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臭氧制備與生產(chǎn)的幾種方法
臭氧是*的廣譜、高效殺菌劑。目前在許多國家和地區(qū),臭氧的應(yīng)用很廣泛,如應(yīng)用在飲用水消毒、醫(yī)用水消毒、污水處理、食品廠和藥廠空氣消毒、造紙漂白等行業(yè)和領(lǐng)域，那么臭氧又是如何制備與生產(chǎn)的呢？
民用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，用于在無人的房間清潔空房間空氣或消除空房間中的煙味。這些臭氧發(fā)生器每小時(shí)可產(chǎn)生3克以上的臭氧。
工業(yè)中使用的臭氧以 μmol / mol（ ppm，百萬分之一），nmol / mol（ppb，十億分之一），μg/ m³，mg / h（每小時(shí)毫克）或重量百分比測量。傳統(tǒng)的應(yīng)用濃度范圍為 1 %至 5 %（空氣中）和 6 %至 14 %（氧氣中）。新的電解方法可以使產(chǎn)出水中的溶解臭氧濃度達(dá)到 20 ％到 30 ％。
在使用傳統(tǒng)的生成方法（例如電暈放電和紫外線）產(chǎn)生的臭氧量中，溫度和濕度有著很大的影響。如果在潮濕的環(huán)境空氣（而不是非常干燥的空氣）運(yùn)行，則將產(chǎn)生不到標(biāo)稱產(chǎn)量的 50 ％ 。使用電解方法的新型發(fā)生器可以通過將水分子用作臭氧產(chǎn)生源來實(shí)現(xiàn)更高的純度和溶解度。
01
電暈放電法
這是用于大多數(shù)工業(yè)和個(gè)人用途的常見的臭氧發(fā)生器類型。盡管存在產(chǎn)生臭氧的“熱火花”冠狀放電方法的變型，包括醫(yī)學(xué)級和工業(yè)級臭氧發(fā)生器，這些單元通常通過電暈放電管工作。它們通常具有成本效益，并且除環(huán)境空氣外不需要氧氣源即可產(chǎn)生 3 – 6 ％的臭氧濃度。
由于天氣或其他環(huán)境條件的影響，周圍空氣的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致臭氧產(chǎn)量的變化。然而它們也產(chǎn)生氮氧化物作為副產(chǎn)物。使用空氣干燥器通過去除水蒸氣可以減少或消除硝酸的形成，并增加臭氧的產(chǎn)生。在室溫下，硝酸會(huì)形成蒸氣，如果吸入會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。癥狀可能包括胸痛，呼吸急促，頭痛以及鼻子和喉嚨干燥，引起灼熱感。氧氣濃縮器的使用不僅可以去除水蒸氣，還可以去除大部分氮?dú)猓瑥亩梢赃M(jìn)一步增加臭氧的產(chǎn)生，并進(jìn)一步降低形成硝酸的風(fēng)險(xiǎn)。
02
紫外線
UV臭氧發(fā)生器使用環(huán)境空氣來產(chǎn)生臭氧，沒有使用空氣制備系統(tǒng)（空氣干燥器或氧氣濃縮器），因此這些發(fā)生器的價(jià)格往往較低。但是紫外線臭氧發(fā)生器通常產(chǎn)生的臭氧濃度約為 0.5 ％ 或更低，這限制了潛在的臭氧生產(chǎn)率。該方法的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它需要將環(huán)境空氣（氧氣）暴露在紫外線源中更長的時(shí)間，并且任何未暴露在紫外線源中的氣體都不會(huì)被處理。這使得UV發(fā)生器不適用于處理快速移動(dòng)的空氣或水流的情況（例如，管道內(nèi)空氣消毒）。
臭氧的產(chǎn)生是紫外線殺菌輻射的潛在危險(xiǎn)之一。VUV臭氧發(fā)生器用于游泳池和水療中心，范圍達(dá)數(shù)百萬加侖的水。VUV臭氧發(fā)生器與電暈放電發(fā)生器不同，不會(huì)產(chǎn)生有害的氮副產(chǎn)品，并且與電暈放電系統(tǒng)不同，VUV臭氧發(fā)生器在潮濕的空氣環(huán)境中工作非常好。通常也不需要昂貴的廢氣處理機(jī)構(gòu)，也不需要額外成本和維護(hù)的空氣干燥器或氧氣濃縮器。
03
冷等離子體
在冷等離子體方法中，純氧氣體暴露于由介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體中。雙原子氧分裂成單個(gè)原子，然后三個(gè)一組重新結(jié)合形成臭氧。冷等離子體機(jī)利用純氧作為輸入源，產(chǎn)生濃度約5%的臭氧。與紫外線相比，它們在一定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的臭氧要多得多。然而由于冷等離子體臭氧發(fā)生器非常昂貴，它們被使用的頻率低于前兩種類型。
放電表現(xiàn)為兩個(gè)電極之間的間隙中電子(微放電)的絲狀轉(zhuǎn)移。為了使微放電均勻分布，必須用絕緣材料隔開金屬電極并防止電弧。
一些冷等離子體單元還能產(chǎn)生短壽命的氧同素異形體，包括O4、O5、O6、O7等。這些物質(zhì)甚至比普通的O3更活躍
04
電解
