仇少萍

（上海海迅機電工程有限公司， 上海 201111）

采用SPE膜技術(shù)的高濃度臭氧制造設備

仇少萍

（上海海迅機電工程有限公司， 上海 201111）

闡述了臭氧的消毒機理，制取方法和應用現(xiàn)狀。介紹了用于制造臭氧的SPE膜電解純水設備。

臭氧；無聲放電法；SPE膜電解法

0 概述

臭氧是一種廣譜消毒滅菌劑， 可用于殺滅水中的病毒、細菌、藻類等各種微生物，還具有除臭、脫色、降解水中酚、砷、氰化物、有機磷農(nóng)藥以及錳、汞等重金屬離子等有害物質(zhì)的功能。 美歐等發(fā)達國家已有數(shù)百家水廠和數(shù)百萬個游泳池使用臭氧作為消毒殺菌劑，我國上海世博會供水和許多具有舉辦國際賽事資質(zhì)的游泳池亦采用臭氧消毒。現(xiàn)今，臭氧消毒在船舶上也開始應用，船舶壓載水處理系統(tǒng)用于滅殺海水中各種生物，船舶冷卻水處理系統(tǒng)中用來清洗管路、 改善水質(zhì)以及防止藻類等生物的滋生，船舶生活污水處理系統(tǒng)中用于BOD5、COD及活性污泥的減量，在日用淡水和飲用水系統(tǒng)中用于水質(zhì)的消毒保鮮。

臭氧是一種強氧化劑，在常溫下臭氧分子可以分解為一個氧原子和一個氧分子。即：O3→O2+O

氧原子具有極強的氧化作用，可以氧化、分解微生物內(nèi)部的葡萄糖所必須的酶，也可直接與微生物發(fā)生氧化反應，破壞其細胞壁和核糖核酸，分解 DNA、蛋白質(zhì)和多糖等大分子聚合物，使細胞發(fā)生通透性畸變而導致細胞死亡。臭氧在水中對細菌、病毒、藻類等生物滅殺率高、速度快且不產(chǎn)生有害的二次衍生物，是我國衛(wèi)生部門及國際衛(wèi)生組織推薦的消毒殺菌劑之一。

制備臭氧的方法，目前最常用的是無聲放電法[1]，該法包函了電暈法和高頻陶瓷面放電法，而產(chǎn)生臭氧最多的是電暈法。該方法沿襲了雷擊現(xiàn)象產(chǎn)生臭氧的方式，在一定的放電間隙內(nèi)利用一萬伏特以上的高壓放電所產(chǎn)生的熱能激發(fā)氧分子聚合成臭氧分子。此方法的工藝流程較為復雜、設備也比較多，典型工藝流程如下：

以空氣為原料直接制造臭氧：

空氣→凈化設備→壓縮機壓縮→冷凍除濕→吸附干燥→電暈法制造臭氧。

如以氧氣為原理制造臭氧，以上工藝流程中尚需增加制氧機制作氧氣。直接利用空氣制造臭氧，產(chǎn)生濃度一般為2%～4%，由于空氣中含有78%氮氣，在電暈過程中將產(chǎn)生有害的氮氧化物，對環(huán)境產(chǎn)生二次污染[2]。若采用氧氣作原材料，可獲得清潔的高濃度為4%～6%的臭氧。電暈法對氣源和工作環(huán)境的清潔度和干燥度要求高，在海洋環(huán)境條件下，空氣中的鹽度和濕度都比較大，將直接影響臭氧的生產(chǎn)效率和設備的使用壽命。

近年來國際上出現(xiàn)了一種新穎的電解純水制造臭氧技術(shù)，即固態(tài)聚合物電解質(zhì)膜生成臭氧技術(shù)，與常規(guī)的電暈法制造臭氧比較具有能量效率高、濃度高、純度高、電極壽命長、不會產(chǎn)生有害二次衍生物的二次污染，無高頻輻射噪聲等特點。

