平板型臭氧发生器主要特性的实验研究

第２９卷第１期　２００６年３月　

电子器件　

Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｔａ￣ａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂｅｖｉｃｅｓ　Ｖ０１．２９　Ｎｏ．１　

Ｍａｒ．２００６　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　Ｆｌａｔ－Ｔｙｐｅ　Ｏｚｏｎｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＨＵＪｉａｎ－ｆｅｉ，ＬＩＮＧ　Ｙｉ－ｍｉｎｇ　（Ｄｅｐａｒ￣ｒａｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６－Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｚｏｎｅ　ｉｎ　ｓｏｃｉｅｔｙ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｇｅｔｓ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｖａｌｕｅ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｓｐｅｃｉａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｏｚｏｎｅ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｉｓ　ｉｎｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｐｅｏｐｌｅ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｌｏｏｋｉｎｇ　ｆｏｒ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｎ　ｎｕｍｅｒｏｕｓ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｎ　ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｏｚｏｎｅ　ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ　ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｓｉｍｐｌｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｃｈｅａｐ　ｃｏｓＬ　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅ－　ｓｃｒｉｂｅｓ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　ｆｉａｔ－ｔｙｐｅ　ｏｚｏｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ　ｕｓｉｎｇ　ｄｉｅｌｅｅ－　ｔｒｉｃ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ．Ｉｎ　ｏｕｒ　ｌａｂ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｓｏｍｅ　ｍａｉｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｇａｐ，ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｗｈｉｃｈ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｏｚｏｎｅ　ｇｅｎ－　ｅｒａｔｉｏｎ　ｐｅｒ　ｍｉｎｕｔｅ　ａｎｄ　ｏｚｏｎｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ．Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｃｏｎｆｉｒｍｅｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｇａｐ　ｏｆ　１．９　ｍｌｎ，ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｓｕｐｐｌｙ　ｏｆ　７．０　ｋＶ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｏｆ　３８　ｋＨｚ，ｔｈｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｔｈｉｃｋ－　ｎｅｓｓ　ｏｆ　１．５　ＩＩＩＩＴＩ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂａｒｒｉｅｒ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ；ｏｚｏｎｅ；ｏｚｏｎｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ＲｇＡＣＣ：２３１５　

平板型臭氧发生器主要特性的实验研究　胡剑飞，凌一鸣　（东南大学电子工程系，南京２１００９６）　

摘　要：由于臭氧（０３）的独特性质使得它在社会发展中的应用得到越来越多的重视，但是由于臭氧合成效率低，人们一直在　寻求高效的臭氧合成方法和装置．在众多臭氧合成方法中，介质阻挡放电法因其结构简单、成本低廉一直为大规模工业臭氧　合成的主要方法．这篇论文对平板型介质阻挡放电臭氧发生器的实验过程及结果进行了陈述和理论分析，在本实验室的条　件下对影响臭氧产量和浓度的主要因素，诸如气隙宽度、电源电压和频率以及介质层厚度，进行了实验研究，得出最佳的工作　条件为ｌ气隙宽度为１．７　ｍｌｌｌ，电源电压为７．５　ｋＶ，电源频率为３８　ｋＨｚ，介质层厚度为１．５　ｍｒｓ。　关键词：介质阻挡放电，臭氧，臭氧发生器　中图分类号：ＴＮ１３０；ＴＱ１２３．２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５－９４９０（２００６）０１－０１０２－０３　

臭氧（（）３）是一种强氧化剂（仅次于氟），广泛应　用于饮用水消毒和净化处理，污水处理，织物的漂白　和脱色，香料和纤维的合成，有机物的氧化处理，材　料表面改性，某些激素和维生素的合成，近年来还用　于废气处理，除去烟气中的Ｓ（）ｒ和ＮｏＩ，尤其在传　统的化工工业中臭氧取代其他常规氧化剂，由于减　少中间产物，可以大大简化再处理过程　另外，臭氧　合成技术也被应用在家用电子等民用产品上，如电　子除臭灭菌冰箱、电子消毒柜、空调等。因此，臭氧　是一种十分重要的化工原料，而且它的资源又十分　丰富，长期以来臭氧合成一直为人们关注的重大研　究课题，研究的关键在于如何提高合成效率［¨。　臭氧产生的方法有化学法、电解法、紫外线辐射　法、介质阻挡放电法（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｂａｒｒｉｅｒ　Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ，　

