放電等離子體臭氧發生技術的工藝研究

王 珊，薛洪寶

(蚌埠醫學院，安徽蚌埠 233030)

放電等離子體臭氧發生技術的工藝研究

王 珊，薛洪寶

(蚌埠醫學院，安徽蚌埠 233030)

低能耗、高濃度、高產量的臭氧發生技術是目前臭氧發生器的發展趨勢，而利用低溫等離子放電技術獲取高濃度的臭氧是研究方向之一。本文探究的是針—網板型電極產生等離子體過程中臭氧含量的變化規律。試驗過程采用單因素控制變量法和正交試驗法，變量因素有電極材料、放電電壓、空氣流量、電極規格、放電間距等。目的是探究各變量因素對臭氧含量的影響因子，明確優化的工藝參數，以獲得低成本、高濃度的臭氧發生技術。

等離子體放電；臭氧；工藝研究

臭氧作為一種強催化劑和強氧化劑，已普遍應用于飲用水、食品的消毒滅菌、城市空氣凈化、降低環境污染、食物的保鮮、防霉、洗浴、美容、保健、養魚、澆花、工業上除臭等領域。隨著我國工業的飛速發展，臭氧的大量生產勢在必行[1-3]。

上個世紀，人們通常生產獲取臭氧是采用熱化學方法。雖然熱化學理論所計算得到的臭氧率(產生臭氧的能量利用效率)理論值是1200 g/(kW·h)，可實際生產中只有4%～12%的轉換比。剩余的能量都轉化成了熱量逸散，實際產率遠遠達不到理論值[4-6]。21世紀以來，為了提高密封容器中臭氧濃度和產率，使生產成本降低，科學家們進行了眾多的學術研討交流。隨著理論研究不斷進行，技術工藝不斷完善，其中主要研究方向集中在不同的原料、相關的氣體、不同的電極形式、不同的反應介質、電極材料以及放電形式等方面[7]。等離子體放電過程中產生臭氧的基本原理是：含氧氣體在放電反應器內所形成的低溫等離子體氛圍中，一定能量的自由電子將氧分子分解成氧原子，之后通過三體碰撞反應形成臭氧分子，同時也發生著臭氧的分解反應[8]。

1 試驗方案

1.1 試驗設備和材料

本試驗過程中使用的主要設備和材料如表1所示。

1.2 試驗原理

本實驗采用密封式放電，放電形式采用針—網板型電極。針—網板型電極的優勢在于需要的反應容器較小，對實驗中外加電場的電壓的需求要比其他類型的電極低得多，在實驗裝置的組裝方面更為便捷、安全性高，同時便于對實驗現象的觀察和試驗數據的測量。

表1 試驗主要設備與材料一覽表

以臭氧濃度為指標，先分別控制5個單一因素(電壓、氣體流速、電極規格、電極材料、電極間距)得到臭氧濃度的變化規律，再選取適當影響因素和數據段，采用L9(34)正交實驗進行數據優選。

1.3 試驗流程

本試驗裝置的搭建參照以下流程圖(圖1)進行，虛線表示氣體流通線路，點劃線表示通電線路。

圖1 試驗流程圖

2 試驗結果與分析

2.1 控制因素——放電電壓

本次試驗過程以放電電壓為控制變量，以電極材料、電極規格、氣體流量和電極間距為定量，具體試驗參數見表2。

注：電極材料用C表示；電極規格用Φ(mm)表示；氣體流量用L(L/min)表示；電極間距用H(mm)表示；放電電壓用U(V)表示。

按照表格2的參數進行試驗，根據試驗數據繪制趨勢圖(圖2)。

圖2 以電壓為變量臭氧生成趨勢圖

由圖2可知，在一定范圍內，產生的臭氧濃度隨著電壓的升高而增大。此外不同電壓下臭氧濃度的變化在放電時間為130 s時基本趨于平緩，變化波動非常小。說明放電電壓對于空氣中等離子體放電產生濃度穩定的臭氧氣體所需的時間影響較小，穩定時間大約3 min。電壓影響臭氧生成的原因可能是：電子從外加電場取得能量大小將決定氧分子的分解及電離比，外加電壓增大，促進氧分子分解為氧原子，有助于臭氧的生成。

