CN110339666A - 一种提升气体中臭氧生成浓度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种提升气体中臭氧生成浓度的方法，所述方法将含氧气的气体经过紫外线照射产生臭氧，之后将其与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，得到臭氧生成浓度提升的气体，本发明所述方法的操作过程简单，且使得臭氧生成浓度提升为仅经紫外线照射后的气体中臭氧生成浓度的1.2‑1.7倍，提升效果明显，同时方便得到特定浓度的臭氧。

Description

一种提升气体中臭氧生成浓度的方法
技术领域
本发明属于臭氧生成领域，涉及一种提升气体中臭氧生成浓度的方法。
背景技术
臭氧，化学分子式为O3，又称三原子氧、超氧，因其类似鱼腥味的臭味而得名，在常温下可以自行还原为氧气。比重比氧大，易溶于水，易分解。由于臭氧是由氧分子携带一个氧原子组成，决定了它只是一种暂存状态，携带的氧原子除氧化用掉外，剩余的又组合为氧气进入稳定状态。
臭氧用途广泛，可使大多数有机色素褪色。可缓慢侵蚀橡胶、软木，使有机不饱和化合物被氧化。常用于：饮料的消毒和杀菌，空气净化、漂白、水处理及饮水消毒、粮仓杀灭霉菌及虫卵；与有机不饱和物反应，可生成臭氧化物，这些臭氧化物在水的存在下可分解，原来的不饱和键开链，生成醛、酮和羧酸等。
臭氧具有极强的氧化性和杀菌性能，是自然界最强的氧化剂之一，在水中氧化还原电位仅次于氟而居第二位。同时，臭氧反应后的产物是氧气，所以臭氧是高效的无二次污染的氧化剂。作为强氧化剂。臭氧的应用基础是其极强的氧化能力与杀菌能力。臭氧的应用按其作用分类，可分为：杀菌、脱色、脱臭、脱味及氧化分解。按其应用领域分，主要应用在以下领域：水处理；食品加工、存储、保鲜；家用电器；医疗卫生；化学氧化。
常用产生臭氧的方法有：(1)紫外照射法，利用紫外线照射干燥的氧气，使一部分氧分子被激活离解成氧原子，进而形成臭氧。(2)电解法，采用低压直流电对水进行电解，使水在阳极-溶液界面上发生氧化反应产生臭氧。该臭氧制备装置由电解质溶液和阴阳两极构成。臭氧在阳极析出。(3)介质阻挡放电法，通过交变高压电场在气体中产生电晕，电晕中的自由高能电子离解氧气分子，经碰撞聚合为臭氧分子。紫外照射法是实验室常用制备臭氧的一种方法，但其获得的臭氧浓度一般较低。
因此，开发一种提升紫外线照射后臭氧生成浓度的方法仍具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升气体中臭氧生成浓度的方法，所述方法将含氧气的气体经过紫外线照射产生臭氧，之后将其与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，得到臭氧生成浓度提升的气体，本发明所述方法的操作过程简单，且使得臭氧生成浓度较仅经紫外线照射后的气体中臭氧生成浓度提升至1.2-1.7倍，提升效果明显，同时方便得到特定浓度的臭氧。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种提升气体中臭氧生成浓度的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将含氧气的气体通过紫外线照射；
(2)将步骤(1)中经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，得到臭氧生成浓度提升的气体。
本发明所述方法将含有氧气的气体通过紫外光照射产生含有臭氧的气体，之后将其与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，得到臭氧生成浓度提升的气体，本发明所述方法以水汽和/或过氧化氢作为促进臭氧生成的气体助剂，其与臭氧混合后，能明显提升混合气体中臭氧生成的浓度，本发明所述方法能使得经紫外线照射后的气体中臭氧生成的浓度提升至1.2-1.7倍，同时方便控制得到特定浓度的臭氧。
本发明所述方法解决了传统紫外光照射得到的臭氧浓度偏低的问题，方便配制得到特定的相对高浓度的臭氧。
优选地，步骤(1)所述含氧气的气体包括氧气和/或空气。
优选地，步骤(1)所述紫外线使用的灯管的功率≥18瓦，例如19瓦、22瓦、25瓦、28瓦、30瓦、32瓦、35瓦、37瓦或39瓦等，优选为18-40瓦。
本发明所述紫外线通过紫外灯管产生，上述限定的灯管的功率为产生紫外光所使用的紫外灯管的功率。
优选地，所述紫外线的波长为100-300nm，例如110nm、120nm、130nm、140nm、150nm、160nm、170nm、180nm、190nm、200nm、210nm、220nm、230nm、240nm、250nm、260nm、270nm、280nm或290nm等，优选为180-185nm。
优选地，步骤(1)所述紫外线照射的时间为1-10秒，例如2秒、3秒、4秒、5秒、6秒、7秒、8秒或9秒等，优选为1-4秒，进一步优选为2-3秒。
