臭氧发生器功率越大臭氧浓度为什么下降了

在使用臭氧发生器时，将臭氧发生器功率调的越大臭氧浓度反而下降了？为什么呢？该论文对其进行了研究，“介质阻挡放电过程中臭氧生成性能试验研究”。

摘要：采用高频高压等离子体电源对圆管形放电室进行放电试验，研究了放电电压、氧气体积流量和氧气体积分数等关键参数对臭氧生成的影响.结果表明：臭氧质量浓度随放电电压的升高而不断增加，但当放电电压继续升高时，温度升高引起臭氧分解加速，最终导致臭氧质量浓度下降；氧气体积流量增加，臭氧质量浓度减小，在氧气体积流量为１L/min时，臭氧质量浓度高可以达到１３８g/m3，臭氧电耗先减少后增加；氮气的存在会增大击穿电压，因此氧气质量浓度越高，越容易被电离，臭氧质量浓度越高，臭氧电耗越低。

一、放电电压对臭氧产生的影响

如前所述，臭氧形成的基础是氧气分子受到电子的碰撞产生氧原子，氧原子与氧气分子碰撞产生臭氧分子.目前，普遍认为放电过程中臭氧的生成反应和分解反应主要通过式(３)～式(６)进行.前２个反应为臭氧的生成反应，反应速率分别为

放电电压的增加可以提高臭氧生成反应式(３)和式(４)的反应速率，但温度升高会降低臭氧生成反应的反应速率，同时提高臭氧分解反应式(５)和式(６)的反应速率.

式中：Ｍ为第三体.

为研究放电电压对臭氧生成的影响，在气源为氧气时，通过试验得到不同氧气体积流量下臭氧质量浓度随放电电压的变化规律，如图４所示.由图４可知，随着放电电压的升高，臭氧质量浓度大体上呈现持续升高的趋势，当氧气体积流量为１L/min时，臭氧质量浓度高可以达到１３８g/m3.这是由于放电电压的升高使得电场中电子能量密度增大，从而提高了氧原子的生成速率，促进臭氧的生成.但是，随着放电电压的不断升高，臭氧质量浓度增大的幅度逐渐减小.在氧气体积流量为１L/min时，当放电电压超过３.６KV时，臭氧质量浓度出现了下降的趋势.引起这一变化的原因是放电电压升高导致放电室温度升高，臭氧生成的反应速率下降，而臭氧分解的反应速率上升，加速了式(５)和式(６)的进程.由于电源的限制，放电电压无法继续升高，但体积流量大于２L/min以上的工况均未出现这一现象.由于氧气体积流量的增加，放电空间内氧气分子增加，进而电离出更多氧原子，臭氧生成总量增加.同时氧气体积流量的增加可以加快放电间隙热量的散失，在一定程度上降低放电室温度，使臭氧质量浓度开始下降时对应的放电电压变大，因此可以预测当放电电压继续升高时，高氧气体积流量下的臭氧质量浓度也会下降.综上所述，在实际应用中如果盲目地升高放电电压，臭氧质量浓度下降的同时会增加能耗，因此合理控制放电电压尤为重要.大规模工业臭氧发生装置需在满足臭氧质量浓度需求的条件下使臭氧电耗优化.

二、氧气体积流量对臭氧生成的影响

不同氧气体积流量下的臭氧质量浓度如图５所示.由图５可知，氧气体积流量越大，臭氧质量浓度越小.氧气体积流量的影响主要包括２个方面：(１)氧气体积流量直接影响氧气在放电室的停留时间，氧气体积流量越大，停留时间越短，氧气分子与电子以及氧气分子与激发态氧原子发生碰撞的机会越少，导致臭氧质量浓度下降；(２)氧气体积流量增大可以促进放电室内的对流换热，降低放电室温度，使臭氧生成反应速率上升，臭氧分解反应速率下降，导致臭氧质量浓度上升.但是对流换热对促进放电室温度降低的作用很小，前者一直占主导地位，因此氧气体积流量越大，臭氧质量浓度越小.

