臭氧发生器研究的进展_蒋爱丽

臭氧发生器研究的进展*

蒋爱丽1,陈烨璞1,华　明2

(1.上海大学理学院化学系,上海200436;2.无锡市彩登试验设备有限公司,无锡214064)

摘　要:介绍了放电式臭氧发生器电极形式、材料及电介质方面研究的新成果;讨论了近年来国内外在放电式、电解池式、紫外线辐照式臭氧发生器的新进展。分析表明提高介质的击穿强度和介电常数,改善系统散热效果,采用耐高温、耐氧化电极材料,合理设计系统结构和电极结构是提高放电式臭氧发生器性能、延长寿命的主要途径。

关键词:臭氧发生器;放电元件;电极;电介质材料

中图分类号:T M8;T M21 文献标识码:A 文章编号:1003-6520(2005)06-0052-03

Progress of Research Work in Ozonizer

JIANG Aili1,CH EN Yepu1,H UA M ing2

(1.Department of Chemistry,School of Science,Shang hai University,Shanghai200436,China;

2.Wuxi Trident Test Tech Equipment Co.,Ltd.,Wuxi214064,China)

A bstract:T his essay presents the new dev elo pment of research wo rk in ozonize r in China and in the w or ld recently, the ty pe o f the ozonize r includes the discha rge ty pe,the electro ly tic cell ty pe a nd the UV-irradia ted ty pe.The au-tho rs mainly emphasizes o n the new results of electr ode ty pes and dielectric materials fo r discha rge o zo nizer.

Key words:o zo nize r;discha rge element;electro de;die lectric ma te rials

0　引　言

臭氧的氧化性极强,其氧化还原电位仅次于氟气F2。由于这一特性,臭氧应用于杀菌消毒,脱色脱臭方面独具特色、性能优良。近年来,特别是“非典”以来,臭氧发生器的需求量大大增加,但臭氧发生器仍存在许多有待改进的地方,例如臭氧发生器的构造与臭氧的产量、质量关系密切,其中放电单元的性能极为关键,成为目前臭氧技术中倍受关注的焦点。本文主要介绍了3类臭氧发生器近期的研究进展。

1　放电式臭氧发生器

1.1　放电式臭氧发生器电极形式和材料

为了改善放电状况、提高放电效率,人们研究了如线状、刷状、螺线状、网状、水不同形式的电极[1]。且放电形式局限于无声、脉冲流注、电晕、沿面、无声-沿面混合及辉光放电等形式。

Nomo to Y等人研究的一种无声-沿面混合放电的电极结构见图1。装在耐热玻璃管内的是螺旋状不锈钢丝为内电极,黄铜制圆筒为外电极,外电极和玻璃管间留有气隙。在内外电极间施加60H z的正弦交流高压时,气隙中的无声放电和内电极的沿面放电同时产生,即所谓混合放电,可提高臭氧能量利用效率,在80%N2和20%O2和混合气源时效率可达110g/kWh,纯O2作为气源时达274g/kWh。另一种类似结构即Nakajim a,Ken等发明的中空圆柱电极,圆柱是用不锈钢或铝制成

。

图1　混合放电臭氧发生器电极构造图Fig.1　Electrodes structure of mixing discharge ozonizer

Robinso n J A等人研究的用水作电极的臭氧发生器试验单元见图2,憎水性的电介质形成组装电极的底面,浸泡在变压器油中的黄铜电极作为高压电极,位于水池底部的不锈钢板作接地电极。这种水电极臭氧发生器在低臭氧浓度下效率>110g/ kWh(纯O2作为气源),虽不算高,但这种臭氧发生器具有气隙冷却方式简单、接触有效、无需很干燥的气体、无需另设冷却系统4个优点。

马虹斌等人研究了高压网状电极的一些特性。不锈钢网孔密度分别用16和40目作为疏、密网,电源采用工频交流,料气为纯氧,流速v为0.4m3/h。研究中发现同一电压下,电极网孔密度不同,影响放电的强弱。当电压低于某一定值时,疏网电极的放

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2005年 6月

高　电　压　技　术

High Voltage En gineering

Vol.31No.6

J une　2005

*上海市教委发展基金(编号04AB33)

DOI牶牨牥牣牨牫牫牫牰牤j牣牨牥牥牫牠牰牭牪牥牣hve牣牪牥牥牭牣牥牰牣牥牨牴

电强度远弱于密网,随电压升高,电场强度差别外逐渐减小;当电压高于某定值时,疏网电极的放电强度又远强于密网

。

图2　水电极臭氧发生器Fig .2　Water electrode ozonizer

岳朝松等人为便于冷却,采用了管式臭氧电极,

见图3[2]。在DN25不锈钢外表面等离子上喷涂一层陶瓷作为电介质,陶瓷表面缠绕螺旋状电极线。管的有效长度680mm 。改变缠绕在陶瓷电介质表面的螺旋状电极线的螺距h 可改变放电时的电晕密度。随着两电极线间距减小,其间的电介质表面上的电压降变小,有利于臭氧的生成。管式臭氧电极除了单管还有同轴双管式、三管式等