优选地，步骤(2)所述经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体的体积比为1:3～1:5，例如1:3.5、1:4或1:4.5等。
本发明所述方法控制所述经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体的体积比为1:3～1:5，其有利于臭氧的生成，当体积比＜1:5，紫外照射生成的臭氧，浓度被较大程度稀释，增量不明显；当体积比＞1:3，水汽和过氧化氢的辅助臭氧生成效果不明显，没有显著的促进臭氧生成效果。
优选地，步骤(2)中含有水汽和/或过氧化氢的气体包括含水汽的气体、含过氧化氢的气体和含水汽和过氧化氢的气体。
优选地，所述含水汽的气体中水汽的浓度为0-0.54％，不含0，例如0.1％、0.2％、0.31％、0.35％、0.4％、0.45％、0.50％、0.53％或0.55％等，优选为0.31-0.54％。
本发明所述方法控制含水汽的气体中水汽的体积浓度为0-0.54％，不含0，其有利于臭氧的二次生成。
优选地，所述含过氧化氢的气体中过氧化氢的体积浓度为0-0.1％，不含0，例如0.01％、0.02％、0.03％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％或0.09％等，优选为0.03-0.06％。
本发明所述方法中含过氧化氢的气体中过氧化氢的体积浓度为0-0.1％，其是通过常规的过氧化氢溶液能够达到的蒸汽浓度，且其更有利于臭氧的二次生成。
优选地，所述含水汽和过氧化氢的气体中水汽和过氧化氢的体积浓度和为0-0.64％，例如0.05％、0.1％、0.2％、0.3％、0.4％、0.5％、0.55％、0.56％、0.57％、0.58％或0.59％等，优选为0.34-0.6％。
优选地，所述含水汽和过氧化氢的气体中水汽和过氧化氢的浓度比为(9-10):1，例如9.1:1、9.2:1、9.3:1、9.4:1、9.5:1、9.6:1、9.7:1、9.8:1或9.9:1等。
本发明所述方法控制含水汽和过氧化氢的气体中水汽和过氧化氢的体积浓度和为0-0.64％，不含0，并控制水汽和过氧化氢的浓度比为(9-10):1，这个浓度比通过常规的过氧化氢溶液即可以实现，且其更有利于臭氧的二次生成。
优选地，步骤(2)所述含有水汽和/或过氧化氢的气体通过将惰性气体通入含水和/或过氧化氢的溶液中得到。
优选地，所述惰性气体包括氮气、氦气或氩气中的任意一种或至少两种的组合，所述组合是理性的包括氮气和氦气的组合、氮气和氩气的组合或氦气和氩气的组合等。
优选地，含水和/或过氧化氢的溶液的温度为25-35℃，例如26℃、27℃、28℃、29℃、30℃、31℃、32℃、33℃或34℃等。
优选地，步骤(2)中得到的臭氧生成浓度提升的气体中臭氧生成浓度为步骤(1)得到的经紫外线照射后的气体中臭氧生成浓度的1.2-1.7倍，例如1.3倍、1.4倍、1.5倍或1.6倍等。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(a)将氧气或空气通过紫外线照射，得到经紫外线照射后的气体，所述紫外线使用的灯管的功率为18-40W，所述紫外线的波长为180-185nm，所述紫外线照射的时间为1-4秒；
(b)将惰性气体通入含水和/或过氧化氢的溶液中，得到含有水汽和/或过氧化氢的气体；
(c)将步骤(a)中经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，所述经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体的体积比为1:3～1:5，得到臭氧生成浓度提升的气体。
第二方面，本发明提供了一种调节经紫外线照射后的气体中臭氧生成浓度的方法，所述方法采用如第一方面中所述的方法。
本发明所述方法通过经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，并调节含有水汽和/或过氧化氢的气体中的水汽和过氧化氢的含量，从而获得特定浓度的臭氧气体，满足实际应用的需求。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述方法将经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，从而明显提高气体中臭氧生成的浓度，从而解决了紫外光照射产生的气体中臭氧浓度低的问题，本发明所述方法得到的臭氧生成浓度为仅经紫外线照射的臭氧生成浓度的1.2-1.7倍；
(2)本发明所述方法通过调节含有水汽和/或过氧化氢的气体中水汽和/或过氧化氢的含量，从而调节混合后的气体中臭氧的浓度，得到特定浓度的臭氧；
(3)本发明所述方法的操作过程简单，且设备成本低。
附图说明
