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臭氧制備與生產(chǎn)的幾種方法
臭氧是*的廣譜、高效殺菌劑。目前在許多國家和地區(qū),臭氧的應用很廣泛,如應用在飲用水消毒、醫(yī)用水消毒、污水處理、食品廠和藥廠空氣消毒、造紙漂白等行業(yè)和領域，那么臭氧又是如何制備與生產(chǎn)的呢？
民用臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，用于在無人的房間清潔空房間空氣或消除空房間中的煙味。這些臭氧發(fā)生器每小時可產(chǎn)生3克以上的臭氧。
工業(yè)中使用的臭氧以 μmol / mol（ ppm，百萬分之一），nmol / mol（ppb，十億分之一），μg/ m³，mg / h（每小時毫克）或重量百分比測量。傳統(tǒng)的應用濃度范圍為 1 %至 5 %（空氣中）和 6 %至 14 %（氧氣中）。新的電解方法可以使產(chǎn)出水中的溶解臭氧濃度達到 20 ％到 30 ％。
在使用傳統(tǒng)的生成方法（例如電暈放電和紫外線）產(chǎn)生的臭氧量中，溫度和濕度有著很大的影響。如果在潮濕的環(huán)境空氣（而不是非常干燥的空氣）運行，則將產(chǎn)生不到標稱產(chǎn)量的 50 ％ 。使用電解方法的新型發(fā)生器可以通過將水分子用作臭氧產(chǎn)生源來實現(xiàn)更高的純度和溶解度。
01
電暈放電法
這是用于大多數(shù)工業(yè)和個人用途的常見的臭氧發(fā)生器類型。盡管存在產(chǎn)生臭氧的“熱火花”冠狀放電方法的變型，包括醫(yī)學級和工業(yè)級臭氧發(fā)生器，這些單元通常通過電暈放電管工作。它們通常具有成本效益，并且除環(huán)境空氣外不需要氧氣源即可產(chǎn)生 3 – 6 ％的臭氧濃度。
由于天氣或其他環(huán)境條件的影響，周圍空氣的波動會導致臭氧產(chǎn)量的變化。然而它們也產(chǎn)生氮氧化物作為副產(chǎn)物。使用空氣干燥器通過去除水蒸氣可以減少或消除硝酸的形成，并增加臭氧的產(chǎn)生。在室溫下，硝酸會形成蒸氣，如果吸入會產(chǎn)生危險。癥狀可能包括胸痛，呼吸急促，頭痛以及鼻子和喉嚨干燥，引起灼熱感。氧氣濃縮器的使用不僅可以去除水蒸氣，還可以去除大部分氮氣，從而可以進一步增加臭氧的產(chǎn)生，并進一步降低形成硝酸的風險。
02
紫外線
UV臭氧發(fā)生器使用環(huán)境空氣來產(chǎn)生臭氧，沒有使用空氣制備系統(tǒng)（空氣干燥器或氧氣濃縮器），因此這些發(fā)生器的價格往往較低。但是紫外線臭氧發(fā)生器通常產(chǎn)生的臭氧濃度約為 0.5 ％ 或更低，這限制了潛在的臭氧生產(chǎn)率。該方法的另一個缺點是，它需要將環(huán)境空氣（氧氣）暴露在紫外線源中更長的時間，并且任何未暴露在紫外線源中的氣體都不會被處理。這使得UV發(fā)生器不適用于處理快速移動的空氣或水流的情況（例如，管道內(nèi)空氣消毒）。
臭氧的產(chǎn)生是紫外線殺菌輻射的潛在危險之一。VUV臭氧發(fā)生器用于游泳池和水療中心，范圍達數(shù)百萬加侖的水。VUV臭氧發(fā)生器與電暈放電發(fā)生器不同，不會產(chǎn)生有害的氮副產(chǎn)品，并且與電暈放電系統(tǒng)不同，VUV臭氧發(fā)生器在潮濕的空氣環(huán)境中工作非常好。通常也不需要昂貴的廢氣處理機構，也不需要額外成本和維護的空氣干燥器或氧氣濃縮器。
03
冷等離子體
在冷等離子體方法中，純氧氣體暴露于由介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的等離子體中。雙原子氧分裂成單個原子，然后三個一組重新結合形成臭氧。冷等離子體機利用純氧作為輸入源，產(chǎn)生濃度約5%的臭氧。與紫外線相比，它們在一定時間內(nèi)產(chǎn)生的臭氧要多得多。然而由于冷等離子體臭氧發(fā)生器非常昂貴，它們被使用的頻率低于前兩種類型。
放電表現(xiàn)為兩個電極之間的間隙中電子(微放電)的絲狀轉(zhuǎn)移。為了使微放電均勻分布，必須用絕緣材料隔開金屬電極并防止電弧。
一些冷等離子體單元還能產(chǎn)生短壽命的氧同素異形體，包括O4、O5、O6、O7等。這些物質(zhì)甚至比普通的O3更活躍
