CN109457267A - 一种基于金刚石电极的臭氧发生装置模块及收集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种基于金刚石电极的臭氧发生装置模块及收集方法。所述臭氧发生装置包括四个筒状的同心轴掺硼金刚石薄膜电极（BDD）、向上排空气法装置和向下排空气法装置；所述向上、下排空气法装置均包括集气瓶、压力泵、装有颗粒活性炭的薄膜等所述臭氧发生器装置四个为一个模块；所述所述模块间由管道连接，模块外由方形钢化玻璃包围；所述模块外设有工业直流电源、加水系统、工作液进液口和废液出液口。本发明在制备臭氧时具有操作简单、维护简便、节能廉价、科学高效等优点。
Description
技术领域
本发明属于环保水处理设备领域，具体涉及一种基于金刚石电极的臭氧发生装置模块及收集方法。
背景技术
臭氧是一种无色略带臭味的气体，溶于水后就会成为一种强氧化剂，对活细胞有较强的杀灭作用。臭氧迅速破坏细菌、病毒等微生物的内部结构，对各种致病微生物有极强的杀灭作用。臭氧可以对医院污水进行消毒灭菌。采用臭氧处理医院污水，可截断传染源，免除后顾之忧。臭氧在几分钟之内就能将病毒全部杀死，比等量的氯气快200～3000倍，且能自分解成氧气，不会残留有害物而造成二次污染。目前，城市污水处理系统工程也已经开始使用大型臭氧发生器进行杀菌消毒除味脱色处理。
采用臭氧消毒灭菌不存在任何对人体有害的残留物（如用氯消毒有致癌的卤化有机物产生），对提高饮用水的消毒质量问题非常有效。利用臭氧对自来水直接消毒则要简单得多，所需臭氧浓度也小得多。应用臭氧对游泳池池水进行消毒杀菌在国外十分普遍。经臭氧消毒杀菌后，游泳池池水变得清澈透明，彻底解决了传统的用氯消毒所带来的刺激眼睛、皮肤等问题。我国有部分经济发达地区也采用臭氧消毒游泳池水，取得了较好的效果。给小区分质供水，必须使用臭氧消毒灭菌，只有这样才能保证饮用水时刻处于无菌富氧状态。
臭氧分解后能产生氧气，既可改善食用水生生物的生存质量，又能对其生存场所杀菌消毒。不过臭氧浓度应避免高于0.1mg/L，因为它有害于水生生物。我国部分食品工业厂家已经开始使用臭氧机对生产线及产品进行高效快速消毒杀菌保鲜处理，同时对生产车间进行严格的空气消毒。通过臭氧发生器可将空气中的氧气在高压、高频电的电离作用下转化为臭氧，进而在生产中加以利用。
臭氧是一种易于分解且不易储存的气体，需要现场制作并在短时间内使用。目前臭氧的产生方式主要有：电晕高压放电法、电解法、紫外线法等。电晕高压放电法采用两个平行的高压电极，之间平行放置一个介电体（通常采用硬质玻璃或陶瓷作介电体也有用不锈钢），并保持一定的放电间隙，当在两极间通入高压交流电时，在放电间隙，形成均匀的蓝紫色电晕放电，空气或氧气通过放电间隙，氧分子受到电子的激发获得能量，并相互方式弹性碰撞，聚合成臭氧分子。紫外线法通过紫外线对氧气进行照射，但此方式制取臭氧时效率过低，产量有限，个别仅为几克/小时，且对人体有一定的伤害；这两种方法还存在着能耗过高，而且制备的臭氧含有空气中的其它成分，使得臭氧纯度不高。电解法制备臭氧是未来发展的趋势，但是现有的电解法所用电极结构较为复杂且价格昂贵，其制取的臭氧浓度较低，绝大部分产生的是氢气和氧气，达不到需要使用高浓度臭氧的场合，因此有必要对电极结构和材料进行改进。
在电解法制备臭氧的过程中，阳极材料不仅必须具备较高的析氢电位（这样有利于臭氧的产生），而且需要具有一定的耐腐蚀能力。目前国内研究最多、电极较为稳定、臭氧产率较高的阳极材料是PbO2，其臭氧产率在10%左右。
以掺硼金刚石薄膜电极（BDD）为核心的净化设备，作为新一代的用于电化学法水处理的电极材料，与贵金属和钛基涂层电极（DSA）等传统材料相比，BDD电极具有最好的阳极氧化能力，最宽的电位窗口和最高的电流密度。金刚石稳定的sp3结构使其具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化和抗污染性等优良特点。在电场作用下，BDD电极表面能够连续不断产生具有超强氧化性的自由态羟自由基•OH（标准氧化电位为2.80V，接近单质氟气的2.87V）、过氧自由基•HO2、臭氧O3和过氧化氢H2O2等氧化物种，在与废液反应的同时，还对各种微生物，包括细菌和病毒有着强烈的杀灭作用。
