臭氧制造過程的四個基本要素

 

臭氧制造過程的四個基本要素：氧氣/原料氣制備，臭氧生成，傳質以及監測和控制。本篇文章主要介紹臭氧的產生。

 

臭氧產生

 

當雙原子氧（O2）暴露于電場或紫外線（UV）時會產生臭氧（O3），暴露于這些高水平的能量會導致部分雙原子氧分子分裂為單個氧原子，這些自由氧原子與雙原子氧分子結合形成臭氧。

由于保持第三個氧原子的弱鍵，臭氧是一種不穩定的分子，從而使臭氧成為天然強大的氧化劑和消毒劑。臭氧直接或通過在溶解的臭氧分解為水的過程中生成羥基自由基來提供氧化能力。

該反應產生三個同時的過程：氧化，消毒和分解。在氧化過程中，臭氧直接或通過高反應性羥基自由基會破壞有機化合物的化學鍵。例如，微生物細胞壁的成分可以被臭氧氧化并分解。該過程通過破壞和裂解細胞壁，使細胞內容物進一步氧化和失活，促進消毒。

所有常見的細菌，病毒，霉菌，囊腫和寄生蟲都可以通過這種方式被臭氧破壞。 很后，臭氧分解為雙原子氧，沒有殘留的多余味道或氣味。

 

 

臭氧發生器

用于產生臭氧的主要技術有兩種：用于商業和工業應用的紫外線和電暈放電。

 

紫外線臭氧發生器利用波長為185納米的紫外線照射在流過合適管腔的進料氣（空氣或濃氧氣）上。從根本上講，紫外線發生器模仿自然過程，該過程負責在地球外層大氣中產生臭氧層。在平流層中，來自太陽的高能紫外線輻射會分裂雙原子氧，從而導致形成臭氧。基于紫外線輻射的臭氧發生器通常以非常低的濃度產生相對少量的臭氧。

 

對于大多數商業工業過程，電暈放電反應器電池會產生臭氧。電暈放電是在導電和介電表面之間產生高壓電場時發生的漫射和連續發光放電。

電介質是一種物質，它是電的不良導體（例如，絕緣體），但卻是電場的有效支持者。在電暈放電臭氧反應器電池中，電介質有助于在其表面上形成寬而連續的電暈，從而使反應器電池中電暈的有效面積 很大化。如下圖所示，電介質材料粘合到導電電極表面之一。

介電表面和另一導電電極表面之間的空間形成稱為介電間隙的空氣間隙。當在兩個電極之間施加足夠的電壓時，就會在此間隙中形成電暈放電。電暈放電可在寬范圍的輸出范圍內產生中等至高濃度的臭氧（通常是由清潔干燥的空氣產生的重量百分比為1％至3％，而由濃縮氧氣產生的重量百分比 很高為15％）。

介電材料的特性和介電間隙的大小在很大程度上決定了反應堆電池的性能。有效電介質間隙越大，形成和維持電暈所必須施加的功率就越大。

功率以特定頻率施加到給定的反應堆電池。該頻率通常基于反應堆電池的特性進行優化，并由臭氧發生器的制造商設定。臭氧發生器通常分為三個頻率類別：低頻（50至60 Hz），中頻（500至1,000 Hz）和高頻（5,000至20,000+ Hz）。

 

從臭氧反應器池或發生器輸出的臭氧濃度和總臭氧量包括三個用戶可控制的參數的函數：施加到反應器池的功率、氧氣濃度和通過反應器池的進料氣流速。臭氧濃度和產量（克/小時或磅/天）可以通過調整這些參數來優化。

 

隨著更多的功率施加到反應堆電池，臭氧濃度和來自反應堆電池的輸出增加。如同功率的頻率一樣，通常可通過發生器的制造商優化和設置可施加到臭氧反應器電池的功率范圍和每個脈沖的持續時間。

電暈放電臭氧反應器耗散約85％的熱量作為熱量提供給電解池。不幸的是，臭氧在較高溫度下變得不穩定。隨著更多功率的施加，反應堆電池的溫度可能會升高，這可能會限制臭氧的產生。所有商用電暈放電反應器都采用某種形式的冷卻來抵消這種現象。

進料氣體的氧氣濃度和流速也影響反應器的臭氧輸出。通常，可以通過增加進料氣體的氧氣濃度來增加臭氧濃度。與任何化學反應一樣，增加反應物的濃度會增加反應產物的濃度。通過增加氧氣在反應器中所花費的時間，降低通過發生器的進料氣流速也會增加臭氧濃度。