放电等离子体臭氧发生技术的工艺研究

王 珊，薛洪宝

(蚌埠医学院，安徽蚌埠 233030)

放电等离子体臭氧发生技术的工艺研究

王 珊，薛洪宝

(蚌埠医学院，安徽蚌埠 233030)

低能耗、高浓度、高产量的臭氧发生技术是目前臭氧发生器的发展趋势，而利用低温等离子放电技术获取高浓度的臭氧是研究方向之一。本文探究的是针—网板型电极产生等离子体过程中臭氧含量的变化规律。试验过程采用单因素控制变量法和正交试验法，变量因素有电极材料、放电电压、空气流量、电极规格、放电间距等。目的是探究各变量因素对臭氧含量的影响因子，明确优化的工艺参数，以获得低成本、高浓度的臭氧发生技术。

等离子体放电；臭氧；工艺研究

臭氧作为一种强催化剂和强氧化剂，已普遍应用于饮用水、食品的消毒灭菌、城市空气净化、降低环境污染、食物的保鲜、防霉、洗浴、美容、保健、养鱼、浇花、工业上除臭等领域。随着我国工业的飞速发展，臭氧的大量生产势在必行[1-3]。

上个世纪，人们通常生产获取臭氧是采用热化学方法。虽然热化学理论所计算得到的臭氧率(产生臭氧的能量利用效率)理论值是1200 g/(kW·h)，可实际生产中只有4%～12%的转换比。剩余的能量都转化成了热量逸散，实际产率远远达不到理论值[4-6]。21世纪以来，为了提高密封容器中臭氧浓度和产率，使生产成本降低，科学家们进行了众多的学术研讨交流。随着理论研究不断进行，技术工艺不断完善，其中主要研究方向集中在不同的原料、相关的气体、不同的电极形式、不同的反应介质、电极材料以及放电形式等方面[7]。等离子体放电过程中产生臭氧的基本原理是：含氧气体在放电反应器内所形成的低温等离子体氛围中，一定能量的自由电子将氧分子分解成氧原子，之后通过三体碰撞反应形成臭氧分子，同时也发生着臭氧的分解反应[8]。

1 试验方案

1.1 试验设备和材料

本试验过程中使用的主要设备和材料如表1所示。

1.2 试验原理

本实验采用密封式放电，放电形式采用针—网板型电极。针—网板型电极的优势在于需要的反应容器较小，对实验中外加电场的电压的需求要比其他类型的电极低得多，在实验装置的组装方面更为便捷、安全性高，同时便于对实验现象的观察和试验数据的测量。

表1 试验主要设备与材料一览表

以臭氧浓度为指标，先分别控制5个单一因素(电压、气体流速、电极规格、电极材料、电极间距)得到臭氧浓度的变化规律，再选取适当影响因素和数据段，采用L9(34)正交实验进行数据优选。

1.3 试验流程

本试验装置的搭建参照以下流程图(图1)进行，虚线表示气体流通线路，点划线表示通电线路。

图1 试验流程图

2 试验结果与分析

2.1 控制因素——放电电压

本次试验过程以放电电压为控制变量，以电极材料、电极规格、气体流量和电极间距为定量，具体试验参数见表2。

注：电极材料用C表示；电极规格用Φ(mm)表示；气体流量用L(L/min)表示；电极间距用H(mm)表示；放电电压用U(V)表示。

按照表格2的参数进行试验，根据试验数据绘制趋势图(图2)。

图2 以电压为变量臭氧生成趋势图

由图2可知，在一定范围内，产生的臭氧浓度随着电压的升高而增大。此外不同电压下臭氧浓度的变化在放电时间为130 s时基本趋于平缓，变化波动非常小。说明放电电压对于空气中等离子体放电产生浓度稳定的臭氧气体所需的时间影响较小，稳定时间大约3 min。电压影响臭氧生成的原因可能是：电子从外加电场取得能量大小将决定氧分子的分解及电离比，外加电压增大，促进氧分子分解为氧原子，有助于臭氧的生成。

