8-2 臭氧氧化在线视频

同学们好！在这一讲我们介绍臭氧氧化，首先介绍臭氧的理化性质

第一是臭氧在水中的溶解度

臭氧可以溶解于水中，在水中的溶解度符合亨利定律

由这个式子可以计算臭氧在水中的溶解度

根据亨利定律可知，臭氧在水中的溶解度与臭氧化空气中臭氧的分压呈正比

这里，臭氧化空气是指含有臭氧的空气

但在臭氧化空气中，臭氧占的比例很小，通常只有0.6-1.2%

因此臭氧在水中的溶解度有限

当水温在25℃时，浓解度只有3-7mg/L

第二是臭氧的分解。臭氧不稳定，在常温下容易分解成氧气

臭氧分解速度与温度和pH值有关

当臭氧浓度为3mg/L，在常温常压下，其半衰期仅5-30分钟

第三是臭氧的氧化能力

臭氧是一种很强的氧化剂，它的氧化还原电位与pH值有关

在酸性溶液中为2.07V，在碱性溶液中为1.24V

由于臭氧的强氧化性，可以氧化水中多种有机物和无机物

第四是臭氧的毒性和腐蚀性

高浓度臭氧是有毒气体，因此工作场所规定最大允许臭氧浓度为0.1mg/L

另外除金和铂以外，臭氧化空气对所有金属和非金属材料都有腐蚀

一般在臭氧制造过程中，使用的装置需要考虑防腐，通常采用不锈钢材料

下面介绍臭氧的氧化作用机理

臭氧氧化作用机理涉及两方面，一是臭氧本身对水中杂质的直接氧化作用

由这个反应式可以知道，臭氧具有很强的氧化性

它的氧化还原电势在酸性条件下为2.07

因此可以直接对水中的有机物和无机物进行氧化

第二是羟基自由基的氧化作用

臭氧在水中的反应非常复杂，会产生羟基自由基和其他各种自由基

羟基自由基具有很高的氧化能力，氧化还原电势为2.8V

可以直接与有机物发生氧化反应

因此，臭氧可以通过直接氧化和臭氧产生的羟基自由基对水中杂质进行氧化

第三介绍臭氧的制备

臭氧的制备包括化学法、电解法、紫外光法、无声放电法等

无声放电法在工业上应用最广泛，下面介绍无声放电法的原理

这是无声放电法生产臭氧的原理图

在一个内壁涂有石墨的玻璃管外，套一个不锈钢管，组成放电装置

将高压交流电加在石墨层和不锈钢管之间形成放电电场

玻璃管作为介电体，防止两个电极之间产生火花放电

由于介电体的阻碍，只有极小的电流通过电场

即在介电体表面的凸点上发生局部放电

由于不能产生电火花，因此称为无声放电

当氧气或空气通过放电介质时，在高速电子流的轰击下

一部分氧原子就会被转变为臭氧，其反应方程如下所示

同时生成的臭氧也可能会分解成氧气

由于臭氧的分解，会使生成的臭氧化空气中臭氧含量较低

当以空气为原料时，生成的臭氧化空气中的臭氧按体积比计算一般只占0.6-1.2%

利用氧气生成臭氧的总反应可以用下式表示

可以看出，这个反应需要消耗大量的电能

生产1摩尔臭氧需要144.4 kJ，即每生产1kg的O3需要消耗0.836度电

而在实际生产臭氧过程中，95%的电能都变成了光能和热能

因此，生产1kg的O3实际需要消耗更高的电能，一般需要15-20度电

因此，臭氧生产非常耗能

如何提高臭氧的生产量，降低生产成本，是水处理领域十分关注的研究课题

下面介绍臭氧发生器

无声放电臭氧发生器的种类很多

按照结构，有板式和管式电极两种形式

管式又分为立管和卧管式。这个图表示了多管卧式臭氧发生器的结构图

它的外形像一个管式热交换器，内部装有几十甚至上百根放电管

每组放电管由两根同心圆管组成，外管为不锈钢管，内管为玻璃管，玻璃管的内壁涂有石墨电极

在金属圆筒两端各焊有一个孔板，用于安装放电管

同时把金属圆筒分隔成两个室，一个是进气分配室，一个是臭氧化空气收集室

这两个室都与放电间隙连通

空气进入进气室，通过不锈钢管和玻璃管的放电空间

进行放电后从臭氧化空气收集室中排出，从而得到臭氧化空气

在两块孔板和不锈钢外壁之间为冷却室的通道

冷却水从进口流入，从出口流出，以带走在放电过程中产生的热量

保持装置温度不至于上升过高，影响臭氧产量

这是实际的臭氧发生器的装置照片图

下面介绍影响臭氧产率的主要因素

一是电极电压，臭氧产量与电压二次方成正比，提高电压可以提高产量

但电压过高容易造成介电体被击穿，一般电极电压控制在15-20kV

第二是电极温度，臭氧产生浓度随电极温度升高而降低

因此如何对装置进行冷却是提高臭氧化空气中臭氧浓度的关键

第三是介电体，单位电极表面的臭氧产量与介电体常数成正比，与介电体厚度成反比

第四是施加的交流电频率，提高交流电频率，可以增加放电次数，从而可以提高臭氧产量

第五是放电间隙，放电间隙越小，越容易放电

但间歇过小，对介电体或电极表面要求越高，所以放电间隙一般采用2-3.5mm

下面介绍臭氧接触反应器，首先介绍接触反应器的选择原则

在臭氧氧化过程中，首先需要臭氧向水中进行扩散

然后再与水中杂质发生氧化反应，因此臭氧的氧化过程实际上属于化学吸收过程

与相间传质速率与化学反应速率有关

当水中的杂质与臭氧的化学反应速率较快时

整个氧化过程受传质速率的控制

因此臭氧接触反应器应有利于臭氧传质，如静态混合器等

当水中的杂质与臭氧的化学反应速率较慢时

整个氧化过程受化学反应速率控制

因此臭氧接触反应器应有利于反应的充分进行

如多孔扩散板反应器、塔板反应器等

这是多孔扩散式反应器，根据水流和臭氧化空气的方向，又分为同向流和逆向流两种模式

在同向流中，进水和臭氧化空气的通气方向一致

在逆向流中，水流和臭氧化空气的通气方向相反

同向流反应器应用最早，其缺点是底部臭氧浓度高，原水杂质浓度也高

大部分臭氧在底部被易于氧化的杂质消耗掉

而上部臭氧浓度低，水中残留的杂质难以被氧化

因此出水水质不够理想，并且臭氧利用率低

而在异向流反应器中，在底部高浓度臭氧与低浓度杂质反应，可以提高出水水质

在上部低浓度臭氧与高浓度杂质接触，可以提高臭氧利用率

因此，这种反应器应用更加广泛

塔板式反应器有筛板塔和泡罩塔两种，其结构示意图如图所示

在塔内还设有多层塔板，每层塔板设有溢流堰和降液管

通过筛板和泡罩的设置，可以使臭氧化空气与水充分接触，以提高反应速率

静态混合器也叫管式混合器，是在管道内安装许多螺旋桨叶片

以促使臭氧化空气和原水充分混合

这种静态混合器的传质能力强，臭氧利用率高，能耗少，设备费用低，使用比较广泛

下面介绍臭氧在水处理中的应用

臭氧是水处理中应用最为广泛的化学氧化法之一

在饮用水处理中，对微污染水源水中的微量有机物有较好的去除效果

可以与活性炭联合使用去除嗅味等物质

而在工业废水处理中，可以用于印染废水、含氰废水、含酚废水等的处理

其主要目的是用于脱色、分解难降解有机物等