。

图3　管式臭氧电极Fig .3　Tube type ozonizer

Danilin ,V V 等的臭氧发生器的电极系统是每个电极上有波纹状的薄膜,限定内部环状的腔震荡器,两个对应电极上的波纹形状对应,且波状膜的突起和凹进距离相等,这样可降低材料损耗,提高放电间隙的热散效率。Minter ,Bruce E 设计的臭氧发生器也是盘旋形气体通道。Pichug in ,Yu P 发明的新电动力学装置的电极可沿阻挡介质表面滑动。Chetvegov ,N A 发明的臭氧发生器把电极制成直角棱状金属板。Ag o ,Toshikatsu 等设计的电极是在一个电极上有几排洞,另一个对应的电极上有尖角对应,这种设计形成多个放电区域,多种有机物质都可附着在电极上。

1.2　放电式臭氧发生器的电介质材料

无声放电(即介质阻挡放电)的电介质是无声放电臭氧发生器的重要组成,其作用为强化气隙的电场强度以利于产生放电;防止气隙击穿,同时减小功率消耗;使气隙的电场均匀,扩大放电区域,利于臭氧的产生。一般而言,电介质的介电系数越高,导热性能越好越利于产生臭氧。

目前,臭氧发生器所用的电介质主要有石英玻璃、陶瓷、搪瓷、有机材料等多种类型。

1)陶瓷、搪瓷

a )高纯度的氧化铝陶瓷[3,4]熔点高、机械强度大、击穿电压高、耐化学腐蚀能力强、热导率较高。近年来,电介质层材料及加工工艺成为介质阻挡强电离放电的关键技术,用等离子体喷涂或贴冶方法,在400～1600cm 2的放电极和接地极表面上形成密实的α型Al 2O 3材料的极薄的电介质层,具有高强度、高密度、高绝缘度、高介电常数、高均匀度、低矫曲度和低损耗等特点。采用该技术可达到的相关参数为:临界击穿电场强度E ≥400kV /cm ;相对介电常数ε≥10;体积电阻率ρ≥1015

Ψ cm ;介电损耗tan δ<3.9×10-4;体积密度n ≥3.8g /cm 3;导热率λ≥21W /(Km );热膨胀系数(6.5～7.5)×10-6m m /°C ;表面粗糙度0.25～0.5μm ;吸水率趋于0;介质厚度0.1mm ;电介质最大面积<1600cm 2[5]。

刘维良等人为提高陶瓷基板材料的ε,降低材料的tan δ和使材料有较高的热导率研究了不同掺杂方法[7]

,制备的样品参数为密度n =3.97g /cm 3

,ε

=12.98,tan δ=2.00×10-4

,λ=23.0W /mk 。

岳朝松等人[7]为试验不同的电介质对臭氧产生的影响,分别选取石英玻璃(ε=4.2)、镁橄榄石(ε=5.9)、α-Al 2O 3(ε=8.3)、ZrO 2瓷(ε=12.0)、SiC 瓷(ε=40.1)5种材料作为电介质,电介质厚度0.3

m m ,电源频率10kHz ,电压峰值9.4kV ,分别测量臭氧发生器出口处臭氧的浓度,最终选择0.25～

0.4m m 的α-Al 2O 3为电介质,单电极产生臭氧的质量浓度达12～13g /m 3。

鲍慈光等研究的(Sr ,Ca )TiO 3陶瓷材料和S r -TiO 3基掺杂陶瓷材料基料为67%的SrTiO 3和29%的Ca TiO 3,掺杂料为BaTiO 3、CaSiTiO 3、TiO 2、ZnO 、Bi 2O 3,所得样品性能较理想,其ε=88,U =10kV ,tan δ=75.1×10-4,ρ=0.84G Ψm 。b )搪瓷制造工艺简单、电气强度高、介电常数较大、耐腐蚀能力较强。清华大学采用搪瓷材料作为介电体,制作了不同尺寸的单管搪瓷介电体臭氧发生器,同玻璃介电体的臭氧发生器对比试验。结果显示,搪瓷材料的ε比玻璃高近1倍,用于臭氧发生器中将有较高的臭氧产量。

Semin M A 用硅酸盐电绝缘搪瓷为介电体[8]。2)双介质组合材料(云母)

赵纯等人采用一种使用铁电球/云母片双介质的间隙结构,有一对平板电极和一个双介质层构成[9],见图4。0.1mm 厚的云母片放在下侧电极上,中部留有直径10m m 圆洞1m m 厚聚四氟乙烯

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