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臭氧发生器怎么产生臭氧?原理有哪些

2022-03-03 22:31

臭氧发生器怎么产生臭氧?原理有哪些

 

人类应用臭氧已经有150年的历史,期间臭氧产生技术经历了很多变革和革新。用来产生臭氧的装置被称为臭氧发生器,也叫做臭氧机、臭氧发生装置。那么,臭氧发生器的原理是什么呢,给大家介绍一下:

       按照臭氧产生的方式划分,臭氧发生器主要有三种方式:高压放电式(电晕放电)、紫外线照射式、电解式。

一、高压放电式发生器

该类臭氧发生器是使用一定频率的高压电流制造高压电晕电场,使电场内或电场周围的氧分子发生电化学反应,从而制造臭氧。电晕法臭氧发生器具有技术成熟、工作稳定、使用寿命长、臭氧产量大(单机可达20Kg/h以上)等优点,所以是国内外使用很广泛的臭氧发生器。

在高压放电式臭氧发生器中又分为以下几种类型:

1、按发生器的高压电频率划分,有工频(50-60Hz)、中频(400-1000Hz)和高频(>1000Hz)三种。工频发生器由于体积大、功耗高等缺点,目前已基本退出市场。中、高频发生器具有体积小、功耗低、臭氧产量大等优点,是现在很常用的产品。

2、按使用的气体原料划分,有氧气型和空气型两种。氧气型通常是由氧气瓶或制氧机供应氧气。空气型通常是使用洁净干燥的压缩空气作为原料。由于臭氧是靠氧气来产生的,而空气中氧气的含量只有21%,所以空气型发生器产生的臭氧浓度相对较低,而瓶装或制氧机的氧气纯度都在90%以上,所以氧气型发生器的臭氧浓度较高,在大中型臭氧发生器里面使用广泛。

3、按冷却方式划分,有水冷型和风冷型。臭氧发生器工作时会产生大量的热能,冷却是臭氧发生器生产技术中非常重要的技术,冷却不好否则不但臭氧发生器设备容易损坏,臭氧气体会因高温而边产生边分解。水冷型发生器冷却效果好,工作稳定,臭氧无衰减,并能长时间连续工作,但结构复杂,成本稍高。风冷型冷却效果不够理想,臭氧衰减明显。总体性能稳定的高性能臭氧发生器通常都是水冷式的。风冷一般只用于臭氧产量较小的臭氧发生器,如北京同林臭氧发生器,风冷产品仅限于10-100g/h以下的小型臭氧发生器。100g以上的臭氧发生器都使用自水冷或者外接冷却水。

4、按介电材料划分,常见的有石英管、陶瓷板、陶瓷管、玻璃管和搪瓷管等几种类型。而每种材质因为工艺不同、添加的配料不同,成品的介电常数也差异很大。玻璃介电体成本低性能稳,是臭氧发生器早期使用的介电体,但机械强度差,易破损,所以退出历史舞台。目前,从全世界范围看,石英、搪瓷、陶瓷是大中型臭氧发生器使用很多的介电体。

5、按臭氧发生器结构划分,有间隙放电式(DBD)和开放式两种。间隙放电式臭氧发生器有分为普通间歇式放电和复合式间隙式放电。改结构特点是臭氧在内外电极区间的间隙内产生臭氧,臭氧能够集中收集输出使用其浓度较高,如用于水处理。开放式臭氧发生器的电极是裸露在空气中的,又叫做沿面放电,所产生的臭氧直接扩散到空气中,通常用于空气消毒用途。

二、紫外线式臭氧发生器

使用波长185nm的紫外线照射氧气,使氧分子分解而产生臭氧。由于紫外灯的电-光转换效率非常低,只有0.6-1.5%,紫外法产生臭氧的电耗高达600kw/kg臭氧,远远高于北京同林臭氧的7kw/kg臭氧的电晕放电法技术,所以工业应用较少。目前仅在制造低浓度纯臭氧和一些消毒柜中使用。

