CN100411974C - 一种臭氧产生方法和臭氧发生装置 - Google Patents

Abstract

一种臭氧产生方法和臭氧发生装置，特别涉及放电与催化剂协同作用的臭氧发生装置，其方法包括将空气或氧气流引入到设置有高压电极和接地电极之间的放电间隙中，通过高压电源和电极在放电间隙中放电，在所述放电间隙中填充有高比表面积、具有电介质特性的催化剂，它们对放电气体提供促进臭氧产生的催化作用。其装置，包括高压电源和高压电极与接地电极组成的放电电极、放电空腔及设在放电空腔上的进气口和出气口，在所述的高压电极(3)与接地电极(4)之间填充有高比表面积的电介质特性的催化剂(2)，放电电极与催化剂(2)之间的空隙以及催化剂(2)本身形成的空隙为放电气体流动通道。

Description

一种臭氧产生方法和臭氧发生装置

技术领域

本发明是一种臭氧产生的方法与臭氧发生装置，特别涉及放电与催化剂协同作用的臭氧发生装置，属于臭氧发生设备制造的技术领域。

背景技术

臭氧具有极强氧化能力(氧化还原电位2.07V)，略次于氟(2.87V)，高于氯(1.36V)。臭氧经过几十分钟后又分解成氧气，没有二次污染，也不存在任何残留物。臭氧是强氧化剂、杀菌消毒剂、催化剂、脱色剂和除臭剂，有广泛应用领域。可以应用于给水杀菌消毒处理(不存在用氯处理后残存卤代甲烷THM及有机氯化物类的致癌物质)；污水深度处理及其资源化；造纸纸浆漂白无氯化处理；净化养殖池水及提高水产养殖活体的生长速率；食品工业和饮料工业的水净化及加工工艺设备、容器的消毒杀菌，食品消毒，医疗系统的杀菌灭毒等。

人工产生臭氧主要有电解法、紫外光照法、放电法等几种。相对而言，放电法较为经济，工业用臭氧大多由此产生。从1857年冯·西门子(Von Siemens)研制出臭氧发生管至今，臭氧技术有了很大的进步，但大多还是以西门子研制的臭氧发生管或者是奥托板Otto-Plate型的臭氧发生装置为基本的构造或进行结构上的改进。目前在工业上应用的臭氧发生器种类繁多，基本的差异都在于电极和或介质阻挡层几何形状、电源形式、散热工艺和运行条件等方面。

为了得到大容量化的臭氧发生装置，通常把放电极多级层叠起来，则臭氧的产生量与层叠数成正比而增加。因为在水处理、纸浆漂白等工业应用中需要大容量的臭氧发生装置，就需要将有数十个臭氧发生单元构成的组件几十个并联构成。产生了装置大、制作成本高、维修操作复杂的困难。

当增加放电间隙时，可以处理更多含氧气体，但此时放电强度会降低，导致生产效率和产量反而下降；提高电源电压虽然可以使放电强度提高，但是放电装置的绝缘水平也要随之提高，给安全生产带来技术困难。因此，即使是在近年出现的许多实际应用中的臭氧发生器，其放电间隙依然很小。而且，在放电间隙极

为小的情况下，高压电极和接地电极之间的距离还要求尽量均匀，这使得放电电极加工要求高，且臭氧发生装置单元臭氧产生能力低。文献(Jodzis S.，Effectsof silica packing on ozone synthesis from oxygen-nitrogen mixtures，ozone scienceand engineering，25(1)：63-722003.)报道了在放电装置中填充二氧化硅材料，臭氧产生效率并无明显改善，这是由于二氧化硅是惰性材料。专利cn1774394A通过光催化剂在紫外光作用下催化氧分解产生氧原子提高臭氧浓度，该方法主要采用非常小间隙(0.6mm以下)，对电极加工和装配要求较高。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对上述存在的问题，设计一种可以提高臭氧产生效率，并且使放电均匀、使高压电极和接地电极制造容易的臭氧产生方法和臭氧发生装置。

