先研制了這種產(chǎn)品，做成5g/h的發(fā)生器用于雞蛋、果蔬冷庫消毒與保鮮。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝要求低，我國(guó)很快發(fā)展了這種用于醫(yī)療行業(yè)和消毒柜的微型管式發(fā)生器，數(shù)量很大，價(jià)格便宜。但經(jīng)多年實(shí)踐檢驗(yàn)，該種發(fā)生器大多數(shù)壽命極短，一般連續(xù)工作幾百小時(shí)后產(chǎn)生的臭氧量即所剩無幾了。

臭氧陶瓷片資料見于七十年代日本專利文獻(xiàn)，八十年代鞍山靜電技術(shù)研究院與日方合作引進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)，北方交通大學(xué)與重慶師范學(xué)院同期也合作研制過同類陶瓷片臭氧產(chǎn)品。九十年代，一批公司推出幾種規(guī)格臭氧陶瓷片，并有以“等離子體發(fā)生器”冠名。陶瓷片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝標(biāo)準(zhǔn)化后價(jià)格也會(huì)比較低廉，其壽命比充氣玻璃管要長(zhǎng)。鞍山靜電研究院與成都正邦公司的產(chǎn)品采用地極被封閉，陶瓷、高壓極防氧化涂膜工藝，對(duì)提高質(zhì)量、延長(zhǎng)壽命大有好處。

沿面放電器件作為醫(yī)療、家電產(chǎn)品微型發(fā)生器的臭氧源具有很大優(yōu)勢(shì)，其電耗在16kw·h/kgO₃上下，由于產(chǎn)量在克級(jí)以下，電耗高點(diǎn)影響不大。作為工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品困難很多，電耗將更高。

沿面放電器件產(chǎn)生臭氧濃度低，作水凈化應(yīng)用的臭氧源較為困難。

3.2 氣隙放電

氣隙放電臭氧發(fā)生器是目前工業(yè)應(yīng)用最多，單機(jī)產(chǎn)量最大，技術(shù)較成熟臭氧產(chǎn)品。它分為板式結(jié)構(gòu)和管式結(jié)構(gòu)兩種。

板式結(jié)構(gòu)臭氧發(fā)生器以俄羅斯為代表，采用沖壓盤式搪瓷技術(shù)，放電氣隙小，加工精度高，臭氧濃度高，運(yùn)行較穩(wěn)定，工業(yè)己有規(guī)模應(yīng)用。我國(guó)己有企業(yè)開始研究此項(xiàng)技術(shù)要達(dá)到工業(yè)應(yīng)用還需要作很多工作。

板式結(jié)構(gòu)適合中小型臭氧產(chǎn)品，大型臭氧需要多個(gè)放電室串聯(lián)和并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)要求較高。

管式結(jié)構(gòu)

臭氧發(fā)生器是目前臭氧市場(chǎng)廣泛采用、最為成熟技術(shù)以奧宗尼亞和威德高兩公司產(chǎn)品為代表，占據(jù)我國(guó)大部分大型機(jī)臭氧市場(chǎng)，在我國(guó)已有單機(jī)120kg/h產(chǎn)品應(yīng)用，國(guó)際上己有單臺(tái)臭氧產(chǎn)量500kg/h的產(chǎn)品在運(yùn)行。

管式臭氧發(fā)生器一般采用玻璃和非玻璃兩種介質(zhì)，電源采用可控硅和IGBT，頻率800hz—5000hz。國(guó)內(nèi)己有企業(yè)采用上述技術(shù)生產(chǎn)大型臭氧設(shè)備單機(jī)產(chǎn)量達(dá)120kg/h。

上述是臭氧制取的幾種方法和基本原理，并不代表臭氧如此簡(jiǎn)單產(chǎn)生，臭氧制取是一個(gè)完整系統(tǒng)。

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