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臭氧的制取方法和技術(shù):

光化學(xué)法、電化學(xué)法、電暈放電法

一、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 λ ＝ 185nm(10 -9 m) 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。

二、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。由于人們在電極材料、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 14 ％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 100g/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，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)生器形成激烈競爭。

圖 1-1 電解法產(chǎn)生臭氧裝置示意圖

三、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)能夠使臭氧產(chǎn)量單臺達(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)。  

1.1 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�中，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，其結(jié)構(gòu)簡圖如下：

    充氣玻璃放電管發(fā)生器國外稱作臭氧燈，八十年代初外國遠(yuǎn)洋食品冷藏船倉殺菌防霉就使用這種臭氧發(fā)生器。我國邯鄲、大連燈船舶工業(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)簡單、工藝要求低，我國很快發(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)簡單，工藝標(biāo)準(zhǔn)化后價(jià)格也會比較低廉，其壽命比充氣玻璃管要長。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，對提高質(zhì)量、延長壽命大有好處。

    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，其電耗在 40kw · h/kgO3 上下，由于產(chǎn)量在克級以下，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。

1.2 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)如圖 1 。

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)對系統(tǒng)要求較高。

管式結(jié)構(gòu)如圖：

管式結(jié)構(gòu)臭氧發(fā)生器是目前臭氧市場廣泛采用、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)我國大部分大型機(jī)臭氧市場，在我國已有單機(jī) 45kg/h 產(chǎn)品應(yīng)用，國際上己有單臺臭氧產(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) 20kg/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單產(chǎn)生，臭氧制取是一個(gè)完整系統(tǒng)。