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臭氧制备与生产的几种方法
发布时间:2020-03-12   点击次数:290次

臭氧是世界公认的广谱、高效杀菌剂。目前在许多国家和地区,臭氧的应用很广泛,如应用在饮用水消毒、医用水消毒、污水处理、食品厂和药厂空气消毒、造纸漂白等行业和领域,那么臭氧又是如何制备与生产的呢?

民用臭氧发生器产生臭氧,用于在无人的房间清洁空房间空气或消除空房间中的烟味。这些臭氧发生器每小时可产生3克以上的臭氧。

工业中使用的臭氧以 μmol / mol( ppm,百万分之一),nmol / mol(ppb,十亿分之一),μg/ m³,mg / h(每小时毫克)或重量百分比测量。传统的应用浓度范围为 1 %至 5 %(空气中)和 6 %至 14 %(氧气中)。新的电解方法可以使产出水中的溶解臭氧浓度达到 20 %到 30 %。

在使用传统的生成方法(例如电晕放电和紫外线)产生的臭氧量中,温度和湿度有着很大的影响。如果在潮湿的环境空气(而不是非常干燥的空气)运行,则将产生不到标称产量的 50 % 。使用电解方法的新型发生器可以通过将水分子用作臭氧产生源来实现更高的纯度和溶解度。

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电晕放电法

这是用于大多数工业和个人用途的常见的臭氧发生器类型。尽管存在产生臭氧的“热火花”冠状放电方法的变型,包括医学级和工业级臭氧发生器,这些单元通常通过电晕放电管工作。它们通常具有成本效益,并且除环境空气外不需要氧气源即可产生 3 – 6 %的臭氧浓度。

由于天气或其他环境条件的影响,周围空气的波动会导致臭氧产量的变化。然而它们也产生氮氧化物作为副产物。使用空气干燥器通过去除水蒸气可以减少或消除硝酸的形成,并增加臭氧的产生。在室温下,硝酸会形成蒸气,如果吸入会产生危险。症状可能包括胸痛,呼吸急促,头痛以及鼻子和喉咙干燥,引起灼热感。氧气浓缩器的使用不仅可以去除水蒸气,还可以去除大部分氮气,从而可以进一步增加臭氧的产生,并进一步降低形成硝酸的风险。

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紫外线

UV臭氧发生器使用环境空气来产生臭氧,没有使用空气制备系统(空气干燥器或氧气浓缩器),因此这些发生器的价格往往较低。但是紫外线臭氧发生器通常产生的臭氧浓度约为 0.5 % 或更低,这限制了潜在的臭氧生产率。该方法的另一个缺点是,它需要将环境空气(氧气)暴露在紫外线源中更长的时间,并且任何未暴露在紫外线源中的气体都不会被处理。这使得UV发生器不适用于处理快速移动的空气或水流的情况(例如,管道内空气消毒)。

臭氧的产生是紫外线杀菌辐射的潜在危险之一。VUV臭氧发生器用于游泳池和水疗中心,范围达数百万加仑的水。VUV臭氧发生器与电晕放电发生器不同,不会产生有害的氮副产品,并且与电晕放电系统不同,VUV臭氧发生器在潮湿的空气环境中工作非常好。通常也不需要昂贵的废气处理机构,也不需要额外成本和维护的空气干燥器或氧气浓缩器。

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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

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电解

电解氧发生器(EOG)将水分子分裂为H2,O2和O3。在大多数EOG方法中,氢气将被除去,剩下氧气和臭氧作为反应产物。因此,EOG可以在水中实现更高的溶解度,而无需电晕放电方法中发现其他竞争性气体,例如环境空气中存在的氮气。这种生成方法可以达到20-30%的浓度,并且与空气质量无关,因为使用水作为原料。由于过高的电势,通常不利于电解生产臭氧与氧气相比需要产生臭氧。这就是为什么在典型的水电解过程中不会产生臭氧的原因。然而可以通过谨慎地选择催化剂来增加氧气的过电势,使得其优先在电解下产生臭氧。通常选择用于此方法的催化剂是二氧化铅或掺硼金刚石。

通过增加阳极处的电流密度,将阳极周围的电解质冷却至接近0°C,使用酸性电解质(例如稀硫酸)代替碱性溶液并施加脉冲电流来改善臭氧与氧气的比率。

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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。

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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。

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实验室生产

在实验室中,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。

通常希望包含臭氧。这可以通过由两个同心玻璃管组成的设备来完成,该两个同心玻璃管在顶部密封在一起,而在外管的顶部和底部则设有气体端口。内芯应插入一定长度的金属箔,并与电源的一侧相连。电源的另一侧应连接到另一块缠绕在外管上的箔片上。干O的来源 2适用于底部端口。当对箔导线施加高压时,电流将在中间的干燥双氧之间放电并形成O3和O2将流出顶部端口。

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