电极材料及放电间隙结构对臭氧合成影响的实验研究

发布时间：2020-07-31 13:48

【摘要】：臭氧因其强氧化性、环保性等优点大量地被应用于诸多领域。利用介质阻挡放电(DBD)等离子体制备臭氧是应用最为广泛的方法。目前商用DBD臭氧发生器臭的氧制取能效距离理论值相差甚远,浓度普遍较低。提高臭氧制取能效的核心在于提高等离子体离解氧气分子产生氧原子的效率,利用催化方法降低氧气分子离解势能则可能是提高能效的有效途径。等离子体对臭氧分解也是影响臭氧浓度的重要因素,降低氧气分子离解势能的催化剂也极可能催化降解臭氧分子。等离子体影响臭氧合成与分解的关键在于等离子体能量特别是电子能量的时空分布,对其控制的主要手段在于DBD放电间隙结构设计。本论文主要研究了不同材料裸露电极、介质层表面和等离子体对臭氧合成与分解的协同催化作用和不同间隙结构DBD臭氧合成的效果。主要研究内容和结果如下:1.裸露电极与介质阻挡层表面的催化作用(1)在同轴圆柱型臭氧发生器中,采用裸露不锈钢电极和紫铜电极,通过长时间放电验证了“零臭氧现象”(随放电时间延长臭氧浓度出现明显下降的现象)。“零臭氧现象”是由金属电极表面氧化物对臭氧的催化分解作用引起的,随着放电时间的增加,金属氧化物在电极表面逐渐积累,对臭氧的催化分解作用也随之增强,且铜电极表面催化分解臭氧的能力高于不锈钢电极。(2)在原料气体中添加一定比例的氮气,在等离子体中产生的氮氧化物可以使电极表面金属氧化物失去催化活性,从而抑制或消除“零臭氧现象”;通过不同的间隙和填充颗粒系列实验对比分析,最佳的氮气添加比例和放电区域内的折合场强(平均电子能量)反相关。(3)裸露铜、不锈钢电极表面的金属氧化物与γ-Al2O3介质阻挡层表面在DBD放电中可与等离子体协同作用,在低功率放电或臭氧浓度较小时,催化氧气离解,提高臭氧生成效率;在高功率放电或高臭氧浓度情况下,催化臭氧分解作用要显著强于氧气分解作用,从而降低臭氧浓度和能量效率。2.放电间隙结构对臭氧发生器性能的影响(1)比较了不同间隙宽度的DBD臭氧制备性能,进行了 1 mm～2 mm线性变放电间隙提高臭氧制备效率的尝试。气体从大间隙流向小间隙时,臭氧制取能量效率高于气体反向流动时的能量效率,但两种进气方式的能量效率均低于1 mm DBD,放电功率密度未能合理匹配可能是其原因。(2)比较了不同粒径的颗粒填充DBD臭氧制备性能,在相同的间隙里分段填充不同尺寸的颗粒,结果显示:组合颗粒填充可以提高填充床臭氧制取能效;气体流向从大颗粒填充段流向小颗粒填充段时,放电在全管段内均匀发生,能效较高,气体反向流动时,小颗粒段不见放电,能效较低;两者能效都高于小粒径颗粒单独填充DBD。(3)设计了一种三角槽型间隙平板DBD装置,槽深2mm,槽底夹角分别为60°、90°、120°。起始放电位于介质阻挡层顶端与电极接触处,随着施加电压的提高,在固定间隙位置有放电通道,放电通道沿槽型面向下延伸。60°槽板具有最高的臭氧浓度和能效;在实验条件范围内,臭氧制取能效随着电源频率降低而增大。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ123.2
【图文】：

