剩余臭氧气体分解实验研究
剩余臭氧气体分解实验研究初庆东，等
剩余臭氧气体分解实验研究
初庆东，白敏冬，白希尧
（大连海事大学环境工程研究所，大连
摘
116026）
要：应用强电离介质阻挡放电技术产生的高浓度臭氧气体，溶于水后生成的高浓度臭氧水，是一种强氧化剂，在工业上广泛应
用。然而常用的混合器中臭氧不可能被完全利用，排出的剩余臭氧气体的浓度较高，远大于一类区浓度限值0. 16mg /m 3。论述一种利用分子筛吸附与加热相结合的分解方法，具有良好效果，且设备简单易操作，已应用于小型高浓度臭氧水产生设备配套装置中。
关键词：剩余臭氧；等离子体；分子筛；吸附；分解中图分类号：X701
文献标识码：A
文章编号：（2002）1003-650403-0001-03
臭氧具有杀菌、脱色、除味的作用，又不存在任何残留物，是理想的绿色氧化剂，具有很多用途。近几年来，由于气体放电学、材料学、等离子体化学等学科的快速发展，促使臭氧产生技术有了迅猛地提高，臭氧产生浓度从20g /Nm 3增高到200g /Nm 3，臭氧水产生设备
［1］
体积也减少到原来的1/5左右，臭氧的使用更加简
杂质尤其是挥发性有机物能够富集在吸附剂表面，使吸附剂失活。因此需要保证吸附剂和气体的清洁性。1.1.3催化分解法
工业上常采用第IV 族元素的氧化物及在其基础上生成的混合物做催化剂，它可使臭氧的分解过程加快上千万倍。以锰为主要成分制成的催化剂非常有效。一般将活性催化剂包在支撑体上便于操作。国外有人采用碳支撑MDO 2-fe 2O 3结合制造的催化剂进行
［3］臭氧分解，效果显著。
便，应用范围也更加广阔。然而臭氧属于有毒性的气体，它能在人体中生成自由基，破坏器官的氧化过程，使人体组织释放出新肾上腺素和运动徐缓素，引起头痛、胸闷、头晕、血压降低等。我国国家标准规定一般工作区大气中的臭氧极限允许浓度为0. 16mg /m （GB 。在水处理应用中，由于臭氧不可能被完3095-1996）
全溶解，总是有一部分剩余臭氧气体被排放到大气中，有些处理设备排出的剩余臭氧气体的浓度甚至远远超过该允许浓度。这就需要臭氧技术专家寻找一种简便有效的去除剩余臭氧气体的方法。1
1.1
3
1.2本实验采用的实验方法及设备
本实验以大连海事大学环境工程研究所制造的臭氧水产生设备作为研究对象，该设备体积小、产生浓度高，达到国外同类产品先进水平。实验目的是将加热与吸附联合作用的分解效果与单纯加热或单纯吸附分解效果作一下对比，并根据最好效果的参数来制造可应用于该臭氧水设备的尾气分解装置。装置流程如图氧气瓶出来的纯氧以一定流量进入臭氧发生1所示，
器，在强电场作用下生成高浓度臭氧气体，该气体通入水箱在混合器作用下充分溶解生成高浓度臭氧水，未溶解或溢出的臭氧尾气就由排气口进入分解装置，进行分解后排放。在实际实验中，我们省略臭氧气体的溶解过程，直接用臭氧发生器产生的臭氧进行分解实验。主要实验仪器有：自制外热式加热管，分子筛。主要实验检测设备有：1. 德国产Testo 气体在线检测仪；2. 瑞士产Orbisphere Labor 臭氧检测仪。2
实验结果与讨论
臭氧水设备稳定运行时，气体流量为0. 15m 3/h ，测定剩余的臭氧气体浓度在4. 0g /m 3左右。在此气体流量下，选择015.0g /m 3的浓度范围进行实验。
2.1
使用分子筛分解臭氧
实验原理与方法
［2］
目前常用的臭氧分解方法
1.1.1热分解法
热分解法是当前用于消除剩余臭氧使用最广泛的技术。臭氧气体在30C 即开始热分解，高于300C 时，12s 内达到100%分解。常采用的单通道电阻加热，是一种具有很大处理能力，易自动化和简单连续操作的工艺。
1.1.2吸附分解法
吸附剂具有很大的比表面积，能够使臭氧气体分子附着在其表面上，从而加强自身分解效应。目前最常用的吸附剂是活性炭和分子筛。应注意的是，有些
基金项目：国家自然基金重点资助项目（60031001），国家自然基金资助项目（69871002）
作者简介：初庆东（1975~），男，研究生，从事等离子体化学在环境保护领域中的应用研究。
分子筛放在密闭管内，通入8. 0g /m 3臭氧气体，测量分解后的臭氧浓度，结果如图2所示。该图横坐标表示臭氧气体通过吸附装置的时间，纵坐标表示分解后检测的臭氧浓度。分子筛因为具有很大的吸附表面
1
第25卷第3期2002年5
月
1. 氧气瓶2. 流量计3. 高压发生器4. 臭氧发生器5. 水箱6. 臭氧水混合器7. 剩余臭氧分解器
图1尾气分解流程图
积，可以增加臭氧在分解装置内的停留时间，加强其自分解效应。在通气的初始阶段分解作用明显，但是在吸附一段时间后，分子筛的吸附能力逐渐饱和，直至丧失分解效用，这个过程需要15min 左右。这样不可避免的要求：1、
吸附剂要及时地更换，再生。2、吸附剂有合适的工作环境才能保证吸附剂的吸附效果最佳。尤其当气体湿度较高时，吸附剂会过早失活。因此，在剩余臭氧量大、浓度高，条件恶劣的情况下，单纯使用吸附剂就不太适宜。
