對(duì)臭氧應(yīng)用技術(shù)中幾個(gè)問題的探討

1、對(duì)臭氧應(yīng)用技術(shù)中幾個(gè)問題的探討 收稿日期：2006-09-19 作者簡(jiǎn)介：易正湘（1944-），男，湖南沅陵人，武漢科技大學(xué)中南分校信息工程學(xué)院教授。 （武漢科技大學(xué)中南分校 信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430223） 摘 要：分析了產(chǎn)生臭氧與產(chǎn)生離子的微觀區(qū)別；探討了電源頻率對(duì)高頻沿面放電臭氧發(fā)生器效率的影響；提醒注意防范臭氧污染。 關(guān)鍵詞：臭氧發(fā)生器；負(fù)離子發(fā)生器；高頻電源 目前廣泛應(yīng)用臭氧來處理污水、房間殺菌、冷庫防霉，家用的消毒柜、洗衣機(jī)也有采用臭氧來消毒殺菌的。臭氧發(fā)生器與使居室內(nèi)空氣質(zhì)量得以改善的負(fù)離子發(fā)生器（很多空調(diào)都附有這樣的裝置以使空氣清新）的工作原理都是基于氣體在高電壓下的放

2、電。對(duì)于臭氧發(fā)生器，我們希望它產(chǎn)生臭氧的效率高，而對(duì)于負(fù)離子發(fā)生器，我們又希望它盡可能不要產(chǎn)生有害于環(huán)境的臭氧。怎樣設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)，施加多大的電壓，采用多高的頻率才能達(dá)上述到目的呢？本文從理論與實(shí)驗(yàn)兩方面對(duì)此問題進(jìn)行了探討。同時(shí)指出使用臭氧時(shí)需注意的問題。 1 氣體放電產(chǎn)生臭氧與產(chǎn)生離子的微觀區(qū)別 氣體放電產(chǎn)生臭氧與產(chǎn)生離子的前提都是在電極上加高壓后，電極附近氣體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下電離。對(duì)帶正電的電極，正離子受其斥力飛離開形成離子流；對(duì)帶負(fù)電的電極，電子受其斥力飛離開。電子與離子在電場(chǎng)中被加速，獲得一定的能量，他們與氣體分子相碰撞，還可能引發(fā)許多反應(yīng)，其中我們感興趣的有： a.電子吸附在氣體分子上形

3、成負(fù)離子，并釋放出結(jié)合能 b.電子與氧原子碰撞，使分子激發(fā)，然后分子分解為一個(gè)中性原子與一個(gè)負(fù)離子，該過程可逆。電子交給氧原子1.131.47ev的能量 由以上反應(yīng)可看出以下幾點(diǎn)： （1）產(chǎn)生臭氧較產(chǎn)生負(fù)離子需要自由電子具有更大的能量，因而在離子發(fā)生器中應(yīng)避免加上過高的電壓。 （2）利用o3易受熱分解的特點(diǎn)，在離子發(fā)生器中，可采用加熱電極的辦法，使電極附近產(chǎn)生的o3分解掉。而在o3發(fā)生器中則可采用冷卻的方法避免o3分解，亦可考慮加大氣壓，使分子密度加大從而加大o3*與第三種分子碰撞的幾率。 （3）游離電子的產(chǎn)生有多種方法。如強(qiáng)電場(chǎng)作用下使氣體電離及帶負(fù)電的電極場(chǎng)致發(fā)射等。氣體電離難免有o3產(chǎn)生