还原电位,氧原子,臭氧

两个成单电子分别和两侧氧原子中自旋反向的未，从而形成两个Ｓ键。中心氧原子中的另一条杂化轨道则被孤，两侧的氧原子也各有一条与该杂化轨道平行的轨道（由一个三条轨道形成了一个由３个氧原子，４个电子构成的离域７１氧的化学性质逡逑的稳定性较差，２５°Ｃ时，在空气中的半衰期仅为２０￣３０ｍｉｎ，速度随温度的上升而增大。也有报道表明臭氧在冰中的半衰期时［３＜。逡逑１．２为常见的氧化剂的氧化还原电位的对比。由此可见，臭氧具化合物中其氧化能力仅次于氯气和高锰酸。除金（Ａｕ）、铂（Ｐｔ）其他绝大部分金属均能被臭氧氧化。此外，臭氧还能与绝大多并生成臭氧化物，在某些条件下分解成酸类物质和醛类物质［５］为氧气，不会对环境造成污染，因此也和过氧化氢等氧化剂一化剂”邋［６］。逡逑氧化还原电位（Ｖ）逡逑

消毒剂,臭氧,自来水厂

展现出对几乎所有病毒、细菌、真菌和其他微生物的灭活效果，因此是逡逑一种广谱高效的灭菌剂和消毒剂［８］。在针对大肠杆菌的实验中，臭氧展示出了极逡逑其优秀的灭活效果（如图１．３所示）［２６］，因此在医院及公共卫生消毒中使用很多。逡逑在家用电器市场，冰箱、空调、洗衣机、洗碗机、空气净化器等电器逐渐增加臭逡逑氧消毒功能，其良好的杀菌消毒效果得到消费者普遍认可。逡逑１０３邋＊逡逑－逦￣￣￣—逦逦逡逑１０＊逦￣逦■邋0３逡逑４邋ｃｙｃ＼ｏ２逡逑Ｉ１。’逦７逦0Ａｇ逡逑＾邋１０？逦—逦ｖ邋ＮＨｊＣＩ逡逑５１０．，一邋＼邋＼邋＼逦。ＨＡ逡逑Ｓ—邋＼、＼＼逡逑１１Ｈ逦—逦ｌｂ逦ａ邋＂ａ逡逑１０＊４逦；邋ｌ邋；邋ｌ邋ｌ邋ｌ邋ｊ邋ｌ邋ｉ邋ｌ邋！邋Ｉ邋ｉ邋ｉ邋ｌ邋ｌ邋Ｉ邋ｌ邋ｌ逡逑１０＾邋１0－１邋１０°邋１０１邋１0２邋１0３邋１0＊邋１０＊邋１0？邋１0ｒ邋１0８逡逑Ｔｉｍｅ邋（ｍｉｎ）逡逑图１．３几种消毒剂对大肠杆菌的灭活效果对比逡逑在饮用水净化领域，早在１８９７年，法国巴黎的一家自来水厂便开始使用臭逡逑氧对饮用水进行净化消毒［２４］。２０世纪６０年代，臭氧开始大范围地使用，７０年逡逑代，欧洲便有上千家利用臭氧进行饮用水处理的自来水厂，到了邋９０年代，其数逡逑量己经超过２０００家，目前欧洲绝大部分的自来水厂均是利用臭氧进行水处理。逡逑北美国家、澳大利亚、日本等发达国家对臭氧的利用稍晚

介质阻挡放电,臭氧,电解水

第１章绪论用该方法制取臭氧的能效普遍较低，文献报道最高也仅为１２．５邋ｇ／ｋＷＷ１９＿２１电解水氧发生器装置简单，并且由于采用低压直流供电，因此安全性比用合适的电极和电解质，臭氧生成浓度可以达到较高的水平。在臭氧水处，由于臭氧可以直接在水中生成，因此可以最大限度地减少臭氧在水中的而提高处理效率，因此有一定使用。但是，过低的电流效率、电极材料和的不稳定性等因素也限制了电解水臭氧产生系统的广泛使用。逡逑．３．２介质阻挡放电法逡逑．３．２．１介质阻挡放电制臭氧原理逡逑介质阻挡放电法是目前应用最为广泛且最为经济的臭氧制取方法，该方国物理学家Ｓｉｅｍｅｎｓ［２２］所发明，其装置的基本构造如图１．４所示。由于介放电不会产生类似电弧放电时的噪声，因此也称为无声放电（ｓｉｌｅｎｔ邋ｄｉｓｃｈａｒ

【参考文献】