因此需要一种利用BDD电极收集臭氧的装置。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
针对上述存在的问题，本发明提出一种于金刚石电极的臭氧发生装置模块及收集方法。本发明将BDD电极作为臭氧发生器的电极材料，建立高效可靠的臭氧发生器模块。BDD电极不但满足电解法生产臭氧的所有对电极材料的要求，而且能使臭氧的产率达到20-30%。这是目前市场上其他电极材料所不能做到的。
2.技术方案：
一种基于金刚石电极的臭氧发生装置，其特征在于：包括臭氧发生器、储气瓶；所述臭氧发生器包括圆柱体外壳；圆柱体外壳内部设置四个筒状的BDD电极板；所述四个筒状的BDD电极板均以圆柱体外壳的中心轴为中心轴，且四个筒状的电极板的半径与外壳的半径长短均不同，且两两之间存在预设的半径差；所述四个筒状的BDD电极板的底部固定放置在圆柱体外壳的底部且高度为圆柱体外壳高度的一半到三分之二；所述四个筒状的BDD电极板被工作液淹没；相邻两个BDD电极板的极性相反；相邻两个BDD电极的之间设置质子交换膜；所述臭氧发生器的圆柱体外壳设置出气口供收集产生的气体；所述出气口与储气瓶通过设置有阀门、压力泵与装有颗粒活性炭的薄膜的导管连通。
进一步地，所述出气口为两个，且水平高度不同；其中位于高处的出气口与向上排空气法的储气瓶导管连通；位于低处的出气口与向下排空气法的储气瓶导管连通。
进一步地，所述工作液为浓度1至2mol/L的H2SO4溶液；所述臭氧发生器圆柱体外壳设置进液口、出液口以及进水口；所述进水口与加水系统相连；所述进液口、出液口与加硫酸系统管道连通。
进一步地，所述四个BDD电极板的极性从里往外依次为阳极、阴极、阳极、阴极；每个BDD电极板均与设置在臭氧发生器外的工业电源相连。
进一步地，所述BDD电极板展开为长方形薄膜；长方形薄膜表面设置呈矩形阵列排布通孔，位于同一行的通孔直径相同；阳极BDD电极板上的通孔孔径从上到下逐渐减小，阴极BDD电极板上的通孔孔径从上到下逐渐增大。
一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，使用上述的一种基于金刚石电极的臭氧发生装置： 包括四个臭氧发生装置；所述四个臭氧发生器呈田字排布；其中左面的两个臭氧发生器的进液口均与加硫酸系统管道相连，出液口均与右面两个臭氧发生器的进液口管道连通；右面两个臭氧发生器的出液口与废液收集装置管道连通。
进一步地，所述的一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，还包括外壳；所述四个臭氧发生装置安装在外壳中。
进一步地，所述的一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块中连接两个臭氧发生器进液口与出液口之间的管道均设置阀门。
一种臭氧收集方法，使用上述一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：确定需要发生反应的臭氧发生器的数目，并根据需要的数目将相应的管道的阀门打开。
步骤二：打开工作液阀门，工作液经过管道进入选择的臭氧发生器。
步骤三：接通工业直流电源，并调节到适当的电流档；在电场的作用下，阳极BDD电极板的表面产生臭氧和氧气，阴极BDD电极板表面产生氢气。
步骤四：打开各个相关的压力泵，使潮湿的气体经过管道到达各自的储气瓶中，在装有颗粒活性炭的薄膜处会对潮湿的气体进行干燥。
步骤五：工作液经过相应的管道，在出液口处汇合，打开出液口阀门，废液流出整个模块。
3.有益效果：
（1）本装置中可以通过两个不同的储气瓶收集进行收集氢气、氧气和臭氧；其中向上排空气法的储气瓶收集的是臭氧与氧气；通过向下排空气法的储气瓶收集的是氢气。三种气体都有很高的利用价值，且本装置的臭氧的产率达到20-30%。这是其他臭氧发生器所不能达到的水平。
（2）本装置中用到的BDD电极具有极强的抗腐蚀性、抗污染能力及自我净化与修复能力，所以它具有极长的工作寿命与极强的工作能力。
（3）整个模块结构简单，使用方便，在进行臭氧生产时，操作简便、省时省力、科学有效。
附图说明
图1为一种基于金刚石电极的臭氧发生装置的结构简图；
图2为本发明中BDD电极板侧面展开图示意图：
