臭氧发生器原料气选用及应用效果分析孙广明 王德兴 赵二伏天津市水产研究所 3002211 前言臭氧是用物理方法产生的化学消毒剂，具有高效、广谱、无残余污染及应用方便等特点 在环保、食品、化工、医疗卫生等行业已得到广泛应用臭氧是一种强氧化剂，具有很强的 灭菌消毒、除味、去色、降解有机物的特性应用臭氧进行消毒净化，具有无毒、无害、无 任何残留的特点，臭氧被誉为是当前世界上最洁净的消毒剂水产养殖用水经臭氧处理后， 水质状况得到明显改善，水中有毒、有害物质得到有效降解随着人们对臭氧的深入了解与 认识，目前臭氧在水产养殖和育苗的水质净化中应用日趋广泛在臭氧的应用中原料气的选 择，对臭氧系统运行过程的技术经济性能有重要的影响因此，专题对各种常用气源的基本 特性及应用效果进行分析，有助于人们对臭氧的正确与合理应用2 原料气特性分析 电晕放电法就是一种干燥的气体流过电晕放电区，产生臭氧的方法流过电晕放电区产 生臭氧的气体，我们通常称为原料气常用的原料气体有：氧气、空气、以及含有氮、二氧 化碳，等惰性气体的含氧混合气体由于产生臭氧的原料是氧气，一般臭氧发生器都以洁净 空气或纯氧气为气源，因此气体中氧的含量、气体流量、气体露点，气体中杂质含量等因素 都直接影响设备的臭氧的产量和运行的经济性能。
采用不同的气源，对臭氧发生器的系统结 构，运行特性，经济性能以及应用范围都有较大的影响因此，对原料气的性质进行分析， 对合理、经济的使用臭氧发生器是十分必要的2.1 气源中氧气含量与臭氧产量 气源中氧气含量越高，产生的臭氧浓度也会越高，相应的臭氧产量就越高空气中氧的 含量大约为 21%，气源中氧的浓度增加臭氧产量并非按比例线性增加，尽管纯氧中氧的浓度 约为空气中的 5 倍，实际上气源中氧含量与臭氧产量遵从以下关系[O3] - [O2] 0.5式中 [O3] —— 臭氧化气体中的臭氧含量体积百分数 [O2] —— 气源中氧含量体积百分数纯氧气源臭氧产量 [O ] g [O ]0.5 10.5二 3 2 二 二 2.1空气源臭氧产量 [O ] 乂 [O ]0.5 0.210.532图1 SD臭氧发生器臭氧浓度与气源关系可以看出，采用纯氧为气源所产生的臭氧比空气要高2 倍以上由于空气中含有大量的氮气，因此用空气源 的臭氧发生器更容易产生氮氧化物由试验可知 VD 发生器使用氧气的臭氧产量，比 使用空气高出 2~3 倍对 SD 发生器来说，这个差别 要显著得多，见图1因此SD发生器使用氧气源，更能发挥出其特有的优势。
2.2 气源的露点与臭氧的产量不论使用何种气源，都必须进行干燥与净化，否 则将对臭氧发生器的运行产生严重影响尤其是气源 中所含的水蒸气过多，不但容易产生弧光放电，浪费 电能，还会与气源中的氮气生成 HNO3 等物质从而 会加速臭氧的分解，腐蚀电极及设备的相关部件气 源应保持一定的干燥度，气体的干燥程度以露点温度 表示，图 2-11为空气露点与臭氧生成量的关系由图 所示可以看出，原料气体的干燥程度对臭氧的相对产 量会产生直接的影响，降低露点会有效的提高臭氧的 产量露点降低到- 60°C以下曲线变得平缓，臭氧相 对增加量很少，因此一般要求空气的露点为- 60C2.3 以空气为气源的主要装备与特点使用空气为气源的臭氧发生器系统，需要准备一套供应干燥洁净气体的装置，该套装置 主要包括无油空气压缩机、空气冷凝器、变压吸附干燥器、精密过滤器以及电子控制装置等 设备因此，使用空气为气源需要较大的前期投入费用，一般情况下空气处理系统的前期投 入费用为臭氧发生器的60%〜120%在臭氧发生系统工作时，空气处理系统需要运行费用其能量消耗为，每产生1M 3供臭 氧发生器使用的洁净空气，电能消耗为（1〜1.5） kW/h。
同时，在相同条件下使用空气为气 源的臭氧发生器，臭氧产量仅为以氧气为气源时臭氧产量的 50%以下使用空气为气源的臭氧发生器，由于空气中含有大量的氮气，所以在生产的臭氧化气体 中更容易产生氮氧化物（ NO， NO ， N O， N O ）等物质，这些物质都会对臭氧发生器的正2 2 2 5 常工作产生严重的影响以空气为气源的臭氧发生器所产生臭氧浓度比较低，一般在 12mg/l〜22mg/l 之间，因此不适用于生产高浓度臭氧水臭氧放电室电耗较大，一般为（14〜22） kW • h / （kg臭氧）2.4 以富氧空气为气源以富氧空气为气源是一种较新的工艺，前国内已有多个厂家生产富氧设备，技术趋于成 熟实践证明，以含氧量为 85%以上的气源生产臭氧其效率接近于氧气源富氧生产设备的 主要原理为，采用分子筛吸附空气中的氮，将空气中的氧含量提高到 85%〜95%分子筛所 吸附的氮再用变压吸附再生法解吸，一般有两组分子筛轮流吸附与解吸，从而做到连续的生 产出富氧空气富样机运行时同样消耗能量，其耗电量与空气干燥系统相近2.5 以纯氧为气源采用纯氧为产臭氧发生器气源，能大幅度提高臭氧浓度目前，国内采用氧气源臭氧浓 度一般高于50mg/l，在实验室中得到的臭氧浓度接近300mg/l,目前的应用中较为经济的臭 氧浓度范围在70mg/1〜90mg/l之间。