图1是本发明实施例1与对比例1的臭氧制备过程得到的臭氧浓度的对比图；
图2是本发明实施例2与对比例1的臭氧制备过程得到的臭氧浓度的对比图；
图3是本发明实施例3与对比例2的臭氧制备过程得到的臭氧浓度的对比图；
图4是本发明实施例4与对比例3的臭氧制备过程得到的臭氧浓度的对比图；
图5是本发明实施例5与对比例4的臭氧制备过程得到的臭氧浓度的对比图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实验试剂说明：本发明具体实施方式部分采用的高纯氮气的纯度大于99.99％；高纯氧气的纯度为99.99％。
实施例1
提升臭氧生成浓度的方法：
(1)用质量流量计控制240mL/min的高纯氧气通入石英流通管(直径12毫米，长度10cm)，外置一支18瓦185nm波长的紫外灯，对流通氧气进行照射激发臭氧生成；
(2)将高纯氮气以700mL/min的流量先通入以35℃恒温的去离子水蒸发器中带入水汽，得到带有水汽的高纯氮气，其中水汽的体积浓度为0.54％；
(3)将步骤(1)中经紫外灯照射后的气体与步骤(2)得到的带有水汽的高纯氮气及另外260mL/min的高纯氮气混合，得到臭氧生成浓度提升后的气体，控制总流量为1200mL/min。
水汽含量由湿度计测定校准(室温，相对湿度为60％)。该条件下臭氧浓度通过美国2B臭氧分析仪(紫外吸收的标准测试方法)实时在线检测。
实施例2
本实施例与实施例1的区别仅在于，步骤(2)中将高纯氮气以700mL/min的流量先通入以35℃恒温的双氧水(过氧化氢含量30wt％)蒸发器中带入水汽和过氧化氢，得到带有水汽和过氧化氢的高纯氮气，其中水汽的体积浓度为0.54％，过氧化氢的体积浓度为0.06％，其他条件与实施例1相比完全相同。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(1)中将一支18瓦185nm波长的紫外灯替换为一支40瓦185nm波长的紫外灯，其他条件与实施例1相比完全相同。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，步骤(1)中将一支18瓦185nm波长的紫外灯替换为两支40瓦185nm波长的紫外灯，并将步骤(2)中去离子水恒温蒸发器的恒温由35℃替换为25℃，得到的带有水汽的高纯氮中水汽的浓度为0.31％，其他条件与实施例1相比完全相同。
实施例5
本实施例与实施例2的区别在于，步骤(1)中将一支18瓦185nm波长的紫外灯替换为两支18瓦185nm波长的紫外灯，并将步骤(2)中双氧水恒温蒸发器的恒温由35℃替换为25℃，得到带有水汽和过氧化氢的高纯氮气，其中水汽的体积浓度为0.31％，过氧化氢的体积浓度为0.03％，其他条件与实施例2相比完全相同。
对比例1
本对比例生成臭氧的方法包括以下步骤：
(1)用质量流量计控制240mL/min的高纯氧气通入石英流通管(直径12毫米，长度10cm)，外置一支18瓦185nm波长的紫外灯，对流通氧气进行照射激发臭氧生成；
(2)将步骤(1)中经紫外灯照射后的气体与流量为960mL/min的高纯氮气混合，气体总流量为1200mL/min，气体中臭氧浓度通过美国2B臭氧分析仪(紫外吸收的标准测试方法)实时在线检测。
对比例2
本对比例与对比例1的区别在于，步骤(1)中将一支18瓦185nm波长的紫外灯替换为一支40瓦185nm波长的紫外灯，其他条件与对比例1相比完全相同。
对比例3
本对比例与对比例1的区别在于，步骤(1)中将一支18瓦185nm波长的紫外灯替换为两支40瓦185nm波长的紫外灯，其他条件与实施例1相比完全相同。
对比例4
本对比例与对比例1的区别在于，步骤(1)中将一支18瓦185nm波长的紫外灯替换为两支18瓦185nm波长的紫外灯，其他条件与对比例1相比完全相同。
对比例5
本对比例与实施例1的区别在于，步骤(1)中不采用紫外灯管照射高纯氧气；而利用介质阻挡放电高纯氧气产生臭氧(北京同林臭氧发生器)。其它步骤与实施例1相比完全相同，即之后混合氮气，及实施例1的水汽混合气，平衡气体的整体流量。结果表明介质阻挡放电产生的臭氧生成的浓度没有明显提升。
本发明实施例1和对比例1中得到的气体中臭氧浓度的检测数据如图1所示，由图可以看出，对比例1中臭氧浓度最高时为30.1ppm，从而说明在常规紫外线照射下臭氧浓度的含量较低，而由实施例1的臭氧浓度检测数据可以看出，以水汽作为气体助剂，经本发明所述方法处理后，其臭氧浓度提升为对比例1中臭氧浓度的1.52倍。
本发明实施例2和对比例1中得到的臭氧浓度的检测数据如图2所示，由图可以看出，相较于对比例1，实施例2中采用过氧化氢和水汽的混合气作为气体助剂，经本发明所述方法处理后，其臭氧生成浓度提升为对比例1中臭氧浓度的1.64倍。
由图1和图2对比，实施例2中以过氧化氢和水汽的混合气作为气体助剂得到的臭氧浓度相较于实施例1中以水汽作为气体助剂得到的臭氧生成浓度也有所提升。