技术方案：本发明的产生臭氧的方法，包括将空气或氧气流引入到设置有高压电极和接地电极之间的间隙中，在所述放电间隙中填充有对放电气体提供促进臭氧产生的具有电介质特性的催化剂，通过高压电源及高压电极和接地电极在所述间隙中放电。催化剂采用高比表面积产生臭氧效率更高。在所述放电间隙中还可设置电介质阻挡层，利用电晕放电诱导产生表面放电，同时诱导产生介质阻挡放电；上述放电过程与催化剂催化作用联合而高效产生臭氧。

本发明的臭氧发生装置，包括高压电源和高压电极与接地电极组成的放电电极、包围高压电极和接地电极之间间隙的放电空腔及设在放电空腔上的进气口和出气口；在所述的高压电极与接地电极之间填充有促进臭氧产生的电介质特性的催化剂，放电电极与催化剂之间的空隙以及催化剂相互之间和内部形成的空隙为放电气体流动通道。催化剂采用高比表面积产生臭氧效率更高。

所述放电电极还包括在放电电极与催化剂之间设置电介质阻挡层，此时所述高压电源为交流电源。所述的放电电极中至少有一个细窄或尖锐形状的放电边缘。其曲率半径小于等于2mm。所述的高压电极与接地电极均为平板状或圆筒状或线状电极；或其中之一是线状电极，另外一个电极为圆筒状或平板状，放电空腔由圆筒状或平板状电极之间的空间形成。在所述高压电极或/和接地电极表面设置冷却装置。

所述催化剂是氧化铝、或氧化锆、或二氧化钛、或硅酸锆、或分子筛制成的电介质材料，制成颗粒状或蜂窝状、或网状；或者是负载在颗粒状或蜂窝状、或网状的电介质材料或绝缘材料上，粒径范围为0.1-10mm。粒径最佳范围是3-5mm。

所述的放电电极中至少有一个细窄或尖锐形状的放电边缘，

工作原理：

对高压电极施加高压电源时，首先在电极的放电边缘附近的气体中产生电晕放电；随着放电电压的升高，起始电晕放电向对面电极延伸，沿着催化剂表面附近的气体中形成表面放电；同样，当在一对放电电极之间设置电介质阻挡层时，向对面电极延伸的表面放电在电介质阻挡层处被绝缘介质阻挡而终止发展。

气体中的电晕放电和表面放电共同作用，产生大量高能电子，高能电子再激发、电离和离解氧气分子，产生大量氧原子、激发态氧分子和氧离子，这些处于高能态的氧粒子通过多种反应途径而产生臭氧分子。

由于在放电电极间填充了有高比表面积的电介质特性的催化剂，利用电晕放电诱导表面放电，因而在较大的电极间距之间的平均放电电场强度并不高。因此，可以在不提高电源电压和放电装置的绝缘水平的情况下而将电极的间距设计得较大，使有效放电体积增大，含氧原料气体包括空气和氧气处理量提高；而且对电极及电极间距的制造精度可以降低。

同时，由于催化剂，如氧化铝、氧化锆、二氧化钛、硅酸锆、钛酸钡或分子筛等，对氧气有吸附作用，使得氧分子被催化剂表面吸附。当催化剂表面附近发生表面放电现象时，可使部分氧分子电离激发形成氧原子，所形成的氧原子与被吸附但未电离激发的氧分子发生的是二分子反应，使臭氧生成反应速率提高，提高了臭氧产生效率。

有益效果：在现有用放电方法产生臭氧装置工作时，当电场强度超过气体击穿电场强度，就会产生放电现象，使气体激发、电离，其中O₂受激发电离作用，首先形成氧原子，氧原子必须与氧分子以及另外任意一个原子或分子发生三分子反应，将氧原子的能量转移给另外的原子或分子，才能形成臭氧分子，否则形成的臭氧分子能量较高，容易分解。由于形成臭氧的三分子反应速率低，同时氧原子非常活泼，有多种反应途径，使氧原子消失，造成装置中氧原子浓度低，因此，现有的臭氧发生装置效率低。

