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臭氧制取技术

 
     
 

 

一、光化学法 – 紫外线臭氧发生器

  此方法是光波中的紫外光会使氧气分子 O2 分解并聚合成臭氧 O3 ,大气上空的臭氧层即是由此产生的。

  波长 λ = 185nm(10 -9 m) 的紫外光效率最高,此时,光量子被 O2 吸收率最大。其反应基本过程为:

        O2 + hr→ O+O

        O2 +O+M→ O3 +M

        hr -紫外光量子

        M -存在的任何惰性物体,如反应器器壁、氮、二氧化碳气体分子等。

  使用 185nm 紫外光产生臭氧的光效率为 130gO3 /kw·h ,是比较高的。但目前低压汞紫外灯的电-光转换效率很低,只为 0.6 %~ 1.5 %,则紫外法产生臭氧的电耗高达 600kwh/kgO3 ,即 1.5gO3 /kw · h ,工业应用价值不大。

  紫外法产生臭氧的优点是对湿度、温度不敏感,具有很好的重复性;同时,可以通过灯功率线性控制臭氧浓度、产量。这两个特性对于臭氧用于人体治疗与作为仪器的臭氧标准源是非常合适的。




 

二、电化学法 – 电解纯水臭氧发生器

  利用直流电源电解含氧电解质产生臭氧气体的方法,其历史同发现臭氧一样悠久。八十年代以前,电解液多为水内填加酸、盐类电解质,电解面积比较小,臭氧产量很小,运行费用很高。由于人们在电极材料、电解液与电解机理、过程方面作了大量的研究工作,电解法臭氧发生技术取得了很大进步。近期发展的 SPE (固态聚合物电解质)电极与金属氧化催化技术,使用纯水电解得到 14 %以上的高浓度臭氧,使电化学法臭氧发生器技术向前迈进了一大步。

  日本某公司向市场推出了 120gO3 /h 的电解臭氧发生器 ,电耗 150kw·h/kgO3 ,使这种类型产品达到了工业化应用规模。我国武汉大学早期开展了电解臭氧技术的研究,上海唐锋电器公司研究开发了电解法臭氧发生器系列产品,臭氧浓度可达 20 %,最大臭氧产量为 100g/h 。该产品使用纯水电解产生臭氧后在机内直接与水混合形成 4-20mg/L 高浓度臭氧水,其规格为高浓度臭氧水供水量由 60L/h 到 5000L/h 。

  电解法臭氧发生器具有臭氧浓度高、成分纯净、在水中溶解度高的优势,在医疗、食品加工与养殖业及家庭方面具有广泛应用前景,在降低成本与电耗条件下将与目前应用广泛的电晕放电法臭氧发生器形成激烈竞争。

 

图 1-1 电解法产生臭氧装置示意图

三、电晕放电法 –- 臭氧发生器

  电晕放电合成臭氧是目前世界上应用最多的臭氧制取技术,此技术能够使臭氧产量单台达 500 kg/h 以上。

  电晕放电法(无声放电或辉光发电法)就是一种干燥的含氧气体流过电晕放电区产生臭氧的方法。常用的原料气体有:氧气空气以及含有氮、二氧化碳,或许还有其他惰性稀释气体的含氧混合气体。

臭氧的产生机理:

  虽然有若干机理可能同电晕内臭氧的形成有关,但 ① 式特殊反应途径被认为是主要的

        e+O2 →2O + e         ①

    利用高速电子轰击氧气,其分解成氧原子。高速电子具有足够的动能( 6 ~ 7eV ) , 紧接着通过三体碰撞反应形成臭氧。

        O+O2 +M→O3 + M       ②

        式中 M 是气体中任何其它气体分子,不过与此同时,原子氧和电子也同样同臭氧反应形成氧气。

        O+O3 →2O2            ③

        e+O3 →O+O2 +e        ④

  此外,电晕内的气体是处于可促进臭氧分解反应的高温下,所以净臭氧产量或出口产气组成是形成和分解臭氧所有反应的总和。净产率依众多因素而变,包括:原料气的氧气含量和温度、原料气含的污染物、达到的臭氧浓度、电晕中的功率密度、冷却剂的温度和流量及冷却系统的效率。这些因素都影响着实用的、经济上有吸引力的臭氧发生器和系统的设计。  

1.1 沿面放电 – 臭氧发生器

    沿面放电型发生器原理属于电晕放电,其放电区发生在高压电极边缘表面,由高压闪络形成。沿面放电区空气电晕能量集中,功率密度较高,需要良好的冷却。

  此型发生器有充惰性气体氖( Ne )或( Ar )的玻璃放电管和陶瓷片两种,其结构简图如下:

    充气玻璃放电管发生器国外称作臭氧灯,八十年代初外国远洋食品冷藏船仓杀菌防霉就使用这种臭氧发生器。我国邯郸、大连灯船舶工业相关单位首先研制了这种产品,做成 5g/h 的发生器用于鸡蛋、果蔬冷库消毒与保鲜。由于结构简单、工艺要求低,我国很快发展了这种用于医疗行业和消毒柜的微型管式发生器,数量很大,价格便宜。但经多年实践检验,该种发生器大多数寿命极短,一般连续工作几百小时后产生的臭氧量即所剩无几了。

    臭氧陶瓷片资料见于七十年代日本专利文献,八十年代鞍山静电技术研究院与日方合作引进生产技术,北方交通大学与重庆师范学院同期也合作研制过同类陶瓷片臭氧产品。九十年代,一批公司推出几种规格臭氧陶瓷片,并有以“等离子体发生器”冠名。陶瓷片结构简单,工艺标准化后价格也会比较低廉,其寿命比充气玻璃管要长。鞍山静电研究院与成都正邦公司的产品采用地极被封闭陶瓷、高压极防氧化涂膜工艺,对提高质量、延长寿命大有好处。

    沿面放电器件作为医疗、家电产品微型发生器的臭氧源具有很大优势,其电耗在 40kw · h/kgO3 上下,由于产量在克级以下,电耗高点影响不大。作为工业应用产品困难很多,电耗将更高。

    沿面放电器件产生臭氧浓度低,作水净化应用的臭氧源较为困难。

1.2 气隙放电

    气隙放电臭氧发生器是目前工业应用最多,单机产量最大,技术较成熟臭氧产品。它分为板式结构和管式结构两种。板式结构如图 1 。

    板式结构臭氧发生器以俄罗斯为代表,采用冲压盘式搪瓷技术,放电气隙小,加工精度高,臭氧浓度高,运行较稳定,工业己有规模应用。我国己有企业开始研究此项技术要达到工业应用还需要作很多工作。

    板式结构适合中小型臭氧产品,大型臭氧需要多个放电室串联和并联来实现对系统要求较高。

管式结构如图:

    管式结构臭氧发生器是目前臭氧市场广泛采用、最为成熟技术以奥宗尼亚和威德高两公司产品为代表,占据我国大部分大型机臭氧市场,在我国已有单机 45kg/h 产品应用,国际上己有单台臭氧产量 500kg/h 的产品在运行。

    管式臭氧发生器一般采用玻璃和非玻璃两种介质,电源采用可控硅和 IGBT ,频率 800hz—5000hz 。国内己有企业采用上述技术生产大型臭氧设备单机产量达 20kg/h 。

    上述是臭氧制取的几种方法和基本原理,并不代表臭氧如此简单产生,臭氧制取是一个完整系统。

 
     
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