收稿日期：２００５－０６—１６　作者简介：胡剑＂￣（１９７９一），男，硕士研究生，主要从事信息光电子技术的研究，￣ｆｌ０１０２００４＠ｙａｈｃｏ．ＣＯＩｎ．ｃＴｌ，　凌一鸣，男。教授，博士生导师。　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第１期　胡剑飞，凌一鸣等：平板型臭氧发生器主要特性的实验研究　１０３　ＤＩ　）等。然而由于介质阻挡放电法所需的原料简　单，只需要电、空气或是氧气，没有原料运输问题，而　且发生器结构简单，所以目前工业上大规模的臭氧　发生器都是采用这种经济实用的方法。这种方法首　先由德国人冯・西门子（Ｖｏｎ　Ｓｉｅｍｅｎｓ）在１８５７年提　出，同时介质阻挡放电也是产生高浓度臭氧的一种　有效手段［　。臭氧是由离子态氧原子和非离子态氧　分子重新组合而成，在这个过程种仅有４～１２　的　能量被用来合成臭氧，其余的能量都转化为热而散　失掉［３］。所以臭氧合成受原料气组分，放电室温度，　电源电压，电流及电介质等诸多因素的影响。本实　验是使用一种并联的臭氧发生器，在这篇论文里就　详细叙述７这种发生器在不同的气隙宽度，气体流　量，电源电压，介质层厚度条件下的实验结果和理论　分析。　１实验部分　１．１臭氧发生器　单个臭氧发生单元如图１所示，显然这种结构　在直流电场下不能维持放电，只有在交变电场下才　能形成放电，而且交变电场的周期又必须大于带电　粒子在极间的渡越时间，因此一旦产生电子繁流，所　产生的带电粒子会沉积在绝缘介质表面上，由此产　。　极　广————————————————１　ｌＩ　，＿。　Ｉ　ｏ：　＝＝＝　一０２＋０，　・　＝＝＝＝＝＝　畸　Ｌ—　＝　质　热　……　图１典型介质阻挡放电元件结构图　生的壁电荷抵消了外电场，也消弱了电子繁流本身，　随着外电场的继续增加又会产生新的电子繁流，依　次类推。在高气压情况下，介质阻挡放电由大量脉　冲放电细丝组成，这些脉冲放电细丝称为“微放电”　（Ｍｉｅｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ）。氧分子的分解及臭氧分子的形　成即在此过程中形成。图２为实验装置示意图，氧　气从氧气瓶中经过流量计送往臭氧发生器，在交变　电场作用下经过一系列的反应，从出气口出来的气　体为氧气和臭氧的混和气体。再经过后面的两道臭　氧浓度检测装置就可以检测出反应生成的臭氧浓　度。最后，由于氧气和臭氧都是无毒无害的气体，所　以尾气就直接排放到大气中。　１．２检测装置　图３所示为本实验的测量装置示意图。本实验　中采用两种方法进行气体检测，一种是使用气敏传　电表　图２实验装置示意图　感器在线检测，一种是使用碘量法进行精确测量。　气敏传感器法是在气体出口处接一ＭＱ一１３１型臭　氧气敏传感器，由于０３会改变传感器表面敏感层　的电阻，从而改变回路电流，因此外接负载电阻上的　电压的变化就反应了ｏ３浓度的变化。但是这种方　法不能直接确定ｏ３的浓度，所以需采用碘量法进　行校准。碘量法中最基本的反应是氧化剂（ｏ３）在　酸性条件下与ＫＩ反应生成Ｉ２，然后用硫代硫酸钠　标准溶液滴定所生成的碘以淀粉指示剂确定氧化剂　（０３）的量。　