本发明在气体通道内高压电极和接地电极之间填充有电介质特性的催化剂，含氧气体通过时，由于催化剂对氧气有吸附作用，同时催化剂表面附近被诱发表面放电现象，使臭氧生成反应变成了二分子反应，反应速率提高，提高了臭氧产生效率。如果在气体通道内高压电极和接地电极之间还同时设置了电介质阻挡层，则使臭氧产生效率进一步提高。

由于催化剂的介电常数通常远大于空气或氧气介质，这样在催化剂颗粒接触处表的空气或氧气电场强度会高于催化剂颗粒间隙的平均电场，降低放电的起始电压，电晕放电在催化剂颗粒接触处产生，并诱导产生在催化剂表面放电。因而电极也可以制成板状或圆筒状等等。

本发明装置另外一个优点是采用电晕放电诱导的表面放电，起始放电平均电场强度低，高压电极和接地电极之间距离较大，也就是放电间隙比较大，增加了含氧气体的处理量。并且放电过程主要发生在催化剂表面，对电极表面均匀性没有要求，使高压电极和接地电极制造容易。

附图说明

图1是本发明实施例1臭氧发生装置概略构造的剖面示意图。

图2是本发明实施例2臭氧发生装置概略构造的主视结构示意图。

图3是本发明图2的A-A剖面结构示意图。

图4是本发明实施例3臭氧发生装置概略构造的剖面示意图。

图5是图4的A-A剖面结构示意图。

图6是本发明实施例4臭氧发生装置概略构造的剖面示意图。

图7是本发明实施例5臭氧发生装置概略构造的剖面示意图。

图8是图7中A-A向剖面示意图。

图9是本发明实施例6臭氧发生装置概略构造的剖面示意图。

以上的图中有：高压电源1，催化剂2，高压电极3，接地电极4，原料气进口5，臭氧气体出口6，金属丝集成板7，金属空心管8，封口9，石英玻璃管10，石英玻璃外套管11，橡胶圈12，电极支架13，金属水槽14，刚玉陶瓷片15，支撑体16，Al₂O₃陶瓷片17。

具体实施方式

该装置由高压电源，催化剂，高压电极，接地电极，原料气进口，臭氧气体出口所组成，其中，接地电极为臭氧发生装置的外壳，高压电极位于接地电极内的中线组成放电电极，在接地电极的上部设有臭氧气体出口，在接地电极的下部设有原料气进口，高压电极和接地电极分别与高压电源相接；所述的高压电极与接地电极之间填充有高比表面积的电介质特性的催化剂；放电电极与催化剂之间的空隙以及催化剂本身形成的空隙为放电气体通道。

实施例1

图1示出了根据本发明实施例1的臭氧发生装置的剖面图。其中包括：高压电源1，催化剂2，高压电极3，接地电极4，原料气进口5，臭氧化气体出口6。该装置是丝状金属高压电极与筒状金属接地电极组成的臭氧发生装置。在本实施例中，金属管作为接地电极4与高压电源1的接地极连接，金属丝处于筒状接地电极4的轴心位置，高压电极3与高压电源1的高压级连接。高压电极金属丝的直径为0.5mm，接地电极金属管的内径为25mm。金属管接地电极4两端用带有作为原料气进口5和臭氧化气体出口6的开口的绝缘盖封闭，金属管内部充满颗粒状催化剂氧化铝，粒径为3-5mm，以球形为最佳。丝状的高压电极3穿过金属管接地电极4的绝缘盖，并在金属管接地电极4的两端的绝缘盖中心处固定。为使放电均匀，金属丝高压电极3要保持处在接地电极4的轴心位置，金属丝高压电极3保持拉直状态。金属丝高压电极3在上端封口处伸出与高压电源1的高压级经高压电缆连接。高压电源为1000V的交流电源。