图3为一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块的俯视图。
附图标记说明：BDD电极板1、2、3、4；压力泵5、6；颗粒活性炭的薄膜7、8；向上排空气法的储气瓶9；向下排空气法装置的储气瓶10；向上排空气的储气瓶的排气口11；向下排空气法的储气瓶的排气孔12；法兰13、14；臭氧泄露和监控和报警模块15；圆柱体外壳16。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明。
如附图1所示为一种基于金刚石电极的臭氧发生装置的结构简图；装置包括臭氧发生器、储气瓶；所述臭氧发生器包括圆柱体外壳16；圆柱体外壳内部设置四个筒状的BDD电极板1、2、3、4；所述四个筒状的BDD电极板均以圆柱体外壳的中心轴为中心轴，且四个筒状的电极板的半径与外壳的半径长短均不同，且两两之间存在预设的半径差；所述四个筒状的BDD电极板的底部固定放置在圆柱体外壳的底部且高度为圆柱体外壳高度的一半到三分之二；所述四个筒状的BDD电极板被工作液淹没；相邻两个BDD电极板的极性相反；相邻两个BDD电极的之间设置质子交换膜；所述臭氧发生器的圆柱体外壳设置出气口供收集产生的气体；所述出气口与储气瓶9、10通过设置有阀门、压力泵5、6与装有颗粒活性炭的薄膜7、8的导管连通。
进一步地，所述出气口为两个，且水平高度不同；其中位于高处的出气口与向上排空气法的储气瓶9导管连通；位于低处的出气口与向下排空气法的储气瓶10导管连通。
进一步地，所述工作液为浓度1至2mol/L的H2SO4溶液；所述臭氧发生器圆柱体外壳设置进液口、出液口以及进水口；所述进水口与加水系统相连；所述进液口、出液口与加硫酸系统管道连通。
进一步地，所述四个BDD电极板的极性从里往外依次为阳极、阴极、阳极、阴极；每个BDD电极板均与设置在臭氧发生器外的工业电源相连。
如附图1所示，向上排空气法的储气瓶上通常设有臭氧泄露监控和报警模块15。当臭氧浓度达到一定时，报警装置就会报警提醒。
如附图2所示，所述BDD电极板展开为长方形薄膜；长方形薄膜表面设置呈矩形阵列排布通孔，位于同一行的通孔直径相同；阳极BDD电极板上的通孔孔径从上到下逐渐减小，阴极BDD电极板上的通孔孔径从上到下逐渐增大。
如附图3所示，一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，使用上述的一种基于金刚石电极的臭氧发生装置： 包括四个臭氧发生装置；所述四个臭氧发生器呈田字排布；其中左面的两个臭氧发生器的进液口均与加硫酸系统管道相连，出液口均与右面两个臭氧发生器的进液口管道连通；右面两个臭氧发生器的出液口与废液收集装置管道连通。
进一步地，所述的一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，还包括外壳；所述四个臭氧发生装置安装在外壳中。
进一步地，所述的一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块中连接两个臭氧发生器进液口与出液口之间的管道均设置阀门。
一种臭氧收集方法，使用上述一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：确定需要发生反应的臭氧发生器的数目，并根据需要的数目将相应的管道的阀门打开。
步骤二：打开工作液阀门，工作液经过管道进入选择的臭氧发生器。
步骤三：接通工业直流电源，并调节到适当的电流档；在电场的作用下，阳极BDD电极板的表面产生臭氧和氧气，阴极BDD电极板表面产生氢气。
步骤四：打开各个相关的压力泵，使潮湿的气体经过管道到达各自的储气瓶中，在装有颗粒活性炭的薄膜处会对潮湿的气体进行干燥。
步骤五：工作液经过相应的管道，在出液口处汇合，打开出液口阀门，废液流出整个模块。
如附图3，四个所述臭氧发生器形成一个模块。a是工作液进液口、b是废液出液口。在进行一次生产臭氧工艺时，视臭氧产生量来决定使用几个臭氧发生器和几个模块。在一个模块中，可以选择几条线路，如使用三个臭氧发生器时可以走a→c→d→e→b、a→c→i→h→b、a→f→g→h→b、a→f→j→e→b几条线路。这样不仅节约了成本与资源，而且在某个臭氧发生器损坏时，可以不停下生产即可对其进行检测与维修。假设附图3中右下角的臭氧发生器正在维修，工作液经过管道a→c→d→e和a→f→j→e在出液口b处汇合，打开出液口阀门，废液流出整个模块。即可实现其中的三个臭氧发生器参与反应。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。