应用氧气源臭氧发生器的耗电在（7〜122） kW • h / （kg 臭氧）之间由于以氧气为气源可以产生出高浓度臭氧气体，因此生产高浓度臭氧水则变得 更加容易高浓度臭氧还可以完成更高要求的氧化反应，应用范围更加广泛目前，纯氧有气体和液体两种形式供应，采用气体纯氧适用于小型臭氧发生装置，而液 体氧则更适用于中、大型臭氧发生器使用虽然购买氧气需要费用，但在运行中不需要消耗 任何能量，可节约大量电费与人工费成品氧气占用空间小，运行无噪音以及在纯氧中不含 氮气净化程度高，应用纯氧作气源就有效避免氮氧化物的产生，可以有效的延长臭氧放电室 的工作寿命等，这些都是使用成品氧气独到的优势2.6 不同气源的特性与应用比较 采用不同的原料气作为气源，对臭氧发生器的系统结构，运行特性，经济性能以及应用 情况都有较大的影响现列表如下，进行比较表臭氧发生器使用气源情况分析工作状态与指标空气源氧气源除湿净化机富氧机氧气液氧原料气空气富氧气体纯氧气纯氧气气源质量及露点厂C氧气含量21%,需要除 湿设备降低露点氧气含量85〜95%，制 氧设备具有除湿功能氧气含量99.9%以上， 质量好，露点低氧气含量99.9%以上， 质量好，露点低。
配套设备及费用需要变压吸附除湿设 备，投资费用大需要专用制氧设备，投 资费用大购买或租用气瓶，投资 费用低购买液氧专用储液罐， 投资费用中设备运行费用占用空间大，耗电量 大，维护运行费用高占用空间大，耗电量 大，维护运行费用高支付购气费用，使用维 护简便，不消耗电能支付购气费用，使用维 护简便，不消耗电能臭氧浓度12mg/l 〜22mg/l50mg/l 〜80mg/l60mg/1 〜90mg/l60mg/1 〜90mg/1臭氧产量及质量产量低，浓度低，含有 氮氧化物产量较高，浓度较高， 臭氧质量较好产量高，浓度高，臭氧 质量好产量高，浓度高，臭氧 质量好臭氧放电室电耗 为kW • h /kg （臭氧）14 〜228〜147〜127〜12原料气处理设备 电耗 kW • h / M 31 〜1.51 〜1.5无无适用范围大型臭氧设备小型、中型臭氧设备小型臭氧设备大型、中型臭氧设备经济分析1设备投资高2运行电费3操作复杂，维护费高4臭氧产量低1设备投资高2运行电费3操作复杂，维护费高4臭氧产量较高1气瓶购置费2购气费3操作简单，维护费低4臭氧产量高1气瓶购置费2购气费3操作简单，维护费低4臭氧产量高3 小结3.1 采用空气为气源。
原料来自于大气，取之不尽，用之不竭没有成本费用但是需要一整 套空气除湿净化设备，需要较大的投资，操作维护复杂，运行时要消耗电能以空气为原料 气的臭氧发生器，产生的臭氧浓度较低，相应臭氧产量较低，更容易产生氮氧化物目前， 大都用于大、中型臭氧发生器的供气3.2 利用富氧机生产氧气为气源由于富氧机使用的原料为空气，同样没有成本费用但是 富氧设备需要投资，其费用高于空气除湿净化设备，运行维护费用也要高一些近年来，富 氧机制造技术趋于成熟，小型机、中型机规格比较齐全目前国内在中、小型臭氧发生器上 应用有一定的优势应用富氧机产生的臭氧，可以达到较高的浓度，臭氧产量一般是使用空 气源的 2 倍以上在大型臭氧发生器上配套使用，是今后发展方向3.3 使用商品氧气或液氧为气源产生的臭氧浓度高，产量大，质量好，不会产生氮氧化物 在运行过程中维护简便，不消耗电能但是氧气需要向生产厂去购买，购买氧气的费用基本 上可与用空气源的设备运行耗电费用相抵，或略高一些，同时还需要定期更换氧气瓶或液氧 罐在一般情况下，小型臭氧发生器采用瓶装氧气为气源，中型臭氧发生器采用液氧更为经 济在今后的发展过程中，以纯氧为气源会有很强的竞争力。
参考资料[1] 储金宇 等编．臭氧技术及应用．北京：化学工业出版社．2002[2] 徐新华，赵伟荣 编．水与废水的臭氧处理．北京：化学工业出版社．2003[3] 赖斯，涅泽尔A.臭氧技术应用手册•朱庆爽，朱光 译，北京：中国建筑出版社，1991。