下面说明其工作过程：对高压电极施加高压电源时，首先在丝状高压电极附近的气体中产生电晕放电；随着放电电压的升高，起始电晕放电向对面筒状接地电极延伸，在所填充的颗粒状催化剂氧化铝表面附近的气体中形成表面放电，放电通道的发展随电源电压达到最高而停止延伸。含氧气体通过原料气进口进入臭氧发生装置，气体通过金属丝状高压电极以及颗粒状催化剂氧化铝周围形成的放电区时，电场中的高能自由电子离解O₂分子，产生氧原子在催化剂表面与吸附氧分子结合为O₃分子，使臭氧生成反应速率提高，提高了臭氧产生效率。臭氧产生效率达到0.15kg/kwh。

实施例2

图2、图3示出了根据本发明实施例2的臭氧发生装置的主要部分。其中包括：高压电源1，催化剂2，高压电极3，接地电极4，原料气进口5，臭氧化气体出口6，金属丝集成板7，金属空心管8，封口9。该装置是高压电极3与接地电极4均由丝状金属组成的臭氧发生装置。在本实施例中，若干条丝状金属电极平行排列于矩形的封闭箱体内，即箱体内的区域中平行分布了若干行、若干列的丝状金属，成行排列的丝状金属在该箱体内构成若干平行的平面，且每个平面中都含有相同数量平行排列的金属丝。金属丝直径为0.5mm。每一平面内的金属丝相串联，每一相隔平面的金属丝互相没有直接接触，然后将相邻平面的金属丝分别与高频高压电源1的高、低压级连接，构成该装置的丝状金属高压电极3和接地电极4。也就是说，将每隔一个平面的金属丝与高频高压电源1的高压级连接，则这些金属丝就是该装置的丝状金属高压电极3，剩余平面内的金属丝与高频高压电源1接地级连接，这些金属丝为该装置的丝状金属接地电极4。高频高压电源为1000V、40kHz的交流电源。高压电极3，接地电极4的金属丝的排列和固定由绝缘材料制成金属丝集成板7完成，两个金属丝集成板7处在箱体表面互相平行面对的位置。经过金属丝集成板7穿孔处金属丝电极上套有金属空心管8，该管的外径为3mm，该管的长度大于金属丝集成板厚度1mm，该管的一端与金属丝集成板外表面平齐；金属丝集成板外表面石英砂与环氧树脂混合物涂覆于空气绝缘。高压电极3，接地电极4的金属丝在封闭箱体内保持拉直状态以保证放电均匀。在封闭箱体内填充的催化剂2是分散负载在多层叠放的网状塑料丝上的二氧化钛。由于多条丝状金属电极和催化剂均匀分布于反应区域内，使得区域内放电均匀且放电能够充满整个反应区内部。催化剂二氧化钛虽然是半导体，但由于它负载在绝缘材料上，所以同样具有电介质特性。放电电极之间的放电区域内同样发生电晕放电和表面放电。原料气体由入口通道原料气进口5进入箱体内，经过等离子放电区后产生臭氧气体并通过气体出口臭氧化气体出口6输出。臭氧产生效率达到0.15kg/kwh。

