臭氧發(fā)生器功率越大臭氧濃度為什么下降了

在使用臭氧發(fā)生器時，將臭氧發(fā)生器功率調的越大臭氧濃度反而下降了？為什么呢？該論文對其進行了研究，“介質阻擋放電過程中臭氧生成性能試驗研究”。

摘要：采用高頻高壓等離子體電源對圓管形放電室進行放電試驗，研究了放電電壓、氧氣體積流量和氧氣體積分數等關鍵參數對臭氧生成的影響.結果表明：臭氧質量濃度隨放電電壓的升高而不斷增加，但當放電電壓繼續(xù)升高時，溫度升高引起臭氧分解加速，很終導致臭氧質量濃度下降；氧氣體積流量增加，臭氧質量濃度減小，在氧氣體積流量為１L/min時，臭氧質量濃度高可以達到１３８g/m3，臭氧電耗先減少后增加；氮氣的存在會增大擊穿電壓，因此氧氣質量濃度越高，越容易被電離，臭氧質量濃度越高，臭氧電耗越低。

一、放電電壓對臭氧產生的影響

如前所述，臭氧形成的基礎是氧氣分子受到電子的碰撞產生氧原子，氧原子與氧氣分子碰撞產生臭氧分子.目前，普遍認為放電過程中臭氧的生成反應和分解反應主要通過式(３)～式(６)進行.前２個反應為臭氧的生成反應，反應速率分別為

放電電壓的增加可以提高臭氧生成反應式(３)和式(４)的反應速率，但溫度升高會降低臭氧生成反應的反應速率，同時提高臭氧分解反應式(５)和式(６)的反應速率.

式中：Ｍ為第三體.

為研究放電電壓對臭氧生成的影響，在氣源為氧氣時，通過試驗得到不同氧氣體積流量下臭氧質量濃度隨放電電壓的變化規(guī)律，如圖４所示.由圖４可知，隨著放電電壓的升高，臭氧質量濃度大體上呈現持續(xù)升高的趨勢，當氧氣體積流量為１L/min時，臭氧質量濃度高可以達到１３８g/m3.這是由于放電電壓的升高使得電場中電子能量密度增大，從而提高了氧原子的生成速率，促進臭氧的生成.但是，隨著放電電壓的不斷升高，臭氧質量濃度增大的幅度逐漸減小.在氧氣體積流量為１L/min時，當放電電壓超過３.６KV時，臭氧質量濃度出現了下降的趨勢.引起這一變化的原因是放電電壓升高導致放電室溫度升高，臭氧生成的反應速率下降，而臭氧分解的反應速率上升，加速了式(５)和式(６)的進程.由于電源的限制，放電電壓無法繼續(xù)升高，但體積流量大于２L/min以上的工況均未出現這一現象.由于氧氣體積流量的增加，放電空間內氧氣分子增加，進而電離出更多氧原子，臭氧生成總量增加.同時氧氣體積流量的增加可以加快放電間隙熱量的散失，在一定程度上降低放電室溫度，使臭氧質量濃度開始下降時對應的放電電壓變大，因此可以預測當放電電壓繼續(xù)升高時，高氧氣體積流量下的臭氧質量濃度也會下降.綜上所述，在實際應用中如果盲目地升高放電電壓，臭氧質量濃度下降的同時會增加能耗，因此合理控制放電電壓尤為重要.大規(guī)模工業(yè)臭氧發(fā)生裝置需在滿足臭氧質量濃度需求的條件下使臭氧電耗優(yōu)化.

二、氧氣體積流量對臭氧生成的影響

不同氧氣體積流量下的臭氧質量濃度如圖５所示.由圖５可知，氧氣體積流量越大，臭氧質量濃度越小.氧氣體積流量的影響主要包括２個方面：(１)氧氣體積流量直接影響氧氣在放電室的停留時間，氧氣體積流量越大，停留時間越短，氧氣分子與電子以及氧氣分子與激發(fā)態(tài)氧原子發(fā)生碰撞的機會越少，導致臭氧質量濃度下降；(２)氧氣體積流量增大可以促進放電室內的對流換熱，降低放電室溫度，使臭氧生成反應速率上升，臭氧分解反應速率下降，導致臭氧質量濃度上升.但是對流換熱對促進放電室溫度降低的作用很小，前者一直占主導地位，因此氧氣體積流量越大，臭氧質量濃度越小.