04
電解
電解氧發(fā)生器（EOG）將水分子分裂為H2，O2和O3。在大多數(shù)EOG方法中，氫氣將被除去，剩下氧氣和臭氧作為反應產(chǎn)物。因此，EOG可以在水中實現(xiàn)更高的溶解度，而無需電暈放電方法中發(fā)現(xiàn)其他競爭性氣體，例如環(huán)境空氣中存在的氮氣。這種生成方法可以達到20-30％的濃度，并且與空氣質(zhì)量無關，因為使用水作為原料。由于過高的電勢，通常不利于電解生產(chǎn)臭氧與氧氣相比需要產(chǎn)生臭氧。這就是為什么在典型的水電解過程中不會產(chǎn)生臭氧的原因。然而可以通過謹慎地選擇催化劑來增加氧氣的過電勢，使得其優(yōu)先在電解下產(chǎn)生臭氧。通常選擇用于此方法的催化劑是二氧化鉛或摻硼金剛石。
通過增加陽極處的電流密度，將陽極周圍的電解質(zhì)冷卻至接近0°C，使用酸性電解質(zhì)（例如稀硫酸）代替堿性溶液并施加脈沖電流來改善臭氧與氧氣的比率。
05
特別注意事項
臭氧不能像其他工業(yè)氣體一樣進行存儲和運輸（因為它會迅速分解為雙原子氧），因此必須在現(xiàn)場生產(chǎn)。可用的臭氧發(fā)生器在高壓電極的布置和設計上有所不同。當每小時的生產(chǎn)能力高于20千克時，可將氣/水管熱交換器用作接地電極，并在氣體側與管狀高壓電極組裝在一起。典型的氣壓范圍是氧氣中壓力為2bar（200 kPa），空氣中壓力為3 bar（300 kPa）。大型設施中可能會安裝幾兆瓦的電源，以50至8000 Hz的一相交流電流和峰值電壓的形式施加3,000至20,000伏之間施加電壓通常與施加頻率成反比。
影響臭氧產(chǎn)生效率的主要參數(shù)是氣體溫度，該氣體溫度由冷卻水溫度和/或氣體速度控制。水越冷，臭氧合成越好。氣體速度越低，濃度越高（但是產(chǎn)生的凈臭氧越低）。在典型的工業(yè)條件下，幾乎有90％的有效功率會隨著熱量散發(fā)，需要通過足夠的冷卻水流將其除去。
由于臭氧的高反應活性，只能使用幾種材料，例如不銹鋼（質(zhì)量316L），鈦，鋁（只要不存在水分），玻璃，聚四氟乙烯或聚偏二氟乙烯?？梢允褂肰iton來限制恒定的機械力并且不存在濕度（濕度限制取決于配方）。Hypalon的使用應具有以下限制：除正常大氣水平外，禁止與水接觸。脆化或收縮是彈性體暴露于臭氧下的常見失效模式。臭氧破裂是彈性密封件（例如O形圈）失效的常見模式。
硅橡膠通常適合用作臭氧濃度低于1wt％的墊片，例如用于加速橡膠樣品老化的設備。
06
附帶生產(chǎn)
臭氧可由O2通過放電和高能電磁輻射作用產(chǎn)生。電觸點、電動機電刷或機械開關中不可抑制的電弧會破壞觸點周圍的大氣氧的化學鍵[O22O]。電弧內(nèi)和電弧周圍的氧自由基重新組合產(chǎn)生臭氧[O3]。某些電氣設備會產(chǎn)生大量的臭氧。對于使用高電壓的設備尤其如此，例如離子空氣凈化器，激光打印機，復印機，縫機和弧焊機。使用電刷的電動機會因設備內(nèi)部反復產(chǎn)生火花而產(chǎn)生臭氧。使用電刷的大型電機（例如電梯或液壓泵使用的電刷）會比小型電機產(chǎn)生更多的臭氧。
07
實驗室生產(chǎn)
在實驗室中，臭氧可通過產(chǎn)生電解用9伏電池，鉛筆石墨棒陰極，一個鉑絲陽極和3 摩爾硫酸電解質(zhì)。發(fā)生的半電池反應是：
3 H2O O3 + 6 H+ + 6 e−(ΔE° =−1.53 V)
6 H+ + 6 e− 3 H2 (ΔE° = 0 V)
2 H2O O2 + 4 H+ + 4 e−(ΔE° = 1.23 V)
在凈反應中，將三當量的水轉(zhuǎn)化為一當量的臭氧和三當量的氫。氧的形成是競爭性反應。
它也可以由高壓電弧產(chǎn)生。在簡單的形式中，高壓交流電（例如霓虹燈變壓器的輸出）連接到兩個金屬棒，兩端的端部彼此足夠靠近以產(chǎn)生電弧。產(chǎn)生的電弧會將大氣中的氧氣轉(zhuǎn)化為臭氧。
通常希望包含臭氧。這可以通過由兩個同心玻璃管組成的設備來完成，該兩個同心玻璃管在頂部密封在一起，而在外管的頂部和底部則設有氣體端口。內(nèi)芯應插入一定長度的金屬箔，并與電源的一側相連。電源的另一側應連接到另一塊纏繞在外管上的箔片上。干O的來源 2適用于底部端口。當對箔導線施加高壓時，電流將在中間的干燥雙氧之間放電并形成O3和O2將流出頂部端口。