三、电解式臭氧发生器

该类臭氧发生器通常是通过电解纯净水而产生臭氧。这种发生器能制取高浓度的臭氧水,制造成本低,使用简单。但由于维护繁琐、电极寿命短、产量低、臭氧不容易收集等缺点,其用途非常有限。目前这种臭氧发生器通常用于制备少量高浓度臭氧水。


四、冷等离子体

在冷等离子体方法中,纯氧气体暴露于由介质阻挡放电产生的等离子体中。双原子氧分裂成单个原子,然后三个一组重新结合形成臭氧。冷等离子体机利用纯氧作为输入源,产生很大浓度约5%的臭氧。与紫外线相比,它们在一定时间内产生的臭氧要多得多。然而由于冷等离子体臭氧发生器非常昂贵,它们被使用的频率低于前两种类型。

放电表现为两个电极之间的间隙中电子(微放电)的丝状转移。为了使微放电均匀分布,必须用绝缘材料隔开金属电极并防止电弧

一些冷等离子体单元还能产生短寿命的氧同素异形体,包括O4、O5、O6、O7等。这些物质甚至比普通的O3更活跃


五、特别注意事项


臭氧不能像其他工业气体一样进行存储和运输(因为它会迅速分解为双原子氧),因此必须在现场生产。可用的臭氧发生器在高压电极的布置和设计上有所不同。当每小时的生产能力高于20千克时,可将气/水管热交换器用作接地电极,并在气体侧与管状高压电极组装在一起。典型的气压范围是氧气中绝对压力为2bar(200 kPa),空气中绝对压力为3 bar(300 kPa)。大型设施中可能会安装几兆瓦的电源,以50至8000 Hz的一相交流电流和峰值电压的形式施加3,000至20,000伏之间施加电压通常与施加频率成反比。


影响臭氧产生效率的主要参数是气体温度,该气体温度由冷却水温度和/或气体速度控制。水越冷,臭氧合成越好。气体速度越低,浓度越高(但是产生的净臭氧越低)。在典型的工业条件下,几乎有90%的有效功率会随着热量散发,需要通过足够的冷却水流将其除去。


由于臭氧的高反应活性,只能使用几种材料,例如不锈钢(质量316L),钛,铝(只要不存在水分),玻璃,聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯。可以使用Viton来限制恒定的机械力并且不存在湿度(湿度限制取决于配方)。Hypalon的使用应具有以下限制:除正常大气水平外,禁止与水接触。脆化或收缩是弹性体暴露于臭氧下的常见失效模式。臭氧破裂是弹性密封件(例如O形圈)失效的常见模式。


硅橡胶通常适合用作臭氧浓度低于1wt%的垫片,例如用于加速橡胶样品老化的设备 


六、附带生产


臭氧可由O2通过放电和高能电磁辐射作用产生。电触点、电动机电刷或机械开关中不可抑制的电弧会破坏触点周围的大气氧的化学键[O22O]。电弧内和电弧周围的氧自由基重新组合产生臭氧[O3]。某些电气设备会产生大量的臭氧。对于使用高电压的设备尤其如此,例如离子空气净化器,激光打印机,复印机,缝机和弧焊机。使用电刷的电动机会因设备内部反复产生火花而产生臭氧。使用电刷的大型电机(例如电梯或液压泵使用的电刷)会比小型电机产生更多的臭氧。


七、实验室生产

 实验室中,臭氧可通过产生电解用9伏电池,铅笔石墨棒阴极,一个铂丝阳极和3 摩尔硫酸电解质。发生的半电池反应是:

3 H2O O3 + 6 H+ + 6 e (ΔE° = 1.53 V)

6 H+ + 6 e 3 H2 (ΔE° = 0 V)

2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e (ΔE° = 1.23 V)


在净反应中,将三当量的水转化为一当量的臭氧和三当量的氢。氧的形成是竞争性反应。


它也可以由高压电弧产生。在很简单的形式中,高压交流电(例如霓虹灯变压器的输出)连接到两个金属棒,两端的端部彼此足够靠近以产生电弧。产生的电弧会将大气中的氧气转化为臭氧。 


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