王 珊，薛洪寶

(蚌埠醫(yī)學(xué)院，安徽蚌埠 233030)

放電等離子體臭氧發(fā)生技術(shù)的工藝研究

王 珊，薛洪寶

(蚌埠醫(yī)學(xué)院，安徽蚌埠 233030)

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

等離子體放電；臭氧；工藝研究

臭氧作為一種強(qiáng)催化劑和強(qiáng)氧化劑，已普遍應(yīng)用于飲用水、食品的消毒滅菌、城市空氣凈化、降低環(huán)境污染、食物的保鮮、防霉、洗浴、美容、保健、養(yǎng)魚、澆花、工業(yè)上除臭等領(lǐng)域。隨著我國(guó)工業(yè)的飛速發(fā)展，臭氧的大量生產(chǎn)勢(shì)在必行[1-3]。

上個(gè)世紀(jì)，人們通常生產(chǎn)獲取臭氧是采用熱化學(xué)方法。雖然熱化學(xué)理論所計(jì)算得到的臭氧率(產(chǎn)生臭氧的能量利用效率)理論值是1200 g/(kW·h)，可實(shí)際生產(chǎn)中只有4%～12%的轉(zhuǎn)換比。剩余的能量都轉(zhuǎn)化成了熱量逸散，實(shí)際產(chǎn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論值[4-6]。21世紀(jì)以來，為了提高密封容器中臭氧濃度和產(chǎn)率，使生產(chǎn)成本降低，科學(xué)家們進(jìn)行了眾多的學(xué)術(shù)研討交流。隨著理論研究不斷進(jìn)行，技術(shù)工藝不斷完善，其中主要研究方向集中在不同的原料、相關(guān)的氣體、不同的電極形式、不同的反應(yīng)介質(zhì)、電極材料以及放電形式等方面[7]。等離子體放電過程中產(chǎn)生臭氧的基本原理是：含氧氣體在放電反應(yīng)器內(nèi)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(yīng)形成臭氧分子，同時(shí)也發(fā)生著臭氧的分解反應(yīng)[8]。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)設(shè)備和材料

本試驗(yàn)過程中使用的主要設(shè)備和材料如表1所示。

1.2 試驗(yàn)原理

本實(shí)驗(yàn)采用密封式放電，放電形式采用針—網(wǎng)板型電極。針—網(wǎng)板型電極的優(yōu)勢(shì)在于需要的反應(yīng)容器較小，對(duì)實(shí)驗(yàn)中外加電場(chǎng)的電壓的需求要比其他類型的電極低得多，在實(shí)驗(yàn)裝置的組裝方面更為便捷、安全性高，同時(shí)便于對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。

表1 試驗(yàn)主要設(shè)備與材料一覽表

以臭氧濃度為指標(biāo)，先分別控制5個(gè)單一因素(電壓、氣體流速、電極規(guī)格、電極材料、電極間距)得到臭氧濃度的變化規(guī)律，再選取適當(dāng)影響因素和數(shù)據(jù)段，采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)選。

1.3 試驗(yàn)流程

本試驗(yàn)裝置的搭建參照以下流程圖(圖1)進(jìn)行，虛線表示氣體流通線路，點(diǎn)劃線表示通電線路。

圖1 試驗(yàn)流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 控制因素——放電電壓

本次試驗(yàn)過程以放電電壓為控制變量，以電極材料、電極規(guī)格、氣體流量和電極間距為定量，具體試驗(yàn)參數(shù)見表2。

注：電極材料用C表示；電極規(guī)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(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制趨勢(shì)圖(圖2)。

圖2 以電壓為變量臭氧生成趨勢(shì)圖

由圖2可知，在一定范圍內(nèi)，產(chǎn)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(shí)間為130 s時(shí)基本趨于平緩，變化波動(dòng)非常小。說明放電電壓對(duì)于空氣中等離子體放電產(chǎn)生濃度穩(wěn)定的臭氧氣體所需的時(shí)間影響較小，穩(wěn)定時(shí)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(chǎng)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(jìn)氧分子分解為氧原子，有助于臭氧的生成。

2.2 控制因素——?dú)怏w流速

本次試驗(yàn)過程以氣體流量為控制變量，以電極材料、電極規(guī)格、放電電壓和電極間距為定量，具體試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 試驗(yàn)參數(shù)表

注：電極材料用C表示；電極規(guī)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(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制趨勢(shì)圖(圖3)。

圖3 以氣體流速為變量臭氧生成趨勢(shì)圖

根據(jù)圖3可以看出，當(dāng)氣體流速為0.2 L/min時(shí)，臭氧濃度較小且基本不變。當(dāng)氣體流速大于0.2 L/min時(shí)，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(wěn)定所需的時(shí)間也加長(zhǎng)。氧氣與臭氧之間的轉(zhuǎn)換是可逆的，在密封的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)，若氣體的流速過小，氧氣含量不足，是制約臭氧產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。隨著空氣流速逐漸增大，氧氣供給充足，有利于反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，臭氧生成效率快速提高。

2.3 控制因素——電極規(guī)格

本次試驗(yàn)過程以電極規(guī)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(yàn)參數(shù)如見表4。

表4 試驗(yàn)參數(shù)表

注：電極材料用C表示；電極規(guī)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(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的趨勢(shì)圖(圖4)。