臭氧電耗是臭氧生成能耗的直接參數，根據式(１)和式(２)計算出臭氧質量流量和臭氧電耗隨氧氣體積流量的變化，如圖６和圖７所示.當放電電壓相對較低(如２.６４KV和２.８８KV)時，氧氣體積流量的增加雖然使臭氧質量濃度下降，但氣體體積流量的增加使臭氧生成總量有所上升.隨著氧氣體積流量的不斷增加，放電能耗相應增加，因此臭氧電耗隨氧氣體積流量的增加先降低后提高，在２L/min時達到低為０.０１１４(ｋＷ·ｈ)／ｇ.當放電電壓較高(如３.１２KV和３.３６KV)時，臭氧質量流量和臭氧電耗在氧氣體積流量達到２L/min以后呈現出穩(wěn)定的趨勢.

三、氧氣體積分數對臭氧生成的影響

工業(yè)上可利用高純氧或空氣作為氣源制備臭氧，但與高純氧氣源相比，利用空氣源制備臭氧所需成本較低.由于空氣源中含有部分氮氣，為了探尋氣源中氮氣的存在對臭氧制備的影響，開展了不同氧氣體積分數時Ｏ２／Ｎ２混合氣下放電生成臭氧的試驗.試驗中取氣體總體積流量為１L/min，通過控制氮氣和氧氣的體積流量達到所需的氧氣體積分數，試驗結果如圖８所示.由圖８可知，隨著氧氣體積分數的增加，臭氧質量濃度不斷上升，原因在于氮氣的加入一方面使得擊穿電壓升高，氧氣體積分數越高，越容易被電離，導致放電室內氧原子濃度增加，進而有利于臭氧的生成；另一方面，氮氣的存在使得放電過程中產生部分ＮＯｘ，進而導致臭氧質量濃度下降.空氣中氧氣體積分數約為２１％，相應結果應與圖８中２０％氧氣體積分數工況接近，臭氧質量濃度始終低于１０g/m3.此外，氧氣體積分數上升導致臭氧質量濃度下降時對應的放電電壓變大，當氧氣體積分數高于６０％時，在試驗范圍內，臭氧質量濃度隨放電電壓的增大持續(xù)上升.氧氣體積分數越低，臭氧質量濃度越低，隨著放電電壓的增大，臭氧分解反應越占主導地位，臭氧質量濃度開始下降時對應的放電電壓越小.但如第２.１節(jié)所述，隨著放電電壓繼續(xù)增大，即便氧氣體積分數高的工況也會出現臭氧質量濃度下降的現象.

圖９為不同氧氣體積分數下的臭氧電耗.可以看到，相同放電電壓下，臭氧電耗隨氧氣體積分數的增加呈現明顯的下降趨勢.空氣源下(接近圖９中２０％氧氣體積分數工況)放電制備臭氧的電耗始終高于０.１(ｋＷ·ｈ)／ｇ，遠高于氧氣源下放電制備臭氧的電耗.因此，工業(yè)應用應當首選氧氣源下放電制備臭氧.目前，通常采用分子篩技術制備氧氣，氧氣體積分數一般在９０％以上，從圖９中數據可看出，體積分數為９０％的氧氣作為氣源制備臭氧的電耗(０.０２０(ｋＷ·ｈ)／ｇ)略高于純氧作為氣源制備臭氧的電耗(０.０１８(ｋＷ·ｈ)／ｇ).

四、結論

（１）臭氧質量濃度隨放電電壓的增大不斷上升，但當放電電壓升高到一定值以后，臭氧質量濃度始下降.在氧氣體積流量為１L/min時，臭氧質量濃度高可以達到１３８g/m3.

（２）臭氧質量濃度隨著氧氣體積流量的增加不斷下降，臭氧質量濃度在低放電電壓時隨氧氣體積流量的增加略有上升，在高放電電壓時隨氧氣體積流量的增加先上升后趨于穩(wěn)定.

（３）氧氣體積分數越高，臭氧質量濃度越高，臭氧電耗越低.２０％氧氣體積分數下（接近空氣源）放電制備臭氧的質量濃度低于１０g/m3，臭氧電耗高于０.１（ｋＷ·ｈ）／ｇ.