1、放电式臭氧发生器

为了改善放电状况、提高放电效率,人们研究了如线状、刷状、螺线状、网状、水不同形式的电极。且放电形式局限于无声、脉冲流注、电晕、沿面、无声-沿面混合及辉光放电等形式[1] 。

无声放电(即介质阻挡放电)的电介质是无声放电臭氧发生器的重要组成,其作用为强化气隙的电场强度以利于产生放电;防止气隙击穿,同时减小功率消耗;使气隙的电场均匀,扩大放电区域,利于臭氧的产生。一般而言,电介质的介电系数越高,导热性能越好越利于产生臭氧。目前,臭氧发生器所用的电介质主要有石英玻璃、陶瓷、搪瓷、有机材料等多种类型[1] 。

1)陶瓷、搪瓷a)高纯度的氧化铝陶瓷熔点高、机械强度大、击穿电压高、耐化学腐蚀能力强、热导率较高。

近年来,电介质层材料及加工工艺成为介质阻挡强电离放电的关键技术,用等离子体喷涂或贴冶方法,在400～1600cm2的放电极和接地极表面上形成密实的α型Al2O3材料的极薄的电介质层,具有高强度、高密度、高绝缘度、高介电常数、高均匀度、低矫曲度和低损耗等特点。采用该技术可达到的相关参数为:临界击穿电场强度E≥400kV/cm;相对介电常数ε≥10;体积电阻率ρ≥1015Ψcm;介电损耗tanδ<3.9×10-4;体积密度n≥3.8g/cm3;导热率λ≥21W/(Km);热膨胀系数(6.5～7.5)×10-6mm/°C;表面粗糙度0.25～0.5μm;吸水率趋于0;介质厚度0.1mm;电介质最大面积<1600cm2[1] 。

刘维良等人为提高陶瓷基板材料的ε,降低材料的tanδ和使材料有较高的热导率研究了不同掺杂方法[7],制备的样品参数为密度n=3.97g/cm3,ε=12.98,tanδ=2.00×10-4,λ=23.0W/mk。岳朝松等人为试验不同的电介质对臭氧产生的影响,分别选取石英玻璃(ε=4.2)、镁橄榄石(ε=9)、α-Al2O3(ε=8.3)、ZrO2瓷(ε=12.0)、SiC瓷(ε=40.1)5种材料作为电介质,电介质厚度0.3mm,电源频率10kHz,电压峰值9.4kV,分别测量臭氧发生器出口处臭氧的浓度,最终选择0.25～0.4mm的α-Al2O3为电介质,单电极产生臭氧的质量浓度达12～13g/m3。[1] 鲍慈光等研究的(Sr,Ca)TiO3陶瓷材料和Sr-TiO3基掺杂陶瓷材料基料为67%的SrTiO3和29%的CaTiO3,掺杂料为BaTiO3、CaSiTiO3、TiO2、ZnO、Bi2O3,所得样品性能较理想,其ε=88,U=10kV,tanδ=75.1×10-4,ρ=0.84GΨm。[1]

b)搪瓷制造工艺简单、电气强度高、介电常数较大、耐腐蚀能力较强。清华大学采用搪瓷材料作为介电体,制作了不同尺寸的单管搪瓷介电体臭氧发生器,同玻璃介电体的臭氧发生器对比试验。结果显示,搪瓷材料的ε比玻璃高近1倍,用于臭氧发生器中将有较高的臭氧产量。SeminMA用硅酸盐电绝缘搪瓷为介电体。[1]

2)双介质组合材料(云母)
赵纯等人采用一种使用铁电球/云母片双介质的间隙结构,有一对平板电极和一个双介质层构成。0.1mm厚的云母片放在下侧电极上,中部留有直径10mm圆洞1mm厚聚四氟乙烯绝缘板放在云母片上,直径1.0～3.0mm的铁电球FEB放置在板中央的圆洞中,εr=660的铁电球和电源频率f≥4kHz是产生臭氧的最优条件。[1]

Uchida,Takeji等也发明专利用多于两层压成薄片的云母片覆盖在放电电极上作为接触表面,可延长臭氧发生器在高度潮湿条件下的寿命。3)有机高分子材料王飞等人用有机高分子材料作为介电体,介电管内径69mm,壁厚1.2mm,该材料为性能优良的工程塑料,能在145°C下连续使用,具有优异的电绝缘、延伸、尺寸稳定、耐化学腐蚀、自熄、阻燃、自重轻、易增强、无毒、卫生、能着色等特性。[1]

3)有机高分子材料
王飞等人用有机高分子材料作为介电体,介电管内径69mm,壁厚1.2mm,该材料为性能优良的工程塑料,能在145°C下连续使用,具有优异的电绝缘、延伸、尺寸稳定、耐化学腐蚀、自熄、阻燃、自重轻、易增强、无毒、卫生、能着色等特性。[1]

4)玻璃
近年来随玻璃材料和烧结技术不断进步,国外很多臭氧发生器采用玻璃作为电介质。

Takeichi,Hirotoshi等的专利所用的电介质是苏打玻璃,其Bi、Zn、Pb氧化物的质量分数分别为(10～90)%、(10～90)%、(0～40)%。还有线性膨胀系数与之相当的另一材料,其Bi、Zn、B、Si氧化物的质量分数分别为(20～30)%、(30～40)%、(15～25)%、(0～10)%。Murata,Takaty等又把这一薄层电介质用树脂浸透处理效果也较好。[1]

2、电解池式臭氧发生器

由于电极材料、电解液与电解机理方面的大量研究工作,电解法臭氧发生技术进展很大。近期发展的SPE(固态聚合物电解质)电极与金属氧化催化技术,使用纯水得到φ(O3)>14%的高浓度臭氧,使电解池式臭氧发生器的技术跨越了一大步。

Shiue,Lin-Ren等人的臭氧发生器电解池专利中用钛电极板外表面覆盖铂层作为阴极,β-PbO2覆盖的电极板作为阳极,电池与超大电容器一起作为直流电源,电极上不需覆盖其它薄膜,电解液用中性的盐如NaCl来促进臭氧气体的产生。周元全等人认为:可用石墨、玻璃碳、氟化碳、金属铅、铅合金或二氧化铅等充当阳极。他们选用铁基二氧化铅作阳极,阴极是不锈钢析氢阴极或氧还原阴极。氧还原阴极选用防水型气体扩散电极,由聚四氟乙烯、活性炭、还原催化剂、乙炔黑与镍网或镀银铜网等复合组成。所用的中间隔板可是微孔陶瓷、微孔聚氯乙烯、微孔聚四氟乙烯。此臭氧发生器设备小而轻、结构简单、无噪声,产物中无有害的氮氧化物,有广阔的应用前景。

3、紫外线辐照式臭氧发生器

Yamada,Yasuhiro等发明了一种便携式臭氧发生器,其中有多个短波紫外灯,空气的紫外照射区是一个长尺寸空间。空气路径宽50～100mm,由于多个紫外灯使空间空气的照射长度叠加,利于产生更多的臭氧气体。

Jodzis,Slawomir研究的一种特殊的臭氧合成装置。用金属-石英臭氧发生器作为放电反应器,同时用短波紫外线将O2转化为O3,臭氧的产生与温度、波长以及放电间隙的催化能力有关,在0°C时,金属电极与紫外辐射复合,催化间隙很小的情况下,臭氧产量增加,但波长增加会使产量降低。