[发明专利]一种臭氧制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及化学物质制备技术领域，具体涉及一种臭氧制备方法。

背景技术

臭氧是氧气的同素异形体，是一种具有特殊气味的淡蓝色气体。臭氧是一种强氧化剂，它在水中的氧化还原电位为2.07V，仅次于氟(2.5V)，其氧化能力高于氯(1.36V)和二氧化氯(1.5V)。由于臭氧不会留下二次污染，剩余的臭氧可在短时间内分解为氧气，因此广泛应用于杀菌消毒、污水处理、空气除尘、漂白脱色、食品工业、微电子工业等领域，应用前景十分广阔。

目前合成臭氧的方法有很多，主要有介质阻挡放电法、紫外线辐射法、电解法等。紫外线辐射法是利用氧吸收紫外光产生臭氧的一种方法，该方法消耗电力多，制备的臭氧浓度低，但适宜产生少量臭氧，对温度不敏感。电解法是利用直流电源电解含氧电解质产生臭氧的一种方法，具有臭氧浓度高、成本低等优点，但效率低、且燃料电池及水电解装置有待改进和研究。

介质阻挡放电法是以干燥的含氧气体通过介质阻挡放电区产生臭氧的一种方法。它以低成本、高效率、高浓度的优势被广泛应用于臭氧的工业制备。

介质阻挡放电是产生冷等离子体最简单的方法。介质阻挡放电是一种非平衡放电(又称无声放电)，其特征是在位于电极之间的放电空间内插入绝缘介质，可以在较广的气压范围和较宽的频域内工作。气体放电以后，在放电空间会产生一定密度的电子和不同频率的光辐射，当低温等离子体与催化剂协同作用时，尤其与光触媒催化剂铁电催化剂协同作用时，会极大的提高能量利用效率，降低气体击穿电压，同时也会进一步促进反应物的转化。

上述合成臭氧的技术存在以下问题：

第一，介质阻挡法制备臭氧的过程中，会产生大量的辉光，传统的制备工艺中，放电辉光没有很好的利用起来，90％的光辐射均被浪费；氧的电离能为13.618eV，辉光的能量在1.61eV～3.10eV范围内，该能量段不足以电离处于基态的氧原子，因此在放电过程中，只能作为辅助能量，使处于一定激发态的氧原子进一步激发，而80％的光子最终以热的形式消失，辉光以热形式消散的过程中会对电介质和电极造成一定程度的损伤，同时增加了电源的无功功率；从而，传统的介质阻挡法制备臭氧工艺中，放电辉光没有很好的利用起来，90％的光辐射均被浪费；

第二，臭氧很容易分解为氧气，其分解速率随着环境温度的上升而升高，分解速度加快，温度超过100℃时，分解非常剧烈，达到270℃高温时，可立即转化为氧气；传统的DBD臭氧反应器，在制备臭氧过程中，放电区温度通常会达到150℃以上，因此，多采用外置式水冷却装置冷却反应器，以抑制臭氧的分解，冷却装置的增加不仅增加了生产成本，也降低了反应器的灵活性，从而存在局限性；

第三，介质阻挡法制备臭氧工艺中，原料一般为纯氧，大部分商品氧都是由空气分离制造的，即将空气液化后经精馏提纯，也可采用低温全精馏法，少量氧采用电解氧为原料，经催化脱氢可制取纯度为99.99％以上的高纯氧。其他纯化方法还有变压吸附法和膜分离法。因此，以纯氧为原料制备臭氧的工艺成本仍然较高，且有些臭氧应用领域不要求臭氧纯度，只要求臭氧浓度。

综上所述，目前介质阻挡法制备臭氧的工艺，存在反应温度高、能耗大、灵活度差、产生效率低、运行成本高等缺点，这些因素极大制约了臭氧的推广应用。因此，研究一种反应条件温和、低成本、高灵活度的臭氧制备工艺是未来发展的必然趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺点，提供一种可以在温和条件下将多种含氧气的原料气转化为臭氧，且制备工艺过程简单灵活、能耗低、成本低的臭氧制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种臭氧制备方法，其特征在于：往反应器中加入催化剂，然后将含有氧气的原料气充入反应器中，并通入冷却介质，然后启动激励电源通过介质阻挡放电使原料气活化并形成均匀分布的非平衡等离子体，等离子体中的活性粒子在放电区域放置的催化剂上发生反应产生臭氧。

优选地，所述原料气包括纯氧、氧气与惰性气体的混合气或者空气；惰性气体为氮气、氩气或氦气等；惰性气体与氧气根据所需臭氧的浓度以任意比例进行混合。