臭氧-工作原理及应用

臭氧-工作原理及应用

雷暴期间，闪电会产生大量臭氧，这是雷雨过后闻到“新鲜”气味的原因之一。

臭氧氧化技术是利用臭氧和其分解产生的自由基对有机物进行氧化降解的过程。通过在水中产生.OH具有高达2.8V的氧化还原电位（臭氧分子2.07V），氧化能力仅次于氟，能与水中各种形态存在的污染物质（溶解、乳化、悬浮、胶体及微生物等）起反应，将复杂的有机物转化成简单有机物、酸及醛等，同时也能够有效去除浊度、色度、臭味以及杀菌等作用。

臭氧是不稳定气体，因此需要在使用点附近现场制备。

臭氧制备的总反应是吸热反应，需要能量。

这一能量只能由以下方法提供：

a、对氧气流进行高压放电；b、电解水；c、利用波长小于220nm的紫外线光解氧气；d、利用电离辐射辐解氧气。

臭氧发生器：把普通氧气（O?）变臭氧（O?），唯一可以进行工业化应用（＞2kg/h）的臭氧生成工艺技术靠高压放电（也叫电晕放电法），对含氧干燥气体进行电离。

 

一、 核心工作原理（高压放电法）

高压破氧：          

塞入干燥空气或纯氧 → 通入万伏高压电场（10-15kV）→ 电场中氧气分子（O?）被轰碎 → 变成单个氧原子（O）。

公式简单记：          
e?+O2→2O+e?e?+O2→2O+e?（电子撞碎氧气）

原子重组：          
单身氧原子（O）活跃得很！立刻拉周围氧气分子（O?）“组队” → 结合成臭氧（O?）。          
组队公式：          
O+O2→O3O+O2→O3

 

臭氧产生过程中使用的电能将氧分子分解，分裂氧分子所需的理论能量如下所述：

每产生1千克臭氧，需要0.82千瓦时的电力

每产生1磅臭氧，需要0.372千瓦时的电力

在实际的臭氧生产中，由于臭氧产生效率低，产生臭氧所需的能量将是所示数学数字的10–20倍。

 

氧化电势，或称氧化还原电势，是对化学物种获取电子并被还原的趋势的度量。氧化电位以电压测量。较大的氧化电位表明有更大的趋势被还原，从而与其他化学物种产生电子交换。          

臭氧具有很高的氧化电势之一，仅低于花青素原子，氧原子和羟基自由基。臭氧的某些反应会产生氧原子和羟基自由基，从而产生比单独的臭氧更高的氧化电位。

臭氧发生器的载体可采用空气或者纯氧，但是无论哪种原料均会受到电活化的影响。因此臭氧的制备将伴随着若干个副反应的发生。

1、氮氧化物的生成，主要为N₂O₅与N₂O,由少量的氮气转化而成；

2、烃类化合物，尤其受污染的空气中的甲烷和乙烷被完全氧化成水和二氧化碳。

因此，对空气载体进行干燥与清洁处理就十分重要的了。

 

 

二、 高效产臭氧的3大关键

气源要“纯净干”

空气需过滤+深度干燥（露点≤-40℃），除水除油防腐蚀；

想高浓度？直接用氧气（纯度90%+），臭氧浓度翻倍！

散热必须狠

放电时巨热！高温会让臭氧秒分解；

水冷＞风冷！水冷稳定持久，风冷只适合小机器。

高频电压效率高

中高频电源（400Hz以上）体积小、耗电少、臭氧量大，工频（50Hz）已淘汰。

 

三、 其他技术

1. 电晕放电法（最常用）

原理：利用高压交流电（通常5-20 kV）通过氧气或空气，在电晕放电过程中将O?分解为氧原子，再与O?结合生成臭氧（O?）。

装置：臭氧发生器（商用或自制）、高压电源、氧气瓶（或空气泵）、冷却系统（防止过热）。

条件：

- 氧气纯度越高，臭氧产率越高（空气制备时需过滤除湿）。

- 低温（如冷水冷却）可提高臭氧稳定性。

优点：效率高（可达5-10 wt%臭氧浓度）、适合连续生产。

缺点：需高压电，可能产生氮氧化物（用空气时）。

2.紫外光解法

- 原理：用紫外光（波长≤254 nm）照射氧气，光解O?生成氧原子，进而形成臭氧。

- 装置：紫外灯（低压汞灯）、石英反应管（透紫外光）、氧气流通系统。

- 条件：需控制氧气流速和紫外光强度。

- 优点：装置简单、无高压风险。

- 缺点：产率低（适合小规模）、紫外光需防护。

3. 电解法

- 原理：电解纯水或酸性溶液（如H?SO?），在阳极氧化生成臭氧。

- 装置：电解池（铂或硼掺杂金刚石电极）、直流电源。

- 条件：低温电解液、高电流密度可提升效率。

- 优点：无副产物（纯氧体系）、易控制。

- 缺点：能耗高、电极成本高。

4. 化学法（冷等离子体或化学反应）

- 冷等离子体法：通过射频或微波激发氧气产生等离子体，生成臭氧（类似电晕放电但频率更高）。

- 过硫酸盐分解法：如分解K?S?O?在酸性条件下释放臭氧（产率低，较少用）。

5. 其他方法

- 放射化学法：用放射性同位素（如??Co）辐照氧气，产率低且安全性要求高。

- 吸附-脱附法：通过分子筛吸附氧气后释放臭氧，效率较低。

 

注意事项

1.安全：臭氧有毒（＞0.1 ppm有害），需在通风橱或尾气处理（如KI溶液或热分解）。

2.浓度检测：可用碘量法、紫外吸收法或商用臭氧检测仪。

3.材料兼容性：臭氧腐蚀橡胶/塑料，需用玻璃、聚四氟乙烯（PTFE）等惰性材料。

 

 

引用网络某博主的总结口诀：“高压轰氧气，原子再重组；气纯散热快，高频出臭氧！”