Claims (9)
1.一种基于金刚石电极的臭氧发生装置，其特征在于：包括臭氧发生器、储气瓶；所述臭氧发生器包括圆柱体外壳；圆柱体外壳内部设置四个筒状的BDD电极板；所述四个筒状的BDD电极板均以圆柱体外壳的中心轴为中心轴，且四个筒状的电极板的半径与外壳的半径长短均不同，且两两之间存在预设的半径差；所述四个筒状的BDD电极板的底部固定放置在圆柱体外壳的底部且高度为圆柱体外壳高度的一半到三分之二；所述四个筒状的BDD电极板被工作液淹没；相邻两个BDD电极板的极性相反；相邻两个BDD电极的之间设置质子交换膜；所述臭氧发生器的圆柱体外壳设置出气口供收集产生的气体；所述出气口与储气瓶通过设置有阀门、压力泵与装有颗粒活性炭的薄膜的导管连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于金刚石电极的臭氧发生装置，其特征在于：所述出气口为两个，且水平高度不同；其中位于高处的出气口与向上排空气法的储气瓶导管连通；位于低处的出气口与向下排空气法的储气瓶导管连通。
3.根据权利要求1所述的一种基于金刚石电极的臭氧发生装置，其特征在于：所述工作液为浓度1至2mol/L的H2SO4溶液；所述臭氧发生器圆柱体外壳设置进液口、出液口以及进水口；所述进水口与加水系统相连；所述进液口、出液口与加硫酸系统管道连通。
4.根据权利要求1所述的一种基于金刚石电极的臭氧发生装置，其特征在于：所述四个BDD电极板的极性从里往外依次为阳极、阴极、阳极、阴极；每个BDD电极板均与设置在臭氧发生器外的工业电源相连。
5.根据权利要求1或4所述的一种基于金刚石电极的臭氧发生装置，其特征在于：所述BDD电极板展开为长方形薄膜；长方形薄膜表面设置呈矩形阵列排布通孔，位于同一行的通孔直径相同；阳极BDD电极板上的通孔孔径从上到下逐渐减小，阴极BDD电极板上的通孔孔径从上到下逐渐增大。
6.一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，使用如权利要求1至5任一权利要求所述的一种基于金刚石电极的臭氧发生装置，其特征在于：包括四个臭氧发生装置；所述四个臭氧发生器呈田字排布；其中左面的两个臭氧发生器的进液口均与加硫酸系统管道相连，出液口均与右面两个臭氧发生器的进液口管道连通；右面两个臭氧发生器的出液口与废液收集装置管道连通。
7.根据权利要求6所述的一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，其特征在于：还包括外壳；所述四个臭氧发生装置安装在外壳中。
8.根据权利要求6所述的一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，其特征在于：所述的一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块中连接两个臭氧发生器进液口与出液口之间的管道均设置阀门。
9.一种臭氧收集方法，使用如权利要求6至8任一权利要求所述的一种基于掺硼金刚石电极的臭氧发生模块，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：确定需要发生反应的臭氧发生器的数目，并根据需要的数目将相应的管道的阀门打开；
步骤二：打开工作液阀门，工作液经过管道进入选择的臭氧发生器；
步骤三：接通工业直流电源，并调节到适当的电流档；在电场的作用下，阳极BDD电极板的表面产生臭氧和氧气，阴极BDD电极板表面产生氢气；
步骤四：打开各个相关的压力泵，使潮湿的气体经过管道到达各自的储气瓶中，在装有颗粒活性炭的薄膜处会对潮湿的气体进行干燥；
步骤五：工作液经过相应的管道，在出液口处汇合，打开出液口阀门，废液流出整个模块。
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