臭氧的制备方法及原理解析

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：目前臭氧的制备方法有：无声放电法、放射法、紫外线辐射法、等离子射流法和电解法等。因此，产生的臭氧通常含有一定浓度的空气，称为臭氧化空气。据研究，臭氧的产量与电压的二次方成正比，增加电压可提高臭氧的产量，但电压高，耗电量大，介电体容易被击穿，元件的绝缘性要求也高，一般采用10～15kV左右电压。

目前臭氧的制备方法有：无声放电法、放射法、紫外线辐射法、等离子射流法和电解法等。无声放电法又有气相中放电和液相中放电两种。在水处理中多采用气相中无声放电法，故本节只介绍这种方法。

1.无声放电法生产臭氧的原理

无声放电法生产臭氧的原理如图3-5所示。在玻璃管②外，套一个不锈钢管①，使两者之间形成放电间隙。玻璃管内壁涂石墨③作为一个电极。交流电源⑤通过变压器④升压后，将高压交流电加在石墨层和不锈钢管之间，使放电间隙产生高速电子流。玻璃管作为介电体防止两电极之间产生火花放电。将干燥的空气或氧气从一端通入放电间隙，受到高速电子流的轰击，从另一端流出时就成为臭氧化空气或臭氧化氧气。

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图3-5　无声放电法示意图

利用氧气制备臭氧，要使氧气转变为臭氧需要有很高的能量才能分解成氧原子。无声放电法是利用高速电子轰击氧气，其反应如下：

分离后的氧原子有些合成为臭氧，反应如下：

有些重新合成为氧气，如式（3-2）的逆反应：有些则和氧气合成为臭氧，反应如下：

从式（3-3）和（3-4）的逆反应可知，生成的臭氧会分解为氧原子和氧气。当臭氧发生器的散热不良时，分解更迅速。因此，通过放电区域的氧，只有一部分能生成臭氧。当空气通过放电区域时，生成的臭氧只占空气的0.6～1.2%（体积比）。因此，产生的臭氧通常含有一定浓度的空气，称为臭氧化空气。若以纯氧气通过放电区域，其产量仅比空气为原料增加一倍。

氧气生产臭氧的总反应式如下：

即每生产1kg臭氧需要消耗能量0.836 kWh，相当于单位电耗的生产率为1.2 kgO3/kWh。由于95%左右的电能变成光能和热能被消耗掉，故用空气生产每吨臭氧实际耗能量为15～20kWh。

从式（3-5）可知，在放电间隙将产生大量热量，它会使臭氧加速分解而影响产量，因此，应采用适当的冷却，及时排出这些热量，是提高产量、臭氧浓度、降低电耗的有效措施。

2.臭氧发生器

工业上利用无声放电法制备臭氧的臭氧发生器，按其电极构造可分为板式和管式两大类。管式的又有立管式和卧管式两种，板式的有奥托板式和劳泽板式两种。臭氧发生过程中，电能大部分转化为热能，所以必须冷却电极。通常采用水冷和空气冷却两种方式，管式发生器常用水冷，劳泽板式发生器常用空气冷却。我国生产的臭氧发生器系列产品上要是管式。本节只介绍卧管式臭氧发生器。

卧管式臭氧发生器的构造如图3-6所示。

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图3-6　卧管式臭氧发生器的构造

在金属圆筒①内的两端各焊有一块孔板②，每孔焊上一根不锈钢管③，不锈钢管内安装内涂石墨的玻璃管④，并用定位环⑤使玻璃管外壁与不锈钢管内壁保持一定的放电间隙⑥。整个金属圆筒内形成两个通道：两块孔板和不锈钢外璧之间为冷却水通道；两块孔板与圆筒端盖的空间，一作为进气分配室 pagenumber_ebook=74,pagenumber_book=62 ，另一作臭氧化空气收集室，并通放电间隙。交流电源⑦经变压器⑧升压后，高压端通过绝缘瓷瓶⑨，导线⑩，接线柱及熔丝等电器元件接到玻璃管壁内的石墨层上，低压端，通过金属圆筒外壳、孔板和不锈钢管联接。当石墨层和不锈钢管间加上高压电流时，从进气分配室进入放电间隙的空气在高速电子流轰击下形成臭氧化空气，经臭氧化空气收集室送出。同时冷却水带走放电过程中产生的热量。

据研究，臭氧的产量与电压的二次方成正比，增加电压可提高臭氧的产量，但电压高，耗电量大，介电体容易被击穿，元件的绝缘性要求也高，一般采用10～15kV左右电压。提高交流电的频率，可增加放电次数，从而可提高臭氧的产量，但需增加调频设备，国内目前仍采用50～60Hz的电源。

放电间隙越小，越容易放电，产生无声放电所需的电压越小，耗电量越小，但间隙过小，介电体或电极表面要求越高，管式（水冷）一般采用2～3.5mm。

理想的介电体应具有良好的绝缘和导热性能。玻璃、云母和塑料具有良好的绝缘性能，为了取得良好的散热性能，尽可能减少介电体的厚度。据研究，玻璃管的厚度增加1mm，臭氧产量将减少一半左右。但过薄易被高压电击穿，生产上管式臭氧发生器硼硅玻璃管厚度常采用2.1～3mm。

臭氧的制备方法及原理解析

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