電解氧發(fā)生器（EOG）將水分子分裂為H2，O2和O3。在大多數(shù)EOG方法中，氫氣將被除去，剩下氧氣和臭氧作為反應(yīng)產(chǎn)物。因此，EOG可以在水中實(shí)現(xiàn)更高的溶解度，而無需電暈放電方法中發(fā)現(xiàn)其他競爭性氣體，例如環(huán)境空氣中存在的氮?dú)狻＿@種生成方法可以達(dá)到20-30％的濃度，并且與空氣質(zhì)量無關(guān)，因?yàn)槭褂盟鳛樵稀Ｓ捎谶^高的電勢，通常不利于電解生產(chǎn)臭氧與氧氣相比需要產(chǎn)生臭氧。這就是為什么在典型的水電解過程中不會(huì)產(chǎn)生臭氧的原因。然而可以通過謹(jǐn)慎地選擇催化劑來增加氧氣的過電勢，使得其優(yōu)先在電解下產(chǎn)生臭氧。通常選擇用于此方法的催化劑是二氧化鉛或摻硼金剛石。
通過增加陽極處的電流密度，將陽極周圍的電解質(zhì)冷卻至接近0°C，使用酸性電解質(zhì)（例如稀硫酸）代替堿性溶液并施加脈沖電流來改善臭氧與氧氣的比率。
05
特別注意事項(xiàng)
臭氧不能像其他工業(yè)氣體一樣進(jìn)行存儲(chǔ)和運(yùn)輸（因?yàn)樗鼤?huì)迅速分解為雙原子氧），因此必須在現(xiàn)場生產(chǎn)。可用的臭氧發(fā)生器在高壓電極的布置和設(shè)計(jì)上有所不同。當(dāng)每小時(shí)的生產(chǎn)能力高于20千克時(shí)，可將氣/水管熱交換器用作接地電極，并在氣體側(cè)與管狀高壓電極組裝在一起。典型的氣壓范圍是氧氣中壓力為2bar（200 kPa），空氣中壓力為3 bar（300 kPa）。大型設(shè)施中可能會(huì)安裝幾兆瓦的電源，以50至8000 Hz的一相交流電流和峰值電壓的形式施加3,000至20,000伏之間施加電壓通常與施加頻率成反比。
影響臭氧產(chǎn)生效率的主要參數(shù)是氣體溫度，該氣體溫度由冷卻水溫度和/或氣體速度控制。水越冷，臭氧合成越好。氣體速度越低，濃度越高（但是產(chǎn)生的凈臭氧越低）。在典型的工業(yè)條件下，幾乎有90％的有效功率會(huì)隨著熱量散發(fā)，需要通過足夠的冷卻水流將其除去。
由于臭氧的高反應(yīng)活性，只能使用幾種材料，例如不銹鋼（質(zhì)量316L），鈦，鋁（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來限制恒定的機(jī)械力并且不存在濕度（濕度限制取決于配方）。Hypalon的使用應(yīng)具有以下限制：除正常大氣水平外，禁止與水接觸。脆化或收縮是彈性體暴露于臭氧下的常見失效模式。臭氧破裂是彈性密封件（例如O形圈）失效的常見模式。
硅橡膠通常適合用作臭氧濃度低于1wt％的墊片，例如用于加速橡膠樣品老化的設(shè)備。
06
附帶生產(chǎn)
臭氧可由O2通過放電和高能電磁輻射作用產(chǎn)生。電觸點(diǎn)、電動(dòng)機(jī)電刷或機(jī)械開關(guān)中不可抑制的電弧會(huì)破壞觸點(diǎn)周圍的大氣氧的化學(xué)鍵[O22O]。電弧內(nèi)和電弧周圍的氧自由基重新組合產(chǎn)生臭氧[O3]。某些電氣設(shè)備會(huì)產(chǎn)生大量的臭氧。對于使用高電壓的設(shè)備尤其如此，例如離子空氣凈化器，激光打印機(jī)，復(fù)印機(jī)，縫機(jī)和弧焊機(jī)。使用電刷的電動(dòng)機(jī)會(huì)因設(shè)備內(nèi)部反復(fù)產(chǎn)生火花而產(chǎn)生臭氧。使用電刷的大型電機(jī)（例如電梯或液壓泵使用的電刷）會(huì)比小型電機(jī)產(chǎn)生更多的臭氧。
07
實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)
在實(shí)驗(yàn)室中，臭氧可通過產(chǎn)生電解用9伏電池，鉛筆石墨棒陰極，一個(gè)鉑絲陽極和3 摩爾硫酸電解質(zhì)。發(fā)生的半電池反應(yīng)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)
在凈反應(yīng)中，將三當(dāng)量的水轉(zhuǎn)化為一當(dāng)量的臭氧和三當(dāng)量的氫。氧的形成是競爭性反應(yīng)。
它也可以由高壓電弧產(chǎn)生。在簡單的形式中，高壓交流電（例如霓虹燈變壓器的輸出）連接到兩個(gè)金屬棒，兩端的端部彼此足夠靠近以產(chǎn)生電弧。產(chǎn)生的電弧會(huì)將大氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧。
通常希望包含臭氧。這可以通過由兩個(gè)同心玻璃管組成的設(shè)備來完成，該兩個(gè)同心玻璃管在頂部密封在一起，而在外管的頂部和底部則設(shè)有氣體端口。內(nèi)芯應(yīng)插入一定長度的金屬箔，并與電源的一側(cè)相連。電源的另一側(cè)應(yīng)連接到另一塊纏繞在外管上的箔片上。干O的來源 2適用于底部端口。當(dāng)對箔導(dǎo)線施加高壓時(shí)，電流將在中間的干燥雙氧之間放電并形成O3和O2將流出頂部端口。