2.2 控制因素——气体流速

本次试验过程以气体流量为控制变量，以电极材料、电极规格、放电电压和电极间距为定量，具体试验参数见表3。

表3 试验参数表

注：电极材料用C表示；电极规格用Φ(mm)表示；气体流量用L(L/min)表示；电极间距用H(mm)表示；放电电压用U(V)表示。

按照表3的参数进行试验，根据试验数据绘制趋势图(图3)。

图3 以气体流速为变量臭氧生成趋势图

根据图3可以看出，当气体流速为0.2 L/min时，臭氧浓度较小且基本不变。当气体流速大于0.2 L/min时，生成的臭氧气体浓度随气体流速增大而增大，且臭氧趋于稳定所需的时间也加长。氧气与臭氧之间的转换是可逆的，在密封的环境中进行试验，若气体的流速过小，氧气含量不足，是制约臭氧产生的关键因素。随着空气流速逐渐增大，氧气供给充足，有利于反应向正反应方向进行，臭氧生成效率快速提高。

2.3 控制因素——电极规格

本次试验过程以电极规格为控制变量，以电极材料、气体流量、放电电压和电极间距为定量，具体试验参数如见表4。

表4 试验参数表

注：电极材料用C表示；电极规格用Φ(mm)表示；气体流量用L(L/min)表示；电极间距用H(mm)表示；放电电压用U(V)表示。

按照表4的参数进行试验，根据试验数据绘制的趋势图(图4)。

图4 以电极规格为变量臭氧生成趋势图

根据图4及试验现象可以得出，相同材料不同直径的电极在相同条件下放电，直径越大放电现象越明显，生成臭氧的浓度也越高，臭氧浓度达到稳定所需的时间越长。针—网板型电极在放电过程中，电极的直径越大，电极(阳极与阴极)之间的接触面积也就越大，这样也就促进了高能电子的产生，同步增加了高能电子的数量，进而增加了臭氧的生成效率。

2.4 控制因素——电极材料

本次试验过程以电极材料为控制变量，以电极规格、气体流量、电极间距和放电电压为定量，具体试验参数见表5。

表5 试验参数表

注：电极材料用C表示；电极规格用Φ(mm)表示；气体流量用L(L/min)表示；电极间距用H(mm)表示；放电电压用U(V)表示。

按照表5的参数进行试验，根据试验数据绘制趋势图(图5)。

图5 以电极材料为变量臭氧生成趋势图

根据图5及试验现象可以看出，相同放电电压下，相同规格的铁电极放电现象比较微弱，银、铜电极的放电现象要强烈许多。铜电极产生的臭氧浓度最高，银电极次之，铁电极最低。此外不同电极材料对于臭氧浓度达到稳定所需的时间影响很小，稳定时间基本在1 min内。可能铜、银导电效率要远大于铁，因此铜电极、银电极产生的臭氧浓度远大于铁电极。

2.5 控制因素——电极间距

本次试验过程以电极间距为控制变量，以电极材料、电极规格、气体流量和放电电压为定量，具体试验参数见表6。

表6 试验参数表

注：电极材料用C表示；电极规格用Φ(mm)表示；气体流量用L(L/min)表示；电极间距用H(mm)表示；放电电压用U(V)表示。

按照表6的参数进行试验，根据试验数据绘制趋势图(图6)。

图6 以放电间距为变量臭氧生成趋势图

根据图6及试验现象可以看出，随着电极间距不断减小，电极产生的火花放电越明显，生成的臭氧浓度越大，越容易生成稳定的臭氧。放电间距越小，越有利于电极电压击穿阻挡的气体介质，进行电火花放电。

2.6 三水平四因素正交实验

本次试验以臭氧量为指标采用三水平四因素的正交试验法进行工艺参数的优选，具体试验参数见表7。

按照表7的参数进行试验，根据试验数据绘制趋势图(图7)。

表7 正交试验参数表

图7 正交试验臭氧生成趋势图

根据正交试验过程观察到，铜电极、银电极、铁电极表现出不同的实验现象，其中铜银电极的放电电压要求很低，30 V就可以进行微弱放电，但铁电极在40 V电压时才开始进行微弱的电极放电；同时电极间距对放电现象的影响也比较大，其中电极间距越小，放电产生的细丝状电火花越明显，从数据上显示则是臭氧的生成变化越大；气体流速实验现象并不明显。