1 固體聚合物電解質(zhì)(SPE)膜產(chǎn)生臭氧設備簡介

固體聚合物電解質(zhì)膜(以下簡稱SPE膜)技術(shù)，最早起源于美國通用電器公司為空間計劃(NASA)而開發(fā)的低溫燃料電池技術(shù)，用固體聚合物電解質(zhì)取代液體電解質(zhì)，將電極催化顆粒直接附著在杜邦膜上形成固體聚合物電解質(zhì)復合膜，使電化學反應和分離融為一體，不存在液體電解液的電壓降和離子交換膜的選擇性分離作用，使反應過程具有很高的能量效率。此技術(shù)用于電化學制造臭氧具有能量效率高、產(chǎn)氣濃度高和電機壽命長等一系列特點。

用 SPE膜電解純水制造臭氧是在一個獨立的電解室的純水介質(zhì)中進行的，圖1是一個SPE膜電解室的結(jié)構(gòu)簡圖。其中SPE膜和陰極催化劑、陽極催化劑復合成的膜電極為MEA組件，是保證臭氧發(fā)生系統(tǒng)進行電化學反應的核心組件，是當前各國科學家研究試驗的重點課題。臭氧的發(fā)生過程在一個獨立的系統(tǒng)內(nèi)進行，所以不受外部環(huán)境，如溫度、壓力和濕度等因素的影響。

圖1 SPE膜電解室的結(jié)構(gòu)簡圖

SPE膜電解純水制解臭氧機的工作原理，如圖2所示。這是一個電化學過程，在專用電源的驅(qū)動下通過陰極催化劑和陽極催化劑的作用，將水H2O分解為O3和H2， 其化學反應式為：

在水中由于氫的分子量比較小，因此電化學過程中H2O是微量?？赏ㄏ♂尯笾苯优旁诳諝庵谢蛴脤Ｓ迷O備直接吸收，裝置以微量的純水(電導率≤5 μs/cm)高效率制取高濃度，高純度臭氧，整個過程在一個獨立的電解室內(nèi)進行。幾乎不受外部環(huán)境條件的影響，沒有二次有害衍生物生成，無高頻輻射噪聲。

相比電暈法制取臭氧設備，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)簡單、體積緊湊等特點，為該項技術(shù)推廣到船舶及海洋工程提供了有利條件。表1為SPE膜電解制取臭氧與常規(guī)電暈法制臭氧的比較表。

圖2 SPE膜點解純水制取臭氧工作原理圖

在國外有美、德等國家的產(chǎn)品報道，其中以美國杜邦公司的 SPE膜產(chǎn)品最為著名。國內(nèi)有許多大專院校如西安交大、浙江工業(yè)大學、武漢大學等開展了 SPE膜的研究試驗工作。其中武漢大學化學系電化學專業(yè)有關(guān)科研組進行長達數(shù)年的研究試驗和推廣應用工作。從小型高濃度臭氧發(fā)生機的理論研究，實踐直到現(xiàn)在已研究出工業(yè)用大型高濃度臭氧發(fā)生機，有關(guān)技術(shù)申請了多項專利。在2013年 5月上海環(huán)博會上已看到某廠家用武漢大學專利制造的產(chǎn)品。據(jù)介紹該SPE 膜臭氧制取裝置產(chǎn)量達1kg/h，氣體濃度＞20%。工作壽命可達3萬小時，絕天氫氧化物二次污染，產(chǎn)品的性能已達到較高的水平。國內(nèi)生產(chǎn) SPE膜電解水臭氧發(fā)生機的企業(yè)主要集中浙江、江蘇、湖北及上海等地，大多采用武漢大學的某某專利進行生產(chǎn)。日本尼可尼流體系統(tǒng)(上海)有限公司也開始研制SPE膜臭氧水制取裝置，產(chǎn)品已進入醫(yī)療衛(wèi)生和食品制造系統(tǒng) ?？深A先采用該項新技術(shù)的消毒滅菌裝置會逐步被人們認識，并進一步在船舶海洋工程行業(yè)推廣使用。