本发明实施例3和对比例2中得到的臭氧浓度的检测数据如图3所示，由图可以看出，实施例3中以水汽作为气体助剂得到的臭氧生成的浓度提升为对比例2中臭氧生成浓度的1.54倍，其提升的倍数与实施例1相较于对比例1提升的倍数近似，且对比例2相较于对比例1增加了紫外光照强度，其臭氧浓度由最高30.1ppm提升到32.2ppm。
本发明实施例4和对比例3中得到的臭氧浓度的检测数据如图4所示，由图可以看出，实施例4中以水汽作为气体助剂，其臭氧生成浓度提升为对比例3的1.28倍，且对比例3相较于对比例2的紫外光强度明显增加，其产生的臭氧浓度由32.2ppm提升到39.3ppm，而实施例4采用水汽作为气体助剂，其产生的臭氧浓度进一步提升到47.9ppm。
本发明实施例5和对比例4中得到的臭氧浓度的检测数据如图5所示，由图可以看出，实施例5以水汽和过氧化氢的混合气作为气体助剂，其臭氧生成浓度提升为对比例4的1.36倍，且对比例4相较于对比例1，紫外光强增加，其臭氧浓度由30.1ppm提升到35.1ppm，而实施例5中添加含水汽和过氧化氢后，其臭氧浓度提升为48ppm。
综上所述可以看出，本发明所述方法采用水汽和/或过氧化氢作为气体助剂，能明显提高经紫外线照射后的气体中臭氧生成的浓度，其提升效果明显优于单纯增加紫外光强度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种提升气体中臭氧生成浓度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将含氧气的气体通过紫外线照射；
(2)将步骤(1)中经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，得到臭氧生成浓度提升的气体。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述含氧气的气体包括氧气和/或空气。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述紫外线使用的灯管的功率≥18瓦，优选为18-40瓦；
优选地，步骤(1)所述紫外线的波长为100-300nm，优选为180-185nm。
4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述紫外线照射的时间为1-10秒，优选为1-4秒，进一步优选为2-3秒。
5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体的体积比为1:3～1:5。
6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中含有水汽和/或过氧化氢的气体包括含水汽的气体、含过氧化氢的气体和含水汽和过氧化氢的气体。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述含水汽的气体中水汽的体积浓度为0-0.54％，不含0，优选为0.31-0.54％；
优选地，所述含过氧化氢的气体中过氧化氢的体积浓度为0-0.1％，不含0，优选为0.03-0.06％；
优选地，所述含水汽和过氧化氢的气体中水汽和过氧化氢的体积浓度和为0-0.64％，不含0，优选为0.34-0.6％；
优选地，所述含水汽和过氧化氢的气体中水汽和过氧化氢的浓度比为(9-10):1。
8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述含有水汽和/或过氧化氢的气体通过将惰性气体通入含水和/或过氧化氢的溶液中得到；
优选地，含水和/或过氧化氢的溶液的温度为25-35℃；
优选地，步骤(2)中得到的臭氧生成浓度提升的气体中臭氧生成的浓度为步骤(1)得到的经紫外线照射后的气体中臭氧生成浓度的1.2-1.7倍。
9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(a)将氧气或空气通过紫外线照射，得到经紫外线照射后的气体，所述紫外线使用的灯管的功率为18-40W，所述紫外线的波长为180-185nm，所述紫外线照射的时间为1-4秒；
(b)将惰性气体通入含水和/或过氧化氢的溶液中，得到含有水汽和/或过氧化氢的气体；
(c)将步骤(a)中经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体混合，所述经紫外线照射后的气体与含有水汽和/或过氧化氢的气体的体积比为1:3～1:5，得到臭氧生成浓度提升的气体。
10.一种调节经紫外线照射后的气体中臭氧生成浓度的方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-9任一项中所述的方法。
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