实施例3

图4、图5示出了根据本发明实施例3的臭氧发生装置的主要部分。其中包括：高压电源1，催化剂2，高压电极3，接地电极4，原料气进口5，臭氧化气体出口6，封口9，石英玻璃管10，石英玻璃外套管11。该装置是以金属丝作为高压电极和以水为接地电极的臭氧发生装置。在本实施例中，装置的结构与实施例1类似，不同之处是将实施例1中的金属管状接地电极改为由玻璃套管以及填充套管内部的水组成的水电极。水为导电电极，玻璃套管管壁起到电介质阻挡层作用。本实施例中，石英玻璃管10的内径为10～40mm，壁厚为1～3mm。丝状的金属高压电极3穿过石英玻璃管10，并在石英玻璃管10的两端封口9中心处固定，为使放电均匀，高压电极3的金属丝要保持处在石英玻璃管体的轴心位置并保持拉直状态。该金属丝在上端封口9处伸出与高频高压电源1的高压级连接。另一石英玻璃外套管11，内径为50mm，壁厚为1～3mm，外套于石英玻璃管10且下端封闭固定于石英玻璃管10的外壁，两石英玻璃管10与11处于同心状态，形成的环状空间内充满加少量盐的水作为放电电极，将高频高压电源1的接地电极插入水中。石英玻璃管10上下端开有进出气管口即原料气进口5，臭氧化气体出口6，在石英玻璃管10内装有颗粒状或蜂窝状催化剂陶瓷，或者是分散负载在蜂窝状绝缘材料上的钛酸钡，蜂窝的平均孔径为0.5mm。催化剂钛酸钡虽然是导体，但由于它负载在绝缘材料上，所以同样具有电介质特性。放电电极之间的放电区域内同样发生电晕放电、表面放电和介质阻挡放电，放电通道的发展因介质阻挡放电而终止于接地电极的电介质阻挡层前。将水电极中水不断更新，就成为冷却装置，起到冷却气体减少臭氧气体分解的效果，使臭氧生成反应速率进一步提高，提高臭氧产生效率。臭氧产生效率达到0.16kg/kwh。

实施例4

图6示出了根据本发明实施例4的臭氧发生装置的主要部分。其中包括：高压电源1，催化剂2，高压电极3，接地电极4，原料气进口5，臭氧化气体出口6，封口9，石英玻璃管10，橡胶圈12，电极支架13，金属水槽14。该装置是以金属丝作为高压电极3和以水电极为接地电极4的臭氧发生装置。在本实施例中，装置的单元结构与实施例3类似，不同之处是将实施例3的主体结构作为本实施例的基本单元，串联基本单元成为一套优化系统。本实施例中，在水槽14中平行均匀布置一组石英玻璃管，石英玻璃管之间最小距离为2mm，石英玻璃管10的内径为10～40mm，壁厚为1～3mm。石英玻璃管管体穿过槽体部分与水槽之间采用橡胶圈12密封；槽内石英玻璃管之间的空隙充满加少量盐的水作为放电电极4，水槽14为金属材料，与高压电源的接地极相连；丝状的金属高压电极3穿过石英玻璃管10，并在该石英玻璃管的电极支架13上固定，该电极支架与高频高压电源1的高压级连接。为使放电均匀，高压电极3的金属丝要保持处在石英玻璃管管体的轴心位置并保持拉直状态。石英玻璃管10上下端开有进出气管口即原料气进口5，臭氧化气体出口6，在石英玻璃管管体内装有蜂窝状催化剂陶瓷，或者是分散负载在蜂窝状绝缘材料上的钛酸钡，蜂窝的平均孔径为0.5mm。放电电极之间的放电区域内发生电晕放电、表面放电和介质阻挡放电，放电通道的发展因介质阻挡放电而终止于接地电极的电介质阻挡层前。

在相同的停留时间内，集成系统可比单个单元系统处理更大的原料气体量，如果原料气体进入臭氧发生装置之前进行冷却；或/和更新水电极中水，还可以起到减少臭氧气体分解的效果，使臭氧生成反应速率进一步提高，提高臭氧产生效率。臭氧产生效率可达到0.18kg/kwh。

实施例5

图7、图8示出了根据本发明实施例5的臭氧发生装置的主要部分。其中包括：高压电源1，催化剂2，高压电极3，接地电极4，原料气进口5，臭氧化气体出口6，封口9，刚玉陶瓷片15。该装置是同心筒状金属电极的臭氧发生装置。在本实施例中，高压电极3和接地电极4由两个金属管组成，作为高压电极3的内管的外壁或接地电极的内壁镀有刚玉陶瓷膜15作为电介质阻挡层。高压电极3接高频交流高压电源1的高压级，作为接地电极4的金属外管接高频交流高压电源1的接地极。原料气体由原料气进口5进入后从两放电电极间形成的环状空间通过，通过等离子放电区域后产生臭氧气体并通过出气管路，即臭氧化气体出口6输出。高压电极金属管的外径为20mm，接地电极金属管的内径为45mm(即两放电电极间的距离为12.5mm)。金属管接地电极4两端封闭，内部充满分子筛状催化剂氧化锆，分子筛的平均孔径为3mm。由于在筒状高压电极的外表面或接地电极的内表面镀有高介电常数和高绝缘性的绝缘体薄膜刚玉陶瓷膜15作为电介质，因此在筒状高压电极3、接地电极4之间围成的放电区域内发生表面放电，放电通道的发展因介质阻挡放电而终止。放电促进氧分子的电离产生臭氧，从而进一步提高臭氧生成效率。

