CN101428765A - 一种高浓度臭氧产生装置 - Google Patents

Abstract

一种高浓度臭氧产生装置属于气体放电物理学、等离子体物理和环境科学等技术领域。其特征在于接地极、放电极同时进行水冷却，放电间隙为超窄间隙，间距为0.04～0.25mm；间隙中放电通道中电离放电折合电场强度达到450～1500Td，电子平均能量达到10～24eV；并采用电场参数调控氧分子离解、电离等反应生成活性粒子的浓度，进而控制了臭氧再分解，臭氧浓度达到160～420g/Nm³。本发明的效果和益处是采用水同时冷却接地极、放电极及超窄放电间隙，实现了臭氧产生装置小型化，并能高效率产生高浓度和大产成量的臭氧。

Description

一种高浓度臭氧产生装置

技术领域

本发明属于气体放电物理学、等离子体物理、环境科学等技术领域，涉及一种高浓度臭氧产生装置。

背景技术

产生高浓度臭氧一直是国内外研究热点，日本三菱电机和东芝三菱电机等单位新研制成功窄间隙(0.3～0.25mm)臭氧发生器，臭氧浓度分别达到180g/Nm³、350g/Nm³。日本富士电机近期研制了放电极、接地极同时水冷却的臭氧发生器，臭氧浓度达到200g/Nm³。从理论研究表明，臭氧浓度还有较大的提高空间，尚须进一步加以研究解决其相关技术。

目前臭氧产生装置存在不足之处是放电间隙还有变窄空间；多数放电极还没有冷却，由于臭氧热分解阻碍臭氧浓度进一步地提高；目前臭氧产生器中电离放电场太长，通常达到0.4～1m，使已产生的臭氧由于活性粒子激励而分解，因而制约了臭氧浓度的进一步地提高；由于电离放电电场太长，阻碍了臭氧产生器的进一步小型化。

发明内容

本发明的目的是针对现有臭氧产生装置产生的臭氧浓度比较低、体积大、能耗较高的问题，而提供了一种高浓度臭氧产生装置。该装置的放电极、接地极同时用去离子水冷却，降低了臭氧的热分解；并采用高介电常数、高电阻率的Al₂O₃材料形成的电介质薄层，同时又采用超窄放电间隙方法，提高了电离放电电场强度，强化了氧气解离反应，提高了臭氧产生量，同时又可以相应地提高了氧气流速，有利于抑制臭氧热分解反应，实现了臭氧产生装置的小型化。

本发明解决其技术所采用技术方案是：

本发明是采用去离子水冷却放电极和接地极；间隙距离为0.04～0.25mm；介电常数(≥10)，高绝缘电阻率(≥10¹⁴Ω·cm)的Al₂O₃制成厚度为0.47～1.0mm电介质薄层。由于采用了上述的方法，实现了放电间隙中放电通道中的电离折合电场强度达到450～1500Td，电子平均能量达到10～24eV的强电离放电。这将把更多氧分子电离、解离和激发成高浓度活性粒子，在电场参数调控作用将产生更多的臭氧。众所周知，促使臭氧分解的电子能量为2.0～8.0eV，而强电离放电的电子平均能量达到10eV以上，具有2.0～8.0eV的电子数量将大幅度降低，因而抑制了臭氧再分解。实现了调控臭氧浓度及产生效率，提高了臭氧浓度；同时又控制了臭氧的再分解。

另一方面本发明采用了0.04～0.25mm的超窄间隙，将成倍数提高了氧气通过间隙的流速，有助于把生成臭氧产生的热量带走，降低了放电间隙中的温度，进而控制了臭氧的热分解反应，进而提高臭氧浓度及产生效率；同时又利于臭氧快速输运出去，减少了臭氧的分解机率，也同样利于臭氧浓度及效率再提升。

本发明的效果和益处是：在放电极、接地极同时水冷却条件下，采用了超窄放电间隙的相应技术，促使臭氧浓度提升到160～420g/Nm³；由于实现了强电离放电生成臭氧，并将大大地减少了电离放电电场长度(即电极长度)，同时也实现了臭氧产生装置的小型化。

附图说明

图1是臭氧与氧分子离解面积与电子能量关系图。

图2是等离子体中电子能量分布图。

图3是电子平均能量ε与折合电场强度关系曲线图。

图4是本发明实施例1结构示意正视剖面图。

图5是本发明实施例1的侧视剖面图。

图6是本发明实施例2的结构侧视剖面图。

图7是本发明实施例3的结构侧视剖面图。

其中1.氧气；2、7.冷却水；3.接地极；4.放电间隙；5.电介质层；6.放电极；8.臭氧和氧气；9.高压电缆；10.交变高压电源；11.隔片；12.绝缘层；13.冷却器；14.离子交换器；15、16.阀体。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

从图1的臭氧分子与氧分子解离截面积与电子能量关系曲线可知，被电场加速电子垂直激励离解氧分子，从O₂(x³∑g^-)基态激励到O₂(A³Δu⁺)状态时，所需垂直激励能量为6.1eV，是禁阻跃迁；从O₂(X³∑g^-)基态激励到O₂(B³∑u^-)状态时，氧分子垂直激励能量为8.4eV；然而臭氧离解的激励能量却为2eV，放电间隙中电子从放电电场取得能量≥8.4eV时，氧分子才能分解、电离成氧原子、离子和自由基等并与氧分子碰撞后生成臭氧，可见具有2.0～8.4eV之间能量的电子对产生臭氧没有一点用途，这部分能量好像只是为了专门用来分解臭氧之用。氧分子离解、电离及臭氧生成的等离子体反应式是：