2.2 控制因素——氣體流速

本次試驗過程以氣體流量為控制變量，以電極材料、電極規格、放電電壓和電極間距為定量，具體試驗參數見表3。

表3 試驗參數表

注：電極材料用C表示；電極規格用Φ(mm)表示；氣體流量用L(L/min)表示；電極間距用H(mm)表示；放電電壓用U(V)表示。

按照表3的參數進行試驗，根據試驗數據繪制趨勢圖(圖3)。

圖3 以氣體流速為變量臭氧生成趨勢圖

根據圖3可以看出，當氣體流速為0.2 L/min時，臭氧濃度較小且基本不變。當氣體流速大于0.2 L/min時，生成的臭氧氣體濃度隨氣體流速增大而增大，且臭氧趨于穩定所需的時間也加長。氧氣與臭氧之間的轉換是可逆的，在密封的環境中進行試驗，若氣體的流速過小，氧氣含量不足，是制約臭氧產生的關鍵因素。隨著空氣流速逐漸增大，氧氣供給充足，有利于反應向正反應方向進行，臭氧生成效率快速提高。

2.3 控制因素——電極規格

本次試驗過程以電極規格為控制變量，以電極材料、氣體流量、放電電壓和電極間距為定量，具體試驗參數如見表4。

表4 試驗參數表

注：電極材料用C表示；電極規格用Φ(mm)表示；氣體流量用L(L/min)表示；電極間距用H(mm)表示；放電電壓用U(V)表示。

按照表4的參數進行試驗，根據試驗數據繪制的趨勢圖(圖4)。

圖4 以電極規格為變量臭氧生成趨勢圖

根據圖4及試驗現象可以得出，相同材料不同直徑的電極在相同條件下放電，直徑越大放電現象越明顯，生成臭氧的濃度也越高，臭氧濃度達到穩定所需的時間越長。針—網板型電極在放電過程中，電極的直徑越大，電極(陽極與陰極)之間的接觸面積也就越大，這樣也就促進了高能電子的產生，同步增加了高能電子的數量，進而增加了臭氧的生成效率。

2.4 控制因素——電極材料

本次試驗過程以電極材料為控制變量，以電極規格、氣體流量、電極間距和放電電壓為定量，具體試驗參數見表5。

表5 試驗參數表

注：電極材料用C表示；電極規格用Φ(mm)表示；氣體流量用L(L/min)表示；電極間距用H(mm)表示；放電電壓用U(V)表示。

按照表5的參數進行試驗，根據試驗數據繪制趨勢圖(圖5)。

圖5 以電極材料為變量臭氧生成趨勢圖

根據圖5及試驗現象可以看出，相同放電電壓下，相同規格的鐵電極放電現象比較微弱，銀、銅電極的放電現象要強烈許多。銅電極產生的臭氧濃度最高，銀電極次之，鐵電極最低。此外不同電極材料對于臭氧濃度達到穩定所需的時間影響很小，穩定時間基本在1 min內。可能銅、銀導電效率要遠大于鐵，因此銅電極、銀電極產生的臭氧濃度遠大于鐵電極。

2.5 控制因素——電極間距

本次試驗過程以電極間距為控制變量，以電極材料、電極規格、氣體流量和放電電壓為定量，具體試驗參數見表6。

表6 試驗參數表

注：電極材料用C表示；電極規格用Φ(mm)表示；氣體流量用L(L/min)表示；電極間距用H(mm)表示；放電電壓用U(V)表示。

按照表6的參數進行試驗，根據試驗數據繪制趨勢圖(圖6)。

圖6 以放電間距為變量臭氧生成趨勢圖

根據圖6及試驗現象可以看出，隨著電極間距不斷減小，電極產生的火花放電越明顯，生成的臭氧濃度越大，越容易生成穩定的臭氧。放電間距越小，越有利于電極電壓擊穿阻擋的氣體介質，進行電火花放電。

