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)06-0052-03Progress of Research Work in OzonizerJIANG 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 rials0　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 ozonizerRobinso 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52第31卷第6期2005年 6月高　电　压　技　术High Voltage En gineeringVol.31No.6J 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 ozonizerDanilin ,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≥1015Ψ 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0.3m 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53 2005年6月高　电　压　技　术第31卷第6期绝缘板放在云母片上,直径1.0～3.0m m 的铁电球FEB 放置在板中央的圆洞中,εr =660的铁电球和电源频率f ≥4kHz 是产生臭氧的最优条件。

图4　双介质组合材料间隙构造图Fig .4　Gap structure with composite materialUchida ,Takeji 等也发明专利用多于两层压成薄片的云母片覆盖在放电电极上作为接触表面,可延长臭氧发生器在高度潮湿条件下的寿命。

3)有机高分子材料王飞等人用有机高分子材料作为介电体,介电管内径69mm ,壁厚1.2m m ,该材料为性能优良的工程塑料,能在145°C 下连续使用,具有优异的电绝缘、延伸、尺寸稳定、耐化学腐蚀、自熄、阻燃、自重轻、易增强、无毒、卫生、能着色等特性。

其主要电气参数和玻璃、搪瓷的比较见表1[10]。

表1　介电体主要电气参数Tab.1　Electrical parameters of dielectric材料玻璃搪瓷有机高分子材料介电常数εr 2.795.153.0E/(k V m m -1)15.217.930.0 朱天宇等人采用聚碳酸酯作为介电体代替玻璃,使用空气作为气源时,单管臭氧生产速率、单位面积、生产速度及臭氧质量浓度均可达到较高水平,电能消耗率较低,运行经济性较好[11]。