对正交试验的数据进行处理，计算结果见表8和表9。

表8 正交试验数据处理结果

表9 方差分析表

图8 因素与指标趋势图

根据表8极差数据可得出，因素主次关系是：电压>电极材料>电极间距>气体流速。各因素优化水平为：电极材料k1；气体流速为k3；电压为k3；电极间距为k2。因此工艺的优化组合为A1B3C3D2。

根据表9和图8可以得出，本试验各因素对指标的显著性依次是电压、电极材料、电极间距、气体流速。优选组合为：50 V电压、铜电极、电极间距0.8 cm、气体流速1.0 L/min。

由于以上2种分析结果一致，因此正交试验的最优化方案为电压50 V、铜电极、电极间距0.8 cm、气体流速1.0 L/min。

3 总结与讨论

本试验采用针—网板型放电的形式探讨等离子体放电过程中臭氧浓度的变化规律。试验过程中先采用单因素控制变量法逐个探究各因素对臭氧产生的影响，再设计正交试验明确各影响因素的显著性和优化的水平组合。本文研究结论是：等离子体放电过程中产生的臭氧浓度与放电电压、气体流速呈正相关性，与放电间距呈负相关性。铜电极放电产生臭氧的效果最好，依次是银电极、铁电极。正交试验结果表明，各因素显著性依次是电压>电极材料>电极间距>气体流速，优水平组合是50 V电压、铜电极、电极间距0.8 cm、气体流速1.0 L/min。试验过程中还将空气湿度作为研究变量，根据试验数据得出，增大空气湿度对臭氧的生成影响较小，甚至有抑制臭氧产生的趋势。

本试验的研究方案具有一定局限性，如试验气体只有空气一种，所选取的电极材料和电极规格有限等。放电环境中氧气浓度、不同气体的协调作用、不同电极材料等因素对臭氧生成的影响值得进一步探讨。

[1]杨春,胡兆吉,魏林生,等.放电等离子体臭氧发生技术研究现状与进展[J].高压电器,2010(9):78-85.

[2]江南.我国低温等离子体研究进展(Ⅰ)[J].物理,2006(2):130-139.

[3]赵会超.低温等离子体技术应用研究[D].南京:南京航空航天大学,2013.

[4]Park J S, Kim K H, Kwon G J, et al. Development of small and efficient Ozone Generators using corona discharge [C].IEEE Proceedings of the Fifth Russian Korean International Symposium on Science and Technology 2001 Tomsk Russia,2001:282-284.

[5]魏林生.等离子体臭氧产生的实验与理论研究[D].杭州:浙江大学,2008.

[6]白希尧,张芝涛,白敏菂,等.臭氧产生方法及其应用[J].自然杂志,2000(6):347-354.

[7]白敏菂,张芝涛,白希尧,等.产生臭氧的等离子体过程及其特性[J].核聚变与等离子体物理,2001(3):183-188.

[8]白敏冬,张芝涛,周晓见,等.气体电离放电产生臭氧等离子体的理论研究[J].大连海事大学学报,2001(3):88-91.

[9]方华.新型低温等离子体臭氧发生器件的应用[J].电子制作,1997(7):19-25.

[10]裴晋昌.低温等离子体物理化学基础及其应用(一)[J].印染,2005(11):39-42.

[11]褚慧敏.低温等离子体作用下臭氧产生过程稳定氧同位素分馏特征与模型计算[D].上海:华东师范大学,2016.

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

蚌埠市科技发展指导性项目“药用高纯胰岛素提取工艺研究及成果转化”(20160331)；安徽省高等教育振兴计划重大教学改革研究项目“工程教育专业认证背景下制药工程专业创新人才培养教学改革研究”(2015zdjy101)；蚌埠医学院本科教学质量工程项目“制药工程示范实验中心”(2016sxzx01)；蚌埠医学院教学研究项目“制药工程专业实践教学模式创新和实习基地建设改革与实践”(jyxm1506)；蚌埠医学院自然科学基金面上项目“低温等离子体净化药厂废气中丙酮的研究”(BYKY1666)。

王 珊(1990- )，女，助教，硕士，从事制药工程研究。

薛洪宝(1979- )，男，副教授，高级工程师，硕士生导师，从事制药工程研究。