表1 SPE膜電解法制取臭氧和常規(guī)電暈法制取臭氧的比較表

2 SPE膜臭氧制造裝置的應用實例

圖3是某礦泉水制造廠使用SPE膜臭氧制取裝置瓶裝[3]礦泉水消毒保鮮工藝中的應用實例。在礦泉水灌裝之前一定要使出廠產(chǎn)品水的臭氧濃度達到3～4 mg/L，以保證礦泉水在長期貯存條件下水不會變質(zhì)。圖3中SPE膜臭氧制取機由小型純水機供水在應急情況由瓶裝純水供給。SPE膜臭氧制取機生成的臭氧氣體進入混合泵將臭氧氣體和礦水進行高效混合。混合泵選用日本尼可尼或德國產(chǎn)品，達到一定濃度后進行灌裝。

3 結(jié)語

臭氧是高效消毒滅菌劑，在日用淡水和飲用水系統(tǒng)中用于水質(zhì)的消毒保鮮是一種很好的方式。目前，用 SPE膜電解純水制造臭氧技術(shù)已趨于成熟，具有較好適用性,可向船舶海洋工程行業(yè)推廣使用。

圖3 某礦泉水廠灌裝線消毒保鮮工藝

[1] 劉穎隆, 羅躍蜀. 無聲放電制取臭氧[J]. 重慶環(huán)境科學,1982(2): 36-39.

[2] 技術(shù)監(jiān)督局. GB15981-1995消毒與滅菌效果的評價方法和標準[S].

[3] 儲金宇. 臭氧技術(shù)及應用[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2003.

DNV GL發(fā)布新版移動式海工平臺入級規(guī)范

“我們的目標是通過關(guān)注操控性、透明度和效率來推動入級規(guī)范的發(fā)展。此外，要確保最新的最佳實踐和創(chuàng)新技術(shù)都能迅速被業(yè)界采用。最終的結(jié)果是為了提高安全性。”DNV G L海工平臺入級總監(jiān)Kenneth Vareide說。

除了新的加強入級規(guī)范的格式和可選加強系統(tǒng)符號，新入級規(guī)范還包括了業(yè)界首次基于壓力管理鉆井系統(tǒng)和寒帶作業(yè)冬化功能管理的入級要求。

如控制/管理壓力的鉆井法、油氣田里的泥漿壓力控制系統(tǒng)等先進鉆井技術(shù)在移動鉆井平臺上已經(jīng)越來越普遍?！斑@樣的系統(tǒng)需要有嚴格的安全性，之前沒有任何針對安全開發(fā)和使用的標準或設計規(guī)范存在，”Vareide說，“新的規(guī)范包括了管理壓力鉆井系統(tǒng)的要求、相關(guān)安全系統(tǒng)的解釋，以及井障礙和絞車的要求?！?/p>

該規(guī)范的第二個業(yè)界首創(chuàng)是基于新的DNV 海工標準OS-A201寒帶作業(yè)冬化要求的功能。Vareide說，“我們介紹了功能性的和基于作業(yè)表現(xiàn)的條件來加強之前制定的規(guī)范。這使船東們在選擇冬化層次和冬化溫度時更具靈活性?！?/p>

可選擇的加強系統(tǒng)（ES）符號以經(jīng)濟效益為主的方式提供額外的安全性和可靠性，為希望在市場上有所差異化的船東和船廠提供清晰的整體方案。例如ES符號的范圍中包括了月池區(qū)域火災的相關(guān)風險，這沒有包括在國際海事組織（IMO）《2009年海上移動式鉆井平臺構(gòu)造和設備規(guī)則》（MODU Code）中。

DNV GL預計在2014年再次更新移動式海工平臺入級規(guī)范。

High Concentration Ozone Production Equipment Using SPE Membrane Technology

QIU Shao-ping
(Shanghai Haixun Mechanical and Eelectronic Engineering Company Limited, Shanghai 201111, China)

This paper describes the mechanism, production methods and application status of ozone disinfection. SPE membrane electrolytic equipment used in the production of ozone is introduced.

ozone;silent discharge method;SPE membrane electrolysismethod

TB34

A

仇少萍（1959-）， ，工程師。研究方向：船舶電氣設計。