图2
臭氧浓度与吸附时间关系图
2.2
使用加热方法分解臭氧
当气体流量（O ）为0. 15m 3
/1时，
加热管一般需预热约30min 。利用臭氧气体发生装置模拟不同浓度的剩余臭氧气体，通过可调温加热管在不同温度下分解。在温度稳定后，用臭氧检测仪测得出口气体浓度。图3表示臭氧进气在三种不同浓度时温度与臭氧分解的关系。从图3可以看出，加热温度越高，剩余臭氧的浓度也就越低，三种进气浓度都有相同的趋势。当加热管温度达到320C 时，臭氧气体分解后的浓度都已降到0.1g /m 3以下。加热管的容积（V ）约为10-4m 3，据此计算气体在加热管中的停留时间：T =V /O =10-4
/
0.15=6.67X 10-41=2. 4S ，大于2S ，
320C 时臭氧可以完全分解。可见虽然温度越高效果越好，但是如果气体有足够停留分解时间，加热超过300C 就没有必要
了。
2
图3
温度与臭氧分解关系曲线图
2.3分子筛吸附和加热联合作用分解臭氧
进气浓度为10g /m 3时，在加热管中放入分子筛，在不同温度下进行分解。图4中横轴为臭氧气体通过
图4
联合作用分解臭氧效果图
被加热的分子筛所用时间，纵轴为分解后臭氧浓度，三条曲线是分别在100C ，150C 和200C 下进行实验所
得。从图4可以看出，臭氧分解后浓度基本上都在0.5g /m 3以下，而这是在排气口直接测得的温度。实际运行中，将排气口放置室外，所排气体瞬时扩散在周围大气中，臭氧浓度还将被稀释几百倍，这就可以满足国标规定的一类区0.16mg /m 3浓度的限值了。从图4还可以看出，由于分子筛的饱和现象，30min 左右有比较大的提升，50min 分子筛完全饱和时浓度才基本稳定。
200C 下臭氧的浓度就非常低，
当温度达到250C 时，则无法检测到剩余臭氧，可以认为已经被完全分解。可见填加分子筛对提高加热效果影响显著，分子筛吸附了一部分臭氧，延长了臭氧在加热管中的停留时间，使得臭氧有充分时间吸热分解；同时，吸附在分子筛上的臭氧受热快速分解，也使分子筛及时恢复活性，延长了使用寿命。值得注意的是，臭氧及混合气体中主要成分氧气极易助燃，所以选用活性炭作为吸附剂并同时加热来分解臭氧的方式有发生爆炸的危险，不适合采用。另外，实际应用中剩余尾气往往含有大量水分，需要在装置的工艺设计中考虑加上去湿结构。3
结论
强电离放电形成方法及其产生臭氧的等离子体反应过程的研究，促使产生臭氧的方法有了突破性进展，推动了高浓度、大产生量的臭氧产生装置的开发，臭氧
（下转第21页）
新生态Mn02的制备及处理造纸废水的实验研究马子川 等
有三类 即木质素~聚戊糖和总碱O 木质素分子量较大 在黑液中主要以R -0Na 和R -C00Na 形式存在[1]O 因而木质素分子含有带负电荷的基团 在适当条件下可与带正电荷的表面位以库仑力结合形成外配位表面络合物 发生化学吸附及絮凝作用而从废水中脱除 从而达到了造纸黑液预处理脱除木素的目的O 而黑液中的聚戊糖类物质不含阴离子基团 不能吸附脱除 可通过下一级生化法进行处理O
由于木质素是造纸黑液中的主要生色物质 吸附法可脱除大部分木素 而不能脱除聚戊糖类有机物 因而在该方法中色度去除率很高 而C0D Cr 去除率较差O 3
结论
化表面的吸附与絮凝作用O
[参考文献]
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(收修改稿日期:2001-11-22)
(1) 新生态Mn02XS -1和XS -2对造纸废水的处理效果较好O 比较而言 XS -1样品制备方法简单方便 条件温和 更适宜作为废水处理药剂 具有一定的应用前景O
(2) 条件试验表明 p~值对XS -1处理效果影响最大 投加量和温度影响程度较小O 在p~值小于1. 5时 投加量为50mg /100mL ~初始C0D Cr 为3680mg /L ~色度为650倍的造纸废水 C0D Cr 去除率可达60% 脱色率可达91%O
(3) 新生态Mn02对造纸废水的作用机理是质子
(上接第2页)
的应用也更加广泛[4]O 但是伴随而来的剩余臭氧问题急需解决O 最近日本专家基于一价铜和二价铜之间氧化还原作用原理制造的臭氧分解器 需要在470C 下运行 才能使臭氧完全分解[5]O 与之相比 本文所介绍的方法吸收了吸附分解和热分解的优点 完全分解臭氧所需温度更低O 而其他多种采用复合催化剂的分解设备 由于结构和工艺复杂 不适于小型化臭氧装置采用O 相比之下 使用本文介绍的方法制造的剩余臭氧分解设备 分解效果明显 结构简单易操作 更适应于臭氧制备的高浓度小型化趋势 已在大连海事大学生产的小型高浓度臭氧水产生设备配套分解装置中得到应用O
[参考文献]
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(收修改稿日期:2002-01-14)