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臭氧的制取方法和技術(shù):

光化學法、電化學法、電暈放電法

一、光化學法 – 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，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、二氧化碳氣體分子等。

　　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 600kwh/kgO3 ，即 1.5gO3 /kw. h ，工業(yè)應(yīng)用價值不大。

　　紫外法產(chǎn)生臭氧的優(yōu)點是對濕度、溫度不敏感，具有很好的重復性；同時，可以通過燈功率線性控制臭氧濃度、產(chǎn)量。這兩個特性對于臭氧用于人體治療與作為儀器的臭氧標準源是非常合適的。

二、電化學法 – 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，運行費用很高。由于人們在電極材料、電解液與電解機理、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，使電化學法臭氧發(fā)生器技術(shù)向前邁進了一大步。

　　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)品達到了工業(yè)化應(yīng)用規(guī)模。我國武漢大學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 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 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)生機理：

　　雖然有若干機理可能同電暈內(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，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用的、經(jīng)濟上有吸引力的臭氧發(fā)生器和系統(tǒng)的設(shè)計。  

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，價格便宜。但經(jīng)多年實踐檢驗，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，八十年代鞍山靜電技術(shù)研究院與日方合作引進生產(chǎn)技術(shù)，北方交通大學與重慶師范學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，工藝標準化后價格也會比較低廉，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)開始研究此項技術(shù)要達到工業(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，大型臭氧需要多個放電室串聯(lián)和并聯(lián)來實現(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)我國大部分大型機臭氧市場，在我國已有單機 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)備單機產(chǎn)量達 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，臭氧制取是一個完整系統(tǒng)。