新型臭氧發(fā)生器的研制及應(yīng)用
1 前言
新型臭氧水處理裝置利用沿面放電臭氧產(chǎn)生技術(shù)，將臭氧發(fā)生器由以往的點(diǎn)線放電產(chǎn)生臭氧改變成為沿介質(zhì)表面放電，使得通過(guò)電介質(zhì)表面降溫冷卻成為簡(jiǎn)單可行，降低或消除了由于臭氧發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高溫，避免了臭氧再分解，從而提高了臭氧的產(chǎn)生量，降低了能耗。在放電電源方面，采用了具有高效率、小型化的靜止變頻電源，使臭氧發(fā)生器小型化,強(qiáng)化了電暈放電。
2 高壓高頻電源制作
選用大功率晶體管IGBT作為DC-AC半橋變換器的開關(guān)器件。用軟開關(guān)技術(shù)降低反向恢復(fù)特征的要求，采用20kHz的脈沖高頻變壓器以降低因損耗而產(chǎn)生的熱效應(yīng)，提高器件的穩(wěn)定性和臭氧的產(chǎn)生效率。同時(shí)利用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）調(diào)節(jié)脈寬以改變輸出基波電壓的幅值。經(jīng)過(guò)整流、濾波、逆變、升壓，能產(chǎn)生前沿小于60ns，脈沖半寬約為250ns，重復(fù)頻率0~20kHz可調(diào)，電壓0~10kV可調(diào)的高壓脈沖電源。電路流程見(jiàn)圖1。
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圖1 高壓脈沖電源流程
圖2沿面放電電極斷面結(jié)構(gòu) |
3 沿面放電電極制作
本實(shí)驗(yàn)裝置采用陶瓷作為臭氧發(fā)生器電極的絕緣材料，采用管式放電電極，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
在金屬管外壁涂覆1層陶瓷（厚0.5mm），陶瓷表面鑲上多條平行的細(xì)線狀電極（總長(zhǎng)10.5m，厚50～60µm），管內(nèi)壁再涂覆1層陶瓷作為接地電極，以增加其機(jī)械強(qiáng)度。放電管內(nèi)徑32mm，管中通入冷卻水，以降低臭氧發(fā)生時(shí)放電空間的溫度，避免臭氧的分解，提高臭氧的產(chǎn)生效率。
4 實(shí)驗(yàn)方法
臭氧水處理流程見(jiàn)圖3。
干燥后的空氣進(jìn)入放電室，在納秒級(jí)脈沖高壓的作用下分解，形成臭氧氣體。產(chǎn)生的臭氧氣體通過(guò)由渦流混合器與填料塔組成的高效混合裝置，混合器可產(chǎn)生較強(qiáng)的負(fù)壓將高濃度的臭氧氣體完全吸入，使水在混合器內(nèi)充分霧化，成為非常微細(xì)的激化小顆粒，增加了臭氧在水中的溶解和附著面積，大大提高臭氧水濃度、產(chǎn)量，混合效率增加20%左右。混合后的殘余臭氧氣體通過(guò)尾氣吸收器變成氧氣排出。
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1—無(wú)油空壓機(jī)；2—干燥器；3—高壓脈沖電源；4—示波器；5—流量計(jì)；6—放電室；7—流量計(jì)； 8—原水池；9—臭氧檢測(cè)儀；10—混合裝置；11—儲(chǔ)水罐 |
圖3 水處理實(shí)驗(yàn)流程
5 結(jié)果和討論
5.1 峰值電壓的影響
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圖4 臭氧產(chǎn)量與峰值電壓的關(guān)系 |
從圖4可以看出，峰值電壓為4kV～9kV，臭氧的產(chǎn)生量與放電電壓成線性增加關(guān)系。當(dāng)峰值電壓超過(guò)9kV左右,這種增加趨勢(shì)才逐漸減緩。這是由于當(dāng)臭氧濃度增大，由電子碰撞作用引發(fā)的臭氧分解也明顯，高濃度領(lǐng)域內(nèi)的臭氧產(chǎn)生效率急劇下降。因此要求有良好的冷卻裝置，而且放電的電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)該有一最優(yōu)的值，在這一值下，使臭氧再分解的低能電子的生成受到抑減，臭氧產(chǎn)生率達(dá)到最大。
5.2 放電頻率的影響