圖4 以電極規(guī)格為變量臭氧生成趨勢(shì)圖

根據(jù)圖4及試驗(yàn)現(xiàn)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(xiàn)象越明顯，生成臭氧的濃度也越高，臭氧濃度達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)。針—網(wǎng)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(jìn)了高能電子的產(chǎn)生，同步增加了高能電子的數(shù)量，進(jìn)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(yàn)過程以電極材料為控制變量，以電極規(guī)格、氣體流量、電極間距和放電電壓為定量，具體試驗(yàn)參數(shù)見表5。

表5 試驗(yàn)參數(shù)表

注：電極材料用C表示；電極規(guī)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(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制趨勢(shì)圖(圖5)。

圖5 以電極材料為變量臭氧生成趨勢(shì)圖

根據(jù)圖5及試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，相同放電電壓下，相同規(guī)格的鐵電極放電現(xiàn)象比較微弱，銀、銅電極的放電現(xiàn)象要強(qiáng)烈許多。銅電極產(chǎn)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(duì)于臭氧濃度達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間影響很小，穩(wěn)定時(shí)間基本在1 min內(nèi)?？赡茔~、銀導(dǎo)電效率要遠(yuǎn)大于鐵，因此銅電極、銀電極產(chǎn)生的臭氧濃度遠(yuǎn)大于鐵電極。

2.5 控制因素——電極間距

本次試驗(yàn)過程以電極間距為控制變量，以電極材料、電極規(guī)格、氣體流量和放電電壓為定量，具體試驗(yàn)參數(shù)見表6。

表6 試驗(yàn)參數(shù)表

注：電極材料用C表示；電極規(guī)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(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制趨勢(shì)圖(圖6)。

圖6 以放電間距為變量臭氧生成趨勢(shì)圖

根據(jù)圖6及試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，隨著電極間距不斷減小，電極產(chǎn)生的火花放電越明顯，生成的臭氧濃度越大，越容易生成穩(wěn)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(zhì)，進(jìn)行電火花放電。

2.6 三水平四因素正交實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)以臭氧量為指標(biāo)采用三水平四因素的正交試驗(yàn)法進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)選，具體試驗(yàn)參數(shù)見表7。

按照表7的參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制趨勢(shì)圖(圖7)。

表7 正交試驗(yàn)參數(shù)表

圖7 正交試驗(yàn)臭氧生成趨勢(shì)圖

根據(jù)正交試驗(yàn)過程觀察到，銅電極、銀電極、鐵電極表現(xiàn)出不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，其中銅銀電極的放電電壓要求很低，30 V就可以進(jìn)行微弱放電，但鐵電極在40 V電壓時(shí)才開始進(jìn)行微弱的電極放電；同時(shí)電極間距對(duì)放電現(xiàn)象的影響也比較大，其中電極間距越小，放電產(chǎn)生的細(xì)絲狀電火花越明顯，從數(shù)據(jù)上顯示則是臭氧的生成變化越大；氣體流速實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯。

對(duì)正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算結(jié)果見表8和表9。

表8 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表9 方差分析表

圖8 因素與指標(biāo)趨勢(shì)圖

根據(jù)表8極差數(shù)據(jù)可得出，因素主次關(guān)系是：電壓>電極材料>電極間距>氣體流速。各因素優(yōu)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(yōu)化組合為A1B3C3D2。

根據(jù)表9和圖8可以得出，本試驗(yàn)各因素對(duì)指標(biāo)的顯著性依次是電壓、電極材料、電極間距、氣體流速。優(yōu)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(jié)果一致，因此正交試驗(yàn)的最優(yōu)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(jié)與討論

本試驗(yàn)采用針—網(wǎng)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(guī)律。試驗(yàn)過程中先采用單因素控制變量法逐個(gè)探究各因素對(duì)臭氧產(chǎn)生的影響，再設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)明確各影響因素的顯著性和優(yōu)化的水平組合。本文研究結(jié)論是：等離子體放電過程中產(chǎn)生的臭氧濃度與放電電壓、氣體流速呈正相關(guān)性，與放電間距呈負(fù)相關(guān)性。銅電極放電產(chǎn)生臭氧的效果最好，依次是銀電極、鐵電極。正交試驗(yàn)結(jié)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(yōu)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(yàn)過程中還將空氣濕度作為研究變量，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，增大空氣濕度對(duì)臭氧的生成影響較小，甚至有抑制臭氧產(chǎn)生的趨勢(shì)。

本試驗(yàn)的研究方案具有一定局限性，如試驗(yàn)氣體只有空氣一種，所選取的電極材料和電極規(guī)格有限等。放電環(huán)境中氧氣濃度、不同氣體的協(xié)調(diào)作用、不同電極材料等因素對(duì)臭氧生成的影響值得進(jìn)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(fā)展指導(dǎo)性項(xiàng)目“藥用高純胰島素提取工藝研究及成果轉(zhuǎn)化”(20160331)；安徽省高等教育振興計(jì)劃重大教學(xué)改革研究項(xiàng)目“工程教育專業(yè)認(rèn)證背景下制藥工程專業(yè)創(chuàng)新人才培養(yǎng)教學(xué)改革研究”(2015zdjy101)；蚌埠醫(yī)學(xué)院本科教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目“制藥工程示范實(shí)驗(yàn)中心”(2016sxzx01)；蚌埠醫(yī)學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目“制藥工程專業(yè)實(shí)踐教學(xué)模式創(chuàng)新和實(shí)習(xí)基地建設(shè)改革與實(shí)踐”(jyxm1506)；蚌埠醫(yī)學(xué)院自然科學(xué)基金面上項(xiàng)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(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師，從事制藥工程研究。