臭氧發(fā)生器功率越大臭氧濃度為什么下降了

在使用臭氧發(fā)生器時，將臭氧發(fā)生器功率調(diào)的越大臭氧濃度反而下降了？為什么呢？該論文對其進(jìn)行了研究，“介質(zhì)阻擋放電過程中臭氧生成性能試驗研究”。

摘要：采用高頻高壓等離子體電源對圓管形放電室進(jìn)行放電試驗，研究了放電電壓、氧氣體積流量和氧氣體積分?jǐn)?shù)等關(guān)鍵參數(shù)對臭氧生成的影響.結(jié)果表明：臭氧質(zhì)量濃度隨放電電壓的升高而不斷增加，但當(dāng)放電電壓繼續(xù)升高時，溫度升高引起臭氧分解加速，很終導(dǎo)致臭氧質(zhì)量濃度下降；氧氣體積流量增加，臭氧質(zhì)量濃度減小，在氧氣體積流量為１L/min時，臭氧質(zhì)量濃度高可以達(dá)到１３８g/m3，臭氧電耗先減少后增加；氮氣的存在會增大擊穿電壓，因此氧氣質(zhì)量濃度越高，越容易被電離，臭氧質(zhì)量濃度越高，臭氧電耗越低。

一、放電電壓對臭氧產(chǎn)生的影響

如前所述，臭氧形成的基礎(chǔ)是氧氣分子受到電子的碰撞產(chǎn)生氧原子，氧原子與氧氣分子碰撞產(chǎn)生臭氧分子.目前，普遍認(rèn)為放電過程中臭氧的生成反應(yīng)和分解反應(yīng)主要通過式(３)～式(６)進(jìn)行.前２個反應(yīng)為臭氧的生成反應(yīng)，反應(yīng)速率分別為

放電電壓的增加可以提高臭氧生成反應(yīng)式(３)和式(４)的反應(yīng)速率，但溫度升高會降低臭氧生成反應(yīng)的反應(yīng)速率，同時提高臭氧分解反應(yīng)式(５)和式(６)的反應(yīng)速率.

式中：Ｍ為第三體.

為研究放電電壓對臭氧生成的影響，在氣源為氧氣時，通過試驗得到不同氧氣體積流量下臭氧質(zhì)量濃度隨放電電壓的變化規(guī)律，如圖４所示.由圖４可知，隨著放電電壓的升高，臭氧質(zhì)量濃度大體上呈現(xiàn)持續(xù)升高的趨勢，當(dāng)氧氣體積流量為１L/min時，臭氧質(zhì)量濃度高可以達(dá)到１３８g/m3.這是由于放電電壓的升高使得電場中電子能量密度增大，從而提高了氧原子的生成速率，促進(jìn)臭氧的生成.但是，隨著放電電壓的不斷升高，臭氧質(zhì)量濃度增大的幅度逐漸減小.在氧氣體積流量為１L/min時，當(dāng)放電電壓超過３.６KV時，臭氧質(zhì)量濃度出現(xiàn)了下降的趨勢.引起這一變化的原因是放電電壓升高導(dǎo)致放電室溫度升高，臭氧生成的反應(yīng)速率下降，而臭氧分解的反應(yīng)速率上升，加速了式(５)和式(６)的進(jìn)程.由于電源的限制，放電電壓無法繼續(xù)升高，但體積流量大于２L/min以上的工況均未出現(xiàn)這一現(xiàn)象.由于氧氣體積流量的增加，放電空間內(nèi)氧氣分子增加，進(jìn)而電離出更多氧原子，臭氧生成總量增加.同時氧氣體積流量的增加可以加快放電間隙熱量的散失，在一定程度上降低放電室溫度，使臭氧質(zhì)量濃度開始下降時對應(yīng)的放電電壓變大，因此可以預(yù)測當(dāng)放電電壓繼續(xù)升高時，高氧氣體積流量下的臭氧質(zhì)量濃度也會下降.綜上所述，在實際應(yīng)用中如果盲目地升高放電電壓，臭氧質(zhì)量濃度下降的同時會增加能耗，因此合理控制放電電壓尤為重要.大規(guī)模工業(yè)臭氧發(fā)生裝置需在滿足臭氧質(zhì)量濃度需求的條件下使臭氧電耗優(yōu)化.

二、氧氣體積流量對臭氧生成的影響

不同氧氣體積流量下的臭氧質(zhì)量濃度如圖５所示.由圖５可知，氧氣體積流量越大，臭氧質(zhì)量濃度越小.氧氣體積流量的影響主要包括２個方面：(１)氧氣體積流量直接影響氧氣在放電室的停留時間，氧氣體積流量越大，停留時間越短，氧氣分子與電子以及氧氣分子與激發(fā)態(tài)氧原子發(fā)生碰撞的機(jī)會越少，導(dǎo)致臭氧質(zhì)量濃度下降；(２)氧氣體積流量增大可以促進(jìn)放電室內(nèi)的對流換熱，降低放電室溫度，使臭氧生成反應(yīng)速率上升，臭氧分解反應(yīng)速率下降，導(dǎo)致臭氧質(zhì)量濃度上升.但是對流換熱對促進(jìn)放電室溫度降低的作用很小，前者一直占主導(dǎo)地位，因此氧氣體積流量越大，臭氧質(zhì)量濃度越小.