控制反應(yīng)氣體流速為1.5L/min，調(diào)節(jié)放電頻率，考察臭氧的生成情況，結(jié)果見(jiàn)圖5。
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圖5不同頻率下電壓與臭氧產(chǎn)量關(guān)系 |
圖5不同頻率下電壓與臭氧產(chǎn)量關(guān)系
由圖5可知，在頻率較低時(shí)，隨放電電壓的升高，3條曲線有著相同的上升趨勢(shì)，臭氧的產(chǎn)量直線增加; 高頻情況下，產(chǎn)量的上升率以及所達(dá)到的最大值均要高于低頻情況。當(dāng)頻率為15kHz、電壓為7kV時(shí)，臭氧產(chǎn)生量達(dá)到了最大值。
實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)臭氧發(fā)生器的出口溫度超過(guò)一定的溫度（50~52℃）時(shí)，臭氧的產(chǎn)量開始下降，臭氧的分解會(huì)變得比較顯著。
5.3 CODcr、BOD5的去除
將本裝置用于醫(yī)院污水的處理。由于醫(yī)院污水中含有雜質(zhì)，因此在處理前先進(jìn)行預(yù)處理。操作條件見(jiàn)表1。
表1 處理前后參數(shù)對(duì)照
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本系統(tǒng)通過(guò)增加放電強(qiáng)度以及采用高效混合系統(tǒng)，臭氧水濃度可達(dá)8.35g/m3，考慮到運(yùn)行成本，將臭氧水濃度穩(wěn)定在5.3g/m3。
在通入濃度為6.5mg/L臭氧氣體，流量為2.0L/min的情況下，對(duì)廢水中的CODcr、BOD5進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果見(jiàn)圖6~7。
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圖6 水中CODcr的變化曲線
圖7 水中BOD5的變化曲線 |
由圖6可以看出，水氣接觸30min后，醫(yī)院污水CODcr值由2980mg/L降到850mg/L，去除率達(dá)到71.47%。在15℃情況下，前10min內(nèi)水中CODcr的含量下降很快，去除率達(dá)到了42.2%。然后CODcr去除效果緩慢下降。這時(shí)即使加大臭氧的濃度，效果也不明顯。溫度為25℃下CODcr的去除效果較為緩慢，主要是因?yàn)闇囟鹊纳呒铀倭怂谐粞醯姆纸猓档土顺粞蹩偟难趸芰Α?/p>
圖7可以看出，臭氧對(duì)水中BOD5去除效果弱于CODcr去除效果。在前20minBOD5值有一緩慢的下降過(guò)程，隨后有所增加，在20min氧化時(shí)間內(nèi)，BOD5去除率為45%。
同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，臭氧氧化作用與溶液pH值密切相關(guān)。在酸性條件下，臭氧氧分子直接參加氧化反應(yīng)，臭氧分子與發(fā)色基團(tuán)的>C=C<鍵反應(yīng)。在堿性條件下，臭氧與水作用生成的·OH自由基破壞芳香族化合物的苯環(huán)。因此用臭氧處理醫(yī)院污水，在酸性條件下顏色的去除率比堿性條件下要高50%。
6 結(jié)論
6.1 本臭氧產(chǎn)生裝置由于采用高頻脈沖放電電源，降低了發(fā)生器的工作電壓，提高了裝置的可靠性和耐久性。在此條件下沿面放電臭氧發(fā)生法的3個(gè)參數(shù)：產(chǎn)量、濃度、能量得率可以分別達(dá)到較高的值。
6.2 應(yīng)用臭氧處理污水中的CODcr、BOD5、色度等均可達(dá)到較高的去除率，處理后的污水達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。
作者陳剛，男，1972年生，1995年畢業(yè)于華東船舶工業(yè)學(xué)院電氣自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)江蘇大學(xué)環(huán)境工程碩士研究生。
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