臭氧电耗是臭氧生成能耗的直接参数，根据式(１)和式(２)计算出臭氧质量流量和臭氧电耗随氧气体积流量的变化，如图６和图７所示.当放电电压相对较低(如２.６４KV和２.８８KV)时，氧气体积流量的增加虽然使臭氧质量浓度下降，但气体体积流量的增加使臭氧生成总量有所上升.随着氧气体积流量的不断增加，放电能耗相应增加，因此臭氧电耗随氧气体积流量的增加先降低后提高，在２L/min时达到低为０.０１１４(ｋＷ·ｈ)／ｇ.当放电电压较高(如３.１２KV和３.３６KV)时，臭氧质量流量和臭氧电耗在氧气体积流量达到２L/min以后呈现出稳定的趋势.

三、氧气体积分数对臭氧生成的影响

工业上可利用高纯氧或空气作为气源制备臭氧，但与高纯氧气源相比，利用空气源制备臭氧所需成本较低.由于空气源中含有部分氮气，为了探寻气源中氮气的存在对臭氧制备的影响，开展了不同氧气体积分数时Ｏ２／Ｎ２混合气下放电生成臭氧的试验.试验中取气体总体积流量为１L/min，通过控制氮气和氧气的体积流量达到所需的氧气体积分数，试验结果如图８所示.由图８可知，随着氧气体积分数的增加，臭氧质量浓度不断上升，原因在于氮气的加入一方面使得击穿电压升高，氧气体积分数越高，越容易被电离，导致放电室内氧原子浓度增加，进而有利于臭氧的生成；另一方面，氮气的存在使得放电过程中产生部分ＮＯｘ，进而导致臭氧质量浓度下降.空气中氧气体积分数约为２１％，相应结果应与图８中２０％氧气体积分数工况接近，臭氧质量浓度始终低于１０g/m3.此外，氧气体积分数上升导致臭氧质量浓度下降时对应的放电电压变大，当氧气体积分数高于６０％时，在试验范围内，臭氧质量浓度随放电电压的增大持续上升.氧气体积分数越低，臭氧质量浓度越低，随着放电电压的增大，臭氧分解反应越占主导地位，臭氧质量浓度开始下降时对应的放电电压越小.但如第２.１节所述，随着放电电压继续增大，即便氧气体积分数高的工况也会出现臭氧质量浓度下降的现象.

图９为不同氧气体积分数下的臭氧电耗.可以看到，相同放电电压下，臭氧电耗随氧气体积分数的增加呈现明显的下降趋势.空气源下(接近图９中２０％氧气体积分数工况)放电制备臭氧的电耗始终高于０.１(ｋＷ·ｈ)／ｇ，远高于氧气源下放电制备臭氧的电耗.因此，工业应用应当首选氧气源下放电制备臭氧.目前，通常采用分子筛技术制备氧气，氧气体积分数一般在９０％以上，从图９中数据可看出，体积分数为９０％的氧气作为气源制备臭氧的电耗(０.０２０(ｋＷ·ｈ)／ｇ)略高于纯氧作为气源制备臭氧的电耗(０.０１８(ｋＷ·ｈ)／ｇ).

四、结论

（１）臭氧质量浓度随放电电压的增大不断上升，但当放电电压升高到一定值以后，臭氧质量浓度始下降.在氧气体积流量为１L/min时，臭氧质量浓度高可以达到１３８g/m3.

（２）臭氧质量浓度随着氧气体积流量的增加不断下降，臭氧质量浓度在低放电电压时随氧气体积流量的增加略有上升，在高放电电压时随氧气体积流量的增加先上升后趋于稳定.

（３）氧气体积分数越高，臭氧质量浓度越高，臭氧电耗越低.２０％氧气体积分数下（接近空气源）放电制备臭氧的质量浓度低于１０g/m3，臭氧电耗高于０.１（ｋＷ·ｈ）／ｇ.