臭氧電耗是臭氧生成能耗的直接參數(shù)，根據(jù)式(１)和式(２)計算出臭氧質(zhì)量流量和臭氧電耗隨氧氣體積流量的變化，如圖６和圖７所示.當(dāng)放電電壓相對較低(如２.６４KV和２.８８KV)時，氧氣體積流量的增加雖然使臭氧質(zhì)量濃度下降，但氣體體積流量的增加使臭氧生成總量有所上升.隨著氧氣體積流量的不斷增加，放電能耗相應(yīng)增加，因此臭氧電耗隨氧氣體積流量的增加先降低后提高，在２L/min時達(dá)到低為０.０１１４(ｋＷ·ｈ)／ｇ.當(dāng)放電電壓較高(如３.１２KV和３.３６KV)時，臭氧質(zhì)量流量和臭氧電耗在氧氣體積流量達(dá)到２L/min以后呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢.

三、氧氣體積分?jǐn)?shù)對臭氧生成的影響

工業(yè)上可利用高純氧或空氣作為氣源制備臭氧，但與高純氧氣源相比，利用空氣源制備臭氧所需成本較低.由于空氣源中含有部分氮氣，為了探尋氣源中氮氣的存在對臭氧制備的影響，開展了不同氧氣體積分?jǐn)?shù)時Ｏ２／Ｎ２混合氣下放電生成臭氧的試驗.試驗中取氣體總體積流量為１L/min，通過控制氮氣和氧氣的體積流量達(dá)到所需的氧氣體積分?jǐn)?shù)，試驗結(jié)果如圖８所示.由圖８可知，隨著氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加，臭氧質(zhì)量濃度不斷上升，原因在于氮氣的加入一方面使得擊穿電壓升高，氧氣體積分?jǐn)?shù)越高，越容易被電離，導(dǎo)致放電室內(nèi)氧原子濃度增加，進(jìn)而有利于臭氧的生成；另一方面，氮氣的存在使得放電過程中產(chǎn)生部分ＮＯｘ，進(jìn)而導(dǎo)致臭氧質(zhì)量濃度下降.空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)約為２１％，相應(yīng)結(jié)果應(yīng)與圖８中２０％氧氣體積分?jǐn)?shù)工況接近，臭氧質(zhì)量濃度始終低于１０g/m3.此外，氧氣體積分?jǐn)?shù)上升導(dǎo)致臭氧質(zhì)量濃度下降時對應(yīng)的放電電壓變大，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)高于６０％時，在試驗范圍內(nèi)，臭氧質(zhì)量濃度隨放電電壓的增大持續(xù)上升.氧氣體積分?jǐn)?shù)越低，臭氧質(zhì)量濃度越低，隨著放電電壓的增大，臭氧分解反應(yīng)越占主導(dǎo)地位，臭氧質(zhì)量濃度開始下降時對應(yīng)的放電電壓越小.但如第２.１節(jié)所述，隨著放電電壓繼續(xù)增大，即便氧氣體積分?jǐn)?shù)高的工況也會出現(xiàn)臭氧質(zhì)量濃度下降的現(xiàn)象.

圖９為不同氧氣體積分?jǐn)?shù)下的臭氧電耗.可以看到，相同放電電壓下，臭氧電耗隨氧氣體積分?jǐn)?shù)的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢.空氣源下(接近圖９中２０％氧氣體積分?jǐn)?shù)工況)放電制備臭氧的電耗始終高于０.１(ｋＷ·ｈ)／ｇ，遠(yuǎn)高于氧氣源下放電制備臭氧的電耗.因此，工業(yè)應(yīng)用應(yīng)當(dāng)首選氧氣源下放電制備臭氧.目前，通常采用分子篩技術(shù)制備氧氣，氧氣體積分?jǐn)?shù)一般在９０％以上，從圖９中數(shù)據(jù)可看出，體積分?jǐn)?shù)為９０％的氧氣作為氣源制備臭氧的電耗(０.０２０(ｋＷ·ｈ)／ｇ)略高于純氧作為氣源制備臭氧的電耗(０.０１８(ｋＷ·ｈ)／ｇ).

四、結(jié)論

（１）臭氧質(zhì)量濃度隨放電電壓的增大不斷上升，但當(dāng)放電電壓升高到一定值以后，臭氧質(zhì)量濃度始下降.在氧氣體積流量為１L/min時，臭氧質(zhì)量濃度高可以達(dá)到１３８g/m3.

（２）臭氧質(zhì)量濃度隨著氧氣體積流量的增加不斷下降，臭氧質(zhì)量濃度在低放電電壓時隨氧氣體積流量的增加略有上升，在高放電電壓時隨氧氣體積流量的增加先上升后趨于穩(wěn)定.

（３）氧氣體積分?jǐn)?shù)越高，臭氧質(zhì)量濃度越高，臭氧電耗越低.２０％氧氣體積分?jǐn)?shù)下（接近空氣源）放電制備臭氧的質(zhì)量濃度低于１０g/m3，臭氧電耗高于０.１（ｋＷ·ｈ）／ｇ.