臭氧工業(yè)應用中能量消耗分析

      廢水臭氧化的能耗主要取決于臭氧的產(chǎn)生和氣液接觸反應的維持。理論上，生產(chǎn)1200 g臭氧的用電量為1千瓦時電力，對應的能耗為0.82千瓦時/kg O3 (Alonso et al. 2005)。然而，在現(xiàn)實中，只有一小部分電力被用來產(chǎn)生臭氧，而大部分以熱的形式消耗，當氧氣含量較低的空氣被送入時，電力損失更為顯著。例如，Eliasson et al. (1987)，根據(jù)玻爾茲曼方程計算出氧氣進料臭氧產(chǎn)率很高為33% (400 g O3/kWh)，干燥空氣進料臭氧產(chǎn)率很高為17% (200 g O3/kWh)。然而，實際臭氧發(fā)生器在充入純氧時的臭氧生成效率約為130 g O3/kWh，遠低于熱力學計算(Chang et al. 1991)，但在特定運行條件下可以達到較高的臭氧生成效率。因此，大約10%的電能被用于臭氧的產(chǎn)生，主要是受無聲放電過程副反應的限制。在經(jīng)濟方面，臭氧生產(chǎn)成本估計為2.32 $/kg O3，工業(yè)用電收費標準為0.093 $/ kWh，因此產(chǎn)生臭氧的電耗約為25 kWh/kg O3，由空氣供應(He et al. 2003)。

上圖：專為工業(yè)廢水的深??度處理設計的中試規(guī)模的臭氧/紫外線流化床反應器的示意圖（A）和實際圖（B）（1：儲罐，2-3：臭氧/紫外線流化床反應器， 4：濾池，5：尾氣破壞反應器，6：噴射泵，7：紫外線燈，8：空氣壓縮機，9：臭氧發(fā)生器，10：樣品入口，11：樣品出口，12：臭氧空氣，13：氣體入口14：尾氣出口;改編自Lin et al.2014a）。

下圖：用于連續(xù)流廢水處理的實驗室規(guī)模的PCD設備的示意性配置（經(jīng)過Ajo等人2015的許可改編。美國化學會2015年版權所有）。

       除了維持接觸反應外，還涉及將氣態(tài)臭氧從臭氧發(fā)生器傳輸?shù)椒磻鳎约坝沙粞鯕馀蒡寗拥臍怏w攪動還消耗大量的能量用于廢水臭氧化。據(jù)分析，對于費城貝爾蒙特水處理廠的臭氧處理系統(tǒng)，臭氧產(chǎn)生，臭氧與水的接觸，設備維護和預熱系統(tǒng)的能耗比分別為67.1％，21.2％，8.9％和2.8。相對于總能量輸入的百分比（Bean 1959）。很近，越來越多的研究嘗試通過與其他物理化學技術的結合來降低與有機污染物進行臭氧化的能效，有機污染物的定義是與其他物理化學技術相結合，這是指單位質(zhì)量污染物或去除的DOC所消耗的能量，與表11相比。觀察到的協(xié)同效應與非催化臭氧化相比，組合技術可以增強自由基種類的產(chǎn)生，從而消除污染物，因此可以提高相同能量輸入下的能源效率。 Mehrjouei等（2014年）表明，通過光催化臭氧化（TiO2 / UVA / O3）去除單位濃度草酸的能量效率分別比催化臭氧化（TiO2 / O3）和光催化（TiO2 / UVA / O2）低兩倍和九倍?；旧险f來，TiO2 / UVA / O3產(chǎn)生很高的˙OH收率，這是由于臭氧顯著地捕獲了導電電子，從而能夠抑制光生電荷的復合?；诔粞醯募夹g的能源效率也可以通過每單位質(zhì)量DOC所消耗的能量來評估。 Kopf等（2000年）報道TiO2 / UV / O3，TiO2 / UV和O3降解一氯乙酸的能量效率分別為5.4、19和110 kWh / g DOC，這歸因于負責任的聯(lián)合技術的協(xié)同效應。用于改善˙OH的生成。