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新型臭氧发生器的研制及应用

更新时间:2009-09-10 10:54 来源: 作者: 陈刚,储金宇 阅读:1206 网友评论0

1 前言

新型臭氧水处理装置利用沿面放电臭氧产生技术,将臭氧发生器由以往的点线放电产生臭氧改变成为沿介质表面放电,使得通过电介质表面降温冷却成为简单可行,降低或消除了由于臭氧发生时产生的高温,避免了臭氧再分解,从而提高了臭氧的产生量,降低了能耗。在放电电源方面,采用了具有高效率、小型化的静止变频电源,使臭氧发生器小型化,强化了电晕放电。

2 高压高频电源制作

选用大功率晶体管IGBT作为DC-AC半桥变换器的开关器件。用软开关技术降低反向恢复特征的要求,采用20kHz的脉冲高频变压器以降低因损耗而产生的热效应,提高器件的稳定性和臭氧的产生效率。同时利用脉宽调制技术(PWM)调节脉宽以改变输出基波电压的幅值。经过整流、滤波、逆变、升压,能产生前沿小于60ns,脉冲半宽约为250ns,重复频率0~20kHz可调,电压0~10kV可调的高压脉冲电源。电路流程见图1。

图1 高压脉冲电源流程

图1 高压脉冲电源流程

图2沿面放电电极断面结构

图2沿面放电电极断面结构

3 沿面放电电极制作

本实验装置采用陶瓷作为臭氧发生器电极的绝缘材料,采用管式放电电极,结构见图2。

在金属管外壁涂覆1层陶瓷(厚0.5mm),陶瓷表面镶上多条平行的细线状电极(总长10.5m,厚50~60µm),管内壁再涂覆1层陶瓷作为接地电极,以增加其机械强度。放电管内径32mm,管中通入冷却水,以降低臭氧发生时放电空间的温度,避免臭氧的分解,提高臭氧的产生效率。

4 实验方法

臭氧水处理流程见图3。

干燥后的空气进入放电室,在纳秒级脉冲高压的作用下分解,形成臭氧气体。产生的臭氧气体通过由涡流混合器与填料塔组成的高效混合装置,混合器可产生较强的负压将高浓度的臭氧气体完全吸入,使水在混合器内充分雾化,成为非常微细的激化小颗粒,增加了臭氧在水中的溶解和附着面积,大大提高臭氧水浓度、产量,混合效率增加20%左右。混合后的残余臭氧气体通过尾气吸收器变成氧气排出。

    1?无油空压机;2?干燥器;3?高压脉冲电源;4?示波器;5?流量计;6?放电室;7?流量计;

    1—无油空压机;2—干燥器;3—高压脉冲电源;4—示波器;5—流量计;6—放电室;7—流量计;

  8—原水池;9—臭氧检测仪;10—混合装置;11—储水罐

图3 水处理实验流程

5 结果和讨论

5.1 峰值电压的影响

4

图4 臭氧产量与峰值电压的关系

从图4可以看出,峰值电压为4kV~9kV,臭氧的产生量与放电电压成线性增加关系。当峰值电压超过9kV左右,这种增加趋势才逐渐减缓。这是由于当臭氧浓度增大,由电子碰撞作用引发的臭氧分解也明显,高浓度领域内的臭氧产生效率急剧下降。因此要求有良好的冷却装置,而且放电的电场强度应该有一最优的值,在这一值下,使臭氧再分解的低能电子的生成受到抑减,臭氧产生率达到最大。

5.2 放电频率的影响

控制反应气体流速为1.5L/min,调节放电频率,考察臭氧的生成情况,结果见图5。

图5不同频率下电压与臭氧产量关系

图5不同频率下电压与臭氧产量关系

图5不同频率下电压与臭氧产量关系

由图5可知,在频率较低时,随放电电压的升高,3条曲线有着相同的上升趋势,臭氧的产量直线增加; 高频情况下,产量的上升率以及所达到的最大值均要高于低频情况。当频率为15kHz、电压为7kV时,臭氧产生量达到了最大值。

实验表明,当臭氧发生器的出口温度超过一定的温度(50~52℃)时,臭氧的产量开始下降,臭氧的分解会变得比较显著。

5.3 CODcr、BOD5的去除

将本装置用于医院污水的处理。由于医院污水中含有杂质,因此在处理前先进行预处理。操作条件见表1。

表1 处理前后参数对照

参 数 数 值

  臭氧(进口)浓度(mg/L) 4.5~9.7

  臭氧(出口)浓度(mg/L) 0~3.1

  接触时间(min) 0~40

  温度(℃) 20~25

  pH值 3~11

  气流量(L/min) 1.5~2.5

  放电频率(kHz) 17

  放电电压(kV) 7

本系统通过增加放电强度以及采用高效混合系统,臭氧水浓度可达8.35g/m3,考虑到运行成本,将臭氧水浓度稳定在5.3g/m3。

在通入浓度为6.5mg/L臭氧气体,流量为2.0L/min的情况下,对废水中的CODcr、BOD5进行检测。结果见图6~7。

 

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图6 水中CODcr的变化曲线

图7 水中BOD5的变化曲线

图7 水中BOD5的变化曲线

由图6可以看出,水气接触30min后,医院污水CODcr值由2980mg/L降到850mg/L,去除率达到71.47%。在15℃情况下,前10min内水中CODcr的含量下降很快,去除率达到了42.2%。然后CODcr去除效果缓慢下降。这时即使加大臭氧的浓度,效果也不明显。温度为25℃下CODcr的去除效果较为缓慢,主要是因为温度的升高加速了水中臭氧的分解,降低了臭氧总的氧化能力。

图7可以看出,臭氧对水中BOD5去除效果弱于CODcr去除效果。在前20minBOD5值有一缓慢的下降过程,随后有所增加,在20min氧化时间内,BOD5去除率为45%。

同时实验发现,臭氧氧化作用与溶液pH值密切相关。在酸性条件下,臭氧氧分子直接参加氧化反应,臭氧分子与发色基团的>C=C<键反应。在碱性条件下,臭氧与水作用生成的·OH自由基破坏芳香族化合物的苯环。因此用臭氧处理医院污水,在酸性条件下颜色的去除率比碱性条件下要高50%。

6 结论

6.1 本臭氧产生装置由于采用高频脉冲放电电源,降低了发生器的工作电压,提高了装置的可靠性和耐久性。在此条件下沿面放电臭氧发生法的3个参数:产量、浓度、能量得率可以分别达到较高的值。

6.2 应用臭氧处理污水中的CODcr、BOD5、色度等均可达到较高的去除率,处理后的污水达到国家排放标准。

作者陈刚,男,1972年生,1995年毕业于华东船舶工业学院电气自动化专业,现江苏大学环境工程硕士研究生。

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