【對臭氧應用技術中幾個問題的探討】臭氧技術

　　收稿日期：2006-09-19? 　　作者簡介：易正湘（1944-），男，湖南沅陵人，武漢科技大學中南分校信息工程學院教授。 　　? 　�。ㄎ錆h科技大學中南分校 信息工程學院，湖北 武漢 430223）??
　　
　　摘 要：分析了產生臭氧與產生離子的微觀區(qū)別；探討了電源頻率對高頻沿面放電臭氧發(fā)生器效率的影響；提醒注意防范臭氧污染。?
　　關鍵詞：臭氧發(fā)生器；負離子發(fā)生器；高頻電源??
　　
　　目前廣泛應用臭氧來處理污水、房間殺菌、冷庫防霉，家用的消毒柜、洗衣機也有采用臭氧來消毒殺菌的。臭氧發(fā)生器與使居室內空氣質量得以改善的負離子發(fā)生器（很多空調都附有這樣的裝置以使空氣清新）的工作原理都是基于氣體在高電壓下的放電。對于臭氧發(fā)生器，我們希望它產生臭氧的效率高，而對于負離子發(fā)生器，我們又希望它盡可能不要產生有害于環(huán)境的臭氧。怎樣設計電極結構，施加多大的電壓，采用多高的頻率才能達上述到目的呢？本文從理論與實驗兩方面對此問題進行了探討。同時指出使用臭氧時需注意的問題。?
　　1 氣體放電產生臭氧?與產生離子的微觀區(qū)別
　　氣體放電產生臭氧與產生離子的前提都是在電極上加高壓后，電極附近氣體在強電場作用下電離。對帶正電的電極，正離子受其斥力飛離開形成離子流；對帶負電的電極，電子受其斥力飛離開。電子與離子在電場中被加速，獲得一定的能量，他們與氣體分子相碰撞，還可能引發(fā)許多反應，其中我們感興趣的有：?
　　a.電子吸附在氣體分子上形成負離子，并釋放出結合能?
　　
　　b.電子與氧原子碰撞，使分子激發(fā)，然后分子分解為一個中性原子與一個負離子，該過程可逆。電子交給氧原子1.13―1.47ev的能量?
　　
　　由以上反應可看出以下幾點：?
　�。�1）產生臭氧較產生負離子需要自由電子具有更大的能量，因而在離子發(fā)生器中應避免加上過高的電壓。?
　�。�2）利用O3易受熱分解的特點，在離子發(fā)生器中，可采用加熱電極的辦法，使電極附近產生的O3分解掉。而在O3發(fā)生器中則可采用冷卻的方法避免O3分解，亦可考慮加大氣壓，使分子密度加大從而加大O3*與第三種分子碰撞的幾率。?
　�。�3）游離電子的產生有多種方法。如強電場作用下使氣體電離及帶負電的電極場致發(fā)射等。氣體電離難免有O3產生，采用場致發(fā)射的方法產生低能電子，避免電暈放電的出現，可減小O3產生。?
　　
　　2 高頻沿面放電臭氧發(fā)生器?的電源頻率是否越高越好
　　
　　在高頻沿面放電臭氧發(fā)生器中，氣體電離后，電子和離子都可以被加速,這樣電源提供的能量除了分配給電子外，還要分配給離子。由于離子的質量遠遠大于電子的質量，可以想象得到，電子在電場中得到的速率會遠大于離子，因而得到的能量較離子多。這就是高頻沿面放電較直流高壓型產生臭氧效率要高的原因。那么是否頻率越高，電子得到的能量就越多呢？下面先從理論上作一定性估算，然后看實驗結果。?
　　設帶電粒子所在處電場強度為E(x)=E0(x)cosωt，則粒子受力為F=qE(x)cosωt,粒子在交變力作用下一般作往復振蕩，設其振蕩中心為x0,在一個周期的運動范圍內電場強度變化不大，以E0(x0)近似表示E0(x),有?
　　
　　由上式知，速率與m0ω有關，同樣的電源頻率下，m0越大，最大速率越小，故在交變電源作用下，離子的速率總是小于電子的。但頻率ω也不是越大越好，頻率過大時，又會使電子的m0ω過大，達不到所需速率。所以電源頻率并非越高越好，而是有一個適中的值。??
　　
　　為了從實驗上加以檢驗，我們自制了一個小型臭氧發(fā)生器電源，其電路框圖如圖1所示。其中的方波發(fā)生器采用555定時器為核心，方波頻率及占空比均可調。?
　　我們用ST-16型示波器測試其頻率及波型，同時觀察臭氧片放電情況。實驗結果表明，電源頻率在25-40kHz范圍時放電現象明顯，電源輸出電流1A左右；電源頻率為10kHz以下及90kHz以上時，均無放電現象，且電源輸出電流較大，為1.5A-1.8A左右。說明頻率適中時，不僅臭氧產生率高，效率也高。順便提及，實驗發(fā)現，占空比小時效率相對高些。?
　　3 注意對臭氧污染的防范?
　　臭氧不僅能殺滅病菌病毒，對人的機體同樣也會起作用。根據文獻[3]所述，當大氣中的臭氧濃度0.15mg/m3時,即可引起鼻和喉頭粘膜的刺激。臭氧濃度在0.21―1.07 mg/m3時引起哮喘發(fā)作，導致上呼吸道疾病惡化，同時也刺激眼睛，使視覺敏感度和視力降低。濃度達到2.14mg/m3以上時，可引起頭疼、肺氣腫等，其作用與NO2相似。?
　　此外，臭氧還能阻礙血液輸氧功能，造成組織缺氧；并使甲狀腺功能受損，骨骼早期鈣化。還可引起潛在性的全身影響，誘發(fā)淋巴細胞染色體畸變，損害某些酶的活性和產生溶血反應等。?
　　在使用臭氧處理水，進行空氣消毒、冷庫防霉、保鮮等場合，一定要與人隔絕。人們允許接觸的濃度應不大于0.2mg/m3(0.09ppm)。對于產生臭氧的裝置要有完善的定時與濃度選擇功能。對于水處理中尾氣應采用化學吸附催化法或熱分解法來分解剩余臭氧，以免臭氧進入空氣造成污染。對于市場上出售的簡易臭氧水處理裝置要在有蓋的箱體中進行使用。對于房間空氣殺菌，應等待臭氧自然分解（在空氣中臭氧的半衰期約為30分鐘），濃度下降到允許值時才能進入。實驗人員調試敞開式臭氧發(fā)生器時，應在通風處操作，以防吸入過量的臭氧。??
　　
　　參考文獻
　　[1]王貴勤等.大氣臭氧研究[M].北京：科學出版社,1985.?
　　[2]楊津基.氣體放電[M].北京：科學出版社,1983.?
　　[3]郭新彪主編.環(huán)境健康學[M].北京：北京大學醫(yī)學出版社,2006.

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