2.6 三水平四因素正交實驗

本次試驗以臭氧量為指標采用三水平四因素的正交試驗法進行工藝參數的優選，具體試驗參數見表7。

按照表7的參數進行試驗，根據試驗數據繪制趨勢圖(圖7)。

表7 正交試驗參數表

圖7 正交試驗臭氧生成趨勢圖

根據正交試驗過程觀察到，銅電極、銀電極、鐵電極表現出不同的實驗現象，其中銅銀電極的放電電壓要求很低，30 V就可以進行微弱放電，但鐵電極在40 V電壓時才開始進行微弱的電極放電；同時電極間距對放電現象的影響也比較大，其中電極間距越小，放電產生的細絲狀電火花越明顯，從數據上顯示則是臭氧的生成變化越大；氣體流速實驗現象并不明顯。

對正交試驗的數據進行處理，計算結果見表8和表9。

表8 正交試驗數據處理結果

表9 方差分析表

圖8 因素與指標趨勢圖

根據表8極差數據可得出，因素主次關系是：電壓>電極材料>電極間距>氣體流速。各因素優化水平為：電極材料k1；氣體流速為k3；電壓為k3；電極間距為k2。因此工藝的優化組合為A1B3C3D2。

根據表9和圖8可以得出，本試驗各因素對指標的顯著性依次是電壓、電極材料、電極間距、氣體流速。優選組合為：50 V電壓、銅電極、電極間距0.8 cm、氣體流速1.0 L/min。

由于以上2種分析結果一致，因此正交試驗的最優化方案為電壓50 V、銅電極、電極間距0.8 cm、氣體流速1.0 L/min。

3 總結與討論

本試驗采用針—網板型放電的形式探討等離子體放電過程中臭氧濃度的變化規律。試驗過程中先采用單因素控制變量法逐個探究各因素對臭氧產生的影響，再設計正交試驗明確各影響因素的顯著性和優化的水平組合。本文研究結論是：等離子體放電過程中產生的臭氧濃度與放電電壓、氣體流速呈正相關性，與放電間距呈負相關性。銅電極放電產生臭氧的效果最好，依次是銀電極、鐵電極。正交試驗結果表明，各因素顯著性依次是電壓>電極材料>電極間距>氣體流速，優水平組合是50 V電壓、銅電極、電極間距0.8 cm、氣體流速1.0 L/min。試驗過程中還將空氣濕度作為研究變量，根據試驗數據得出，增大空氣濕度對臭氧的生成影響較小，甚至有抑制臭氧產生的趨勢。

本試驗的研究方案具有一定局限性，如試驗氣體只有空氣一種，所選取的電極材料和電極規格有限等。放電環境中氧氣濃度、不同氣體的協調作用、不同電極材料等因素對臭氧生成的影響值得進一步探討。

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TheProcessResearchofPlasmaDischargeSynthesisTechnologyofOzone

WANG Shan, XUE Hong-bao

(Bengbu Medical College, Bengbu Anhui 233030, China)

The development trend of ozone generator is the energy-saving technology producing high concentration and yield ozone. One of the research directions is the low temperature plasma discharge technology.The electrode type used in this paper is needle-mesh type. This study adopts single factor control variable method and the orthogonal test. It focuses on electrode material, discharge voltage, air flow rate, electrode specification and discharge distance, etc. The purpose is to explore the factors affecting ozone content,define the optimized process parameters and obtain ozone generation technology with low cost and high concentration.

plasma discharge; ozone; process research

O461

A

2095-7602(2017)12-0057-08

2017-10-02

蚌埠市科技發展指導性項目“藥用高純胰島素提取工藝研究及成果轉化”(20160331)；安徽省高等教育振興計劃重大教學改革研究項目“工程教育專業認證背景下制藥工程專業創新人才培養教學改革研究”(2015zdjy101)；蚌埠醫學院本科教學質量工程項目“制藥工程示范實驗中心”(2016sxzx01)；蚌埠醫學院教學研究項目“制藥工程專業實踐教學模式創新和實習基地建設改革與實踐”(jyxm1506)；蚌埠醫學院自然科學基金面上項目“低溫等離子體凈化藥廠廢氣中丙酮的研究”(BYKY1666)。

王 珊(1990- )，女，助教，碩士，從事制藥工程研究。

薛洪寶(1979- )，男，副教授，高級工程師，碩士生導師，從事制藥工程研究。