4、，采用場(chǎng)致發(fā)射的方法產(chǎn)生低能電子，避免電暈放電的出現(xiàn)，可減小o3產(chǎn)生。 2 高頻沿面放電臭氧發(fā)生器的電源頻率是否越高越好 在高頻沿面放電臭氧發(fā)生器中，氣體電離后，電子和離子都可以被加速,這樣電源提供的能量除了分配給電子外，還要分配給離子。由于離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子的質(zhì)量，可以想象得到，電子在電場(chǎng)中得到的速率會(huì)遠(yuǎn)大于離子，因而得到的能量較離子多。這就是高頻沿面放電較直流高壓型產(chǎn)生臭氧效率要高的原因。那么是否頻率越高，電子得到的能量就越多呢？下面先從理論上作一定性估算，然后看實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 設(shè)帶電粒子所在處電場(chǎng)強(qiáng)度為e(x)=e0(x)cost，則粒子受力為f=qe(x)cost,粒子在交變力作用下一

5、般作往復(fù)振蕩，設(shè)其振蕩中心為x0,在一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度變化不大，以e0(x0)近似表示e0(x),有 由上式知，速率與m0有關(guān)，同樣的電源頻率下，m0越大，最大速率越小，故在交變電源作用下，離子的速率總是小于電子的。但頻率也不是越大越好，頻率過大時(shí)，又會(huì)使電子的m0過大，達(dá)不到所需速率。所以電源頻率并非越高越好，而是有一個(gè)適中的值。 為了從實(shí)驗(yàn)上加以檢驗(yàn)，我們自制了一個(gè)小型臭氧發(fā)生器電源，其電路框圖如圖1所示。其中的方波發(fā)生器采用555定時(shí)器為核心，方波頻率及占空比均可調(diào)。 我們用st-16型示波器測(cè)試其頻率及波型，同時(shí)觀察臭氧片放電情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電源頻率在25-40khz范圍

6、時(shí)放電現(xiàn)象明顯，電源輸出電流1a左右；電源頻率為10khz以下及90khz以上時(shí)，均無放電現(xiàn)象，且電源輸出電流較大，為1.5a-1.8a左右。說明頻率適中時(shí)，不僅臭氧產(chǎn)生率高，效率也高。順便提及，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，占空比小時(shí)效率相對(duì)高些。 3 注意對(duì)臭氧污染的防范 臭氧不僅能殺滅病菌病毒，對(duì)人的機(jī)體同樣也會(huì)起作用。根據(jù)文獻(xiàn)3所述，當(dāng)大氣中的臭氧濃度0.15mg/m3時(shí),即可引起鼻和喉頭粘膜的刺激。臭氧濃度在0.211.07 mg/m3時(shí)引起哮喘發(fā)作，導(dǎo)致上呼吸道疾病惡化，同時(shí)也刺激眼睛，使視覺敏感度和視力降低。濃度達(dá)到2.14mg/m3以上時(shí)，可引起頭疼、肺氣腫等，其作用與no2相似。 此外，臭氧還能

7、阻礙血液輸氧功能，造成組織缺氧；并使甲狀腺功能受損，骨骼早期鈣化。還可引起潛在性的全身影響，誘發(fā)淋巴細(xì)胞染色體畸變，損害某些酶的活性和產(chǎn)生溶血反應(yīng)等。 在使用臭氧處理水，進(jìn)行空氣消毒、冷庫防霉、保鮮等場(chǎng)合，一定要與人隔絕。人們?cè)试S接觸的濃度應(yīng)不大于0.2mg/m3(0.09ppm)。對(duì)于產(chǎn)生臭氧的裝置要有完善的定時(shí)與濃度選擇功能。對(duì)于水處理中尾氣應(yīng)采用化學(xué)吸附催化法或熱分解法來分解剩余臭氧，以免臭氧進(jìn)入空氣造成污染。對(duì)于市場(chǎng)上出售的簡(jiǎn)易臭氧水處理裝置要在有蓋的箱體中進(jìn)行使用。對(duì)于房間空氣殺菌，應(yīng)等待臭氧自然分解（在空氣中臭氧的半衰期約為30分鐘），濃度下降到允許值時(shí)才能進(jìn)入。實(shí)驗(yàn)人員調(diào)試敞開式臭氧發(fā)生器時(shí)，應(yīng)在通風(fēng)處操作，以防吸