实施例6

图9示出了根据本发明实施例6的臭氧发生装置的主要部分。其中包括：高压电源1，催化剂2，高压电极3，接地电极4，原料气进口5，臭氧化气体出口6，封口9，支撑体16，Al₂O₃陶瓷片17。该装置是高低压电极均为平板状金属电极的臭氧发生装置。在本实施例中，高频高压电源1经高压电缆与放电极的高压电极3的金属板连接，该金属板上均匀布满网孔孔作为气体通路，也可以用金属网制成，该金属板平行放置于两平行放置的接地电极4的金属板中间，接地电极4金属板面向高压电极3一侧覆盖Al₂O₃陶瓷片17。高压电极3与接地电极4通过支撑体16支撑固定。支撑体16是由陶瓷材料或聚四氟乙烯塑料加工而成的长方体。高压电极3、接地电极4之间的反应腔体内充满颗粒状催化剂。原料气体的入口管路5和出口管路6固定在支撑体16上。原料气体从入口管路即原料气进口5进入反应腔体内，通过等离子放电区域后产生臭氧气体并通过焊接在支撑体16上的臭氧化气体出口6输出。由于板状电极方便规模化，且由于多个板状电极可以集中于同一个臭氧发生装置中，所以也有利于设备的小型化和产量的提高。

Claims (8)

1. 一种臭氧发生装置，包括高压电源和高压电极与接地电极组成的放电电极、包围高压电极和接地电极之间间隙的放电空腔及设在放电空腔上的进气口和出气口，其特征在于：在所述的高压电极(3)与接地电极(4)之间填充有促进臭氧产生的电介质特性的催化剂(2)，放电电极与催化剂(2)之间的空隙以及催化剂(2)相互之间和内部的空隙为放电气体流动通道。

2. 根据权利要求1所述的臭氧发生装置，其特征在于所述放电电极还包括在放电电极与催化剂(2)之间设置电介质阻挡层(15)，此时所述高压电源(1)为交流电源。

3. 根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于所述的放电电极中至少有一个细窄或尖锐形状的放电边缘。

4. 根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于所述的高压电极(3)与接地电极(4)均为平板状或圆筒状或线状电极；或其中之一是线状电极，另外一个电极为圆筒状或平板状，放电空腔由圆筒状或平板状电极之间的空间形成。

5. 根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于所述催化剂(2)是氧化铝、或氧化锆、或二氧化钛、或硅酸锆、或分子筛制成的电介质材料，制成颗粒状或蜂窝状、或网状；或者是负载在颗粒状或蜂窝状、或网状的电介质材料或绝缘材料上，粒径范围为0.1-10mm。

6. 根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于在所述高压电极(3)或/和接地电极(4)表面设置冷却装置。

7. 一种产生臭氧的方法，其特征在于：所述的方法在本发明的产生臭氧的装置中进行，包括将空气或氧气流引入到设置有高压电极和接地电极之间的间隙中，在所述间隙中填充有对放电气体提供促进臭氧产生的、具有电介质特性的催化剂，通过高压电源及高压电极和接地电极在所述间隙中放电产生臭氧。

8. 根据权利要求7所述的产生臭氧的方法，其特征在于在所述放电间隙中同时设置电介质阻挡层，利用电晕放电诱导产生表面放电，同时诱导产生介质阻挡放电；上述放电过程与催化剂催化作用联合而高效产生臭氧。

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