O₂(x³∑g^-)+e^*→O₂(A³∑u⁺)+e   (1)

→O(³P)+O(³P)+e

O₂(x³∑g^-)+e^*→O₂(B³∑u^-)+e   (2)

            →O(¹D)+O(³P)+e

O₂(x³∑g^-)+e^*→O₂(A³πu⁺)+e   (3)

            →O(³P)+O⁺(¹S⁰)+2e

O+O₂+M→O₃ ^*+M→O₃+M          (4)

从等离子体电子能量分布曲线图2中可知，目前市场生产臭氧产生装置的放电间隙里电子平均能量均为5.0eV，有的更低些。能量大于8.4eV的电子数目仅为17.4％，而占有2.0～8.4eV电子能量的电子数目高达58.3％，它们成为离解臭氧能量的专业提供者。当放电间隙里的电子平均能量达到23eV时，占有≥8.4eV能量的电子数目增加到80.0％，具有2.0～8.4eV之间能量的电子数目下降到17.1％。这表明强电离放电有利于臭氧的产生，臭氧浓度提高；同时又抑制臭氧的再分解反应。

放电间隙里的电场强度表达式：

Eg＝V_mε_d/(2l_dε_g+lgε_d)        (5)

从式5中可见，只有增加外加峰值电压V_m、电介质的介电常数ε_d；减小放电间隙距离l_g和电介质厚度l_d，才有可能得到强电离放电的电场强度。

通常用折合电场强度E/N(或E/P)来表征气体放电强度、电离强度。也将间接表征产生臭氧的浓度值多少。图4表示了折合电场强度与电子取得平均能量值的关系曲线。从图4曲线可知，在电离放电电场中的电子具有平均能量大小取决于电离放电电场强度，只有强电离放电过程中电子所具有能量方可使大量O₂气体分子离解成单原子、单原子离子等活性粒子，并为合成O₃提供了大量活性粒子等基础材料。

根据伯努利气体方程可知：Δp＝C(-ΔV)^-2，在放电间隙的气体压力与气体流速平方成反比。减小气体放电间隙距离，提高放电间隙里气体流速，提高了E/P(E/N)值，放电间隙里的电子获得能量就增加了。

本发明由于采用高强度的高介电常数的电介质薄层即陶瓷材料的厚度仅为0.47～1.0mm，放电间隙极窄，仅为0.01～1.0mm，所以大幅度提高了放电间隙的折合电场强度，进而使放电间隙的高能量电子占有率成倍增加，如图2所示，进而大幅度提高了臭氧浓度和臭氧产生效率。

图4是本发明实施例1的结构图，图5为图4的N～N剖视图。在上述图中，10为频率为400～20000Hz的交变高压电源，经高压电缆9与放电极6相连。在对应接地极3的放电极6两平面上均贴冶一层厚度为0.47～1.0mm的Al₂O₃电介质层5。贴附在放电极6的电介质层5与对应接地极3之间放置数个隔片11，形成2个超窄放电间隙4。当对放电极6施加频率为400～20000Hz交变高电压时，则在放电间隙4里形成强电离放电电场，放电通道中折合电场强度E/n达到450～1500Td；电子具有平均能量达到10～24eV。强电离电场将把氧气1电离、离解和激发成大量的高浓度的活性粒子；在电场参数调控作用下产生高浓度臭氧8。并对放电极6、接地极3同时用去离子水2、7冷却，2是入口的去离子水，7是出口的去离子水，去离子水7通过冷却器13把冷却水温度降到设定值，根据冷却水纯度的设定值调节阀体15、16来确定冷却水7通过离子交换器14的流量；经冷却、去离子的冷却水注入接地极3和放电极6。

图6是本发明实施例2的结构侧视剖面图，实施例2与实施例1的不同之处在于放电极6对应接地极3的表面不贴冶电介质层5；相反对应放电极6的接地极3的表面却要分别贴冶电介质层5。

图7是本发明实施例3的结构侧视剖面图，实施例3与实施例1的不同之处在于对应放电极6的接地极3表面也同样分别贴冶一层电介质层5。

Claims (2)

1.一种高浓度臭氧产生装置，是氧气通过被水同时冷却的接地极与放电极之间的间隙，同时对电极施加交变电压，在放电间隙中建立了强电离放电电场，氧气被电离、离解、离解电离成活性粒子，经电场参量调控后定向反应生成臭氧，其特征在于：

a：对电极施加频率为400～20000Hz的交变电压，在放电极与接地极之间的间隙里形成放电通道中的电离放电折合电场强度达到450～1500Td，电子平均能量达到10～24eV；

b：臭氧浓度达到160～420g/Nm³；

c：放电间隙距离为0.04～0.25mm；

d：放电极和接地极同时用水冷却，冷却水纯度为1～18MΩ·cm。

2.根据权利要求1所述的一种高浓度臭氧产生装置，其特征是接地极与放电极为平板式或圆筒式，其电离电场长度为60～160cm。

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