气被传　

图３碘量法臭氧检测装置示意图　此实验中有关的化学反应式为：　０３＋２Ｉ一＋Ｈ２０＋ｏ２＋Ｉ２＋２（ＯＨ）　（１）　Ｉ２＋２Ｎａ２　Ｓ２（）３—　２Ｎａｌ＋Ｎａ２　ｓ４０６　（２）　由式（１），（２）可知：ｌ　ｔｏｏｌ　ｏ３相当于２　ｍｏｌ　Ｎａｚ　ｏ３，所以根据Ｎａ２　０３的用量就能确定生成　ｏ３的量。　

２结果及讨论　２．１气隙宽度的影响　图４反映了单位时间臭氧产量（ｒａｇ／ｒａｉｎ）在不　同放电间隙条件下随气体流量的变化关系。从图中　可以看出最佳放电间隙宽度应该为１．９　ｎ２１２１。这可　能是因为放电间隙宽度的变化引起了极间电场的变　化，从而影响了电子在一个平均自由程内从电场获　得的动能，也就影响了气体的电离和激发，据电离和　激发函数在某一电子能量时最大，因此单位时间臭　氧产量也有一最佳值。　２．２　电源电压及其频率的影响　由图５可知单位时间臭氧产量随着电源电压开　始是直线上升，上升到某一最高点，又开始下降，及　单位时间臭氧产量对电源电压的变化也存在最佳　

维普资讯 http://www.cqvip.com １０４　电　子器件　第２９卷　气体流量／Ｌ．ｍｉｎ。Ｉ　圈４不同放电间隙宽度条件下单位时间臭氧产量与气　体流量的关系曲线　值，这样的现象可从放电间隙平均功率公式［‘］ｐｃｃ　６　一口Ｖ：（口，ｂ为和放电室、气体及电源频率有关的　常数）来理解，但是该公式没有把热损耗的影响考虑　进去。在电源电压上升的过程中放电室的热损耗也　上升，由于臭氧是不稳定气体，在高温下分解反应加　速，所以会出现最佳工作电压。由于频率的提高，单　位时间内气体放电次数也增加，显然臭氧产量也随　之增加。同时由于每次的放电都有大量的粒子碰　撞，粒子之间以及粒子和器壁之间的能量交换变的　很频繁，放电次数的增加也就必然导致放电室温度　的升高，所以也会出现最佳工作频率。　

圈５不同电源频率紊件下单位时间臭氧产量与电源电　压的关系曲线　２．３介质层的影响　图６表明了臭氧产量随玻璃介质层厚度的变化　关系。对于同种介质，当介质层厚度增加时，介质电　容将变小，所能容纳的电荷数也变小，由于介质层与　

气隙相当于串连的两个电容，所以气隙电容所能容　纳的电荷数也变小，这样耦合进气隙的功率也变小，　从而臭氧产量下降。同时根据气隙电场强度公式　＝Ｖ／（　ｑ－２ｅ　ｌｄ／￡ｄ）可知，提高介质的介电系数和　减小介质的厚度都有利于提高气隙间电场强度，从　而有利于臭氧的合成，所以现代臭氧发生器都要求　有大的介电系数和薄的介质层厚度。　

圉６单位时间臭氧产量与介质屡厚度的关系曲线　３总结　由上述实验结果和讨论可知，介质阻挡放电单　位时间臭氧产量随气体流量的增加、反应室温度的　降低、介质介电系数的提高而增加，而随气体间隙宽　度、电源电压和频率的关系有一最佳值，但是这些因　素对臭氧合成的影响并不是孤立的，它们是互相牵　制的，对于他们之间的联系还需进一步深入研究。　本实验中的平板介质阻挡发生器的最佳工作条　件总结如下：最佳工作电压为７．０　ｋＶ，工作频率３８　ｋＨｚ，气隙宽度１．９　ｍｍ，介质厚度１．５　１２１ｉｎ。