臭氧发生器的研制及其应用

　　1 前言

　　新型臭氧水处理装置利用沿面放电臭氧产生技术，将臭氧发生器由以往的点线放电产生臭氧改变成为沿介质表面放电，使得通过电介质表面降温冷却成为简单可行，降低或消除了由于臭氧发生时产生的高温，避免了臭氧再分解，从而提高了臭氧的产生量，降低了能耗。在放电电源方面，采用了具有高效率、小型化的静止变频电源，使臭氧发生器小型化,强化了电晕放电。

　　2 高压高频电源制作

　　选用大功率晶体管IGBT作为DC-AC半桥变换器的开关器件。用软开关技术降低反向恢复特征的要求，捎?0kHz的脉冲高频变压器以降低因损耗而产生的热效应，提高器件的稳定性和臭氧的产生效率。同时利用脉宽调制技术（PWM）调节脉宽以改变输出基波电压的幅值。经过整流、滤波、逆变、升压，能产生前沿小于60ns，脉冲半宽约为250ns，重复频率0~20kHz可调，电压0~10kV可调的高压脉冲电源。电路流程见图1。

　　3 沿面放电电极制作

　　本实验装置采用陶瓷作为臭氧发生器电极的绝缘材料，采用管式放电电极，结构见图2。

图1 高压脉冲电源流程

图2沿面放电电极断面结构

　　 在金属管外壁涂覆1层陶瓷（厚0.5mm），陶瓷表面镶上多条平行的细线状电极（总长10.5m，厚50～60µm），管内壁再涂覆1层陶瓷作为接地电极，以增加其机械强度。放电管内径32mm，管中通入冷却水，以降低臭氧发生时放电空间的温度，避免臭氧的分解，提高臭氧的产生效率。

　　4 实验方法

　　臭氧水处理流程见图3。

　　干燥后的空气进入放电室，在纳秒级脉冲高压的作用下分解，形成臭氧气体。产生的臭氧气体通过由涡流混合器与填料塔组成的高效混合装置，混合器可产生较强的负压将高浓度的臭氧气体完全吸入，使水在混合器内充分雾化，成为非常微细的激化小颗粒，增加了臭氧在水中的溶解和附着面积，大大提高臭氧水浓度、产量，混合效率增加20%左右。混合后的残余臭氧气体通过尾气吸收器变成氧气排出。

　　1—无油空压机；2—干燥器；3—高压脉冲电源；4—示波器；5—流量计；6—放电室；7—流量计；

　　8—原水池；9—臭氧检测仪；10—混合装置；11—储水罐

图3 水处理实验流程

　　5 结果和讨论

　　5.1 峰值电压的影响

图4 臭氧产量与峰值电压的关系

　　从图4可以看出，峰值电压为4kV～9kV，臭氧的产生量与放电电压成线性增加关系。当峰值电压超过9kV左右,这种增加趋势才逐渐减缓。这是由于当臭氧浓度增大，由电子碰撞作用引发的臭氧分解也明显，高浓度领域内的臭氧产生效率急剧下降。因此要求有良好的冷却装置，而且放电的电场强度应该有一最优的值，在这一值下，使臭氧再分解的低能电子的生成受到抑减，臭氧产生率达到最大。

　　5.2 放电频率的影响

　　控制反应气体流速为1.5L/min，调节放电频率，考察臭氧的生成情况，结果见图5。

图5不同频率下电压与臭氧产量关系

　　由图5可知，在频率较低时，随放电电压的升高，3条曲线有着相同的上升趋势，臭氧的产量直线增加; 高频情况下，产量的上升率以及所达到的最大值均要高于低频情况。当频率为15kHz、电压为7kV时，臭氧产生量达到了最大值。

　　实验表明，当臭氧发生器的出口温度超过一定的温度（50~52℃）时，臭氧的产量开始下降，臭氧的分解会变得比较显著。

　　5.3 CODcr、BOD5的去除

　　将本装置用于医院污水的处理。由于医院污水中含有杂质，因此在处理前先进行预处理。操作条件见表1。

表1 处理前后参数对照

参 数 数 值

　　臭氧（进口）浓度(mg/L) 4.5~9.7

　　臭氧（出口）浓度(mg/L) 0~3.1

　　接触时间(min) 0~40

　　温度(℃) 20~25

　　pH值 3~11

　　气流量(L/min) 1.5~2.5

　　放电频率(kHz) 17

　　放电电压(kV) 7

　　本系统通过增加放电强度以及采用高效混合系统，臭氧水浓度可达8.35g/m3，考虑到运行成本，将臭氧水浓度稳定在5.3g/m3。

　　在通入浓度为6.5mg/L臭氧气体，流量为2.0L/min的情况下，对废水中的CODcr、BOD5进行检测。结果见图6~7。

图6 水中CODcr的变化曲线

图7 水中BOD5的变化曲线

　　由图6可以看出，水气接触30min后，医院污水CODcr值由2980mg/L降到850mg/L，去除率达到71.47%。在15℃情况下，前10min内水中CODcr的含量下降很快，去除率达到了42.2%。然后CODcr去除效果缓慢下降。这时即使加大臭氧的浓度，效果也不明显。温度为25℃下CODcr的去除效果较为缓慢，主要是因为温度的升高加速了水中臭氧的分解，降低了臭氧总的氧化能力。

　　图7可以看出，臭氧对水中BOD5去除效果弱于CODcr去除效果。在前20minBOD5值有一缓慢的下降过程，随后有所增加，在20min氧化时间内，BOD5去除率为45%。

　　同时实验发现，臭氧氧化作用与溶液pH值密切相关。在酸性条件下，臭氧氧分子直接参加氧化反应，臭氧分子与发色基团的>C=C<键反应。在碱性条件下，臭氧与水作用生成的·OH自由基破坏芳香族化合物的苯环。因此用臭氧处理医院污水，在酸性条件下颜色的去除率比碱性条件下要高50%。

　　6 结论

　　6.1 本臭氧产生装置由于采用高频脉冲放电电源，降低了发生器的工作电压，提高了装置的可靠性和耐久性。在此条件下沿面放电臭氧发生法的3个参数：产量、浓度、能量得率可以分别达到较高的值。

　　6.2 应用臭氧处理污水中的CODcr、BOD5、色度等均可达到较高的去除率，处理后的污水达到国家排放标准。

　　作者陈刚，男，1972年生，1995年毕业于华东船舶工业学院电气自动化专业，现江苏大学环境工程硕士研究生。