臭氧發生器的氣體放電技術

                              G.J.PIETSCH 德國亞深技術大學

IOA-EA3G 《Regioal Conference on Ozone Gereration and Application to Water and Waste Water Treatment》

關鍵詞：介電體屏障放電，容積放電，表面放電，臭氧發生，品質因素

摘要：

    大量的臭氧是在容積放電（ VD ）或表面放電（ SD ）裝置中以介電體屏障放電的方式來產生的。參數響應臭氧發生的品質因素，這里討論的是能效比、產量及濃度。除了放電參數的影響之外，產出與破壞臭氧的化學反應的邊界條件也是很重要的，特別是處理氣體的溫度。一些有特色的表面放電發生器也要討論。

引言

    臭氧發生的品質因素是：能效比 [kgo3/kw.h] ，產量（總產量） [kgo3/h 或 kgo3/h/m3] 以及濃度 [go3/Nm3] 。他們是相互關聯的。

    合成大量臭氧最有效 的途徑是利用放電。放電處理含氧氣體如空氣或純氧產生自由氧原子，它們與氧分子結合成臭氧（ M 是任意可能的碰撞伙伴）：

O+O2+M → O3+M （ 1 ）式

    為了高效地生產，基本的要求是處理氣體應為低溫。高溫有助于破壞進程：

O3+M → O+O2+M （ 2 ）式

    象在空氣中這樣較低的氮氧化物濃度也會催化反應鏈中破壞臭氧，以至于甚至可能出現臭氧發生器的“中毒效應”。

    要獲得在處理氣體中的低溫狀態，除了有效的冷卻之外，必須采用無熱能放電。

屏障放電

    為了以便利的方法（例如在常壓下）產生無熱能放電，通常使用介電體屏障放電（或稱穩定的無聲放電）。其基本的結構如圖 1 所示。施加升高的電壓在容積放電（ VD ）或表面放電（ SD ）裝置上，當達到擊穿場強的瞬間，出現暈輝。在常壓下大量微放電即相當均勻地覆蓋電極區域。



    隨著啟輝過程而被連接的對面電極的電荷載流子被收集到介電體表面，它減少氣隙中的場強直至達到熄輝電壓。在介電體上積累的電荷載流子限制電流并使放電猝滅。這種放電便成為無熱能的。在其峰值范圍內升高所施加的電壓，直到再次達到氣隙中的擊穿電壓，另外的微放電便在 VD 裝置中出現。在 SD 裝置中則出現放電延伸區逐步增大現象。峰值電壓過后另外的放電活動發生于所施加電壓極性反轉之時。

    VD 由氣隙內的放電柱與介電體上的表面放電組合而成。 SD 則僅有在介電體上的放電現象，其表面的結構依據性質而定。

    兩種放電類型的攢態工況是相似的。其電流上升持續幾個納秒，而其總電流脈沖以在常壓的空氣中為例是幾十納秒。在這個短促的時間周期內，場強在空間及時間方面都顯著地改變。在 VD 裝置中被微波放電所轉移的電荷 q 幾乎是相等的 [1] ，它取決于氣隙間距 d ，特定的介電常數 ε 及 該介電體的厚度 Δ （見圖 2[2] ），亦即 q 是線形地正比于氣隙寬度與介電體比容量的函數之積： q=d·f(ε/Δ) (3) 式

             沒 

    已在文獻 [3] 中作出了描述的有許多微放電的存在而得出的介電體屏障放電的平均功率消耗 p:

p=4·f·CΔ·Ub·{Up-Ub·(CΔ+Cd)/CΔ} （4）式

    式中f是頻率，CΔ、Cd分別是介電體及氣隙的電容量，Ub是放電時氣隙處的平均電壓，而Up是外加電壓的幅值。

微放電中臭氧的形成

    在臭氧形成的過程中微放電的主要任務是在適當的溫度下有效地供給自由氧原子。

    在放電的內部電子象離子一樣在電場中被加速。主要是電子的碰撞產生氧原子。然而，從電子碰撞獲得的不僅僅是導向分解過程。存在著大量的競爭的單體碰撞過程，從而減小有效的分解并且使放電柱中的溫度升高（圖3）。



    為了改進氧的分解某一確定的場強范圍是有益的。在氧氣中直接測量發現了這個范圍介于200至300Td之間（1Td=10-17Vc㎡ ,由極小量強度表示的場強）（圖4，詳述見文獻[4]）。



    然后，在微放電的瞬間進展過程中，條件在時間和空間方面都在改變。

    在圖5中給出了在常壓下的空氣中微放電內平均電子能量與帶電微�？偰芰恐�比We/(We+Wion)（對放電體積積分）同時給出電流斜率及臭氧生產能效比的倒數。



    微放電內部的場強取決于電導率。在高電導率處必須有低的場強以支持放電而在低電導率處反之亦然。圖6給除了微放電中當電流峰值期間其軸向場強分布狀態的一個例子（介電體為陽極）。

    細微的微放電是有利的。有兩個理由：一是均值場強較接近最佳值，再就是放電柱內部的溫度即能量密度低。



    為了修整微放電以達到最佳臭氧能效比，必須使其細微。這可有小的轉移電荷量來獲得，亦即選擇適當的氣隙間距d，介電體層的介電常數ε及厚度Δ并考慮到一定的氣壓（見3式）。

    此外，微放電的強度受處理氣體的濕度及氣壓的影響。隨著濕度加大每單位面積的微放電數減少，同時其強度（轉移電荷量）相應增大。這是從表面電導率增加會導致介電體上每個微放電的放電區域較大而得出的。那就是為何不得不避免潮氣的緣故，隨著氣壓的增加在放電通道中被強制電離的微粒也增加。這是增大的能量密度與溫度的結合，從另一方面來說，因氣壓增高而促進臭氧在三體反應中合成[見（1）式]。

臭氧在發生器中的形成

    臭氧發生器主要是熱交換器。發生過程的效率在以氧為氣源的最佳條件下也僅僅不超過20%。有效的冷卻系統在任何情況下都是關鍵。



    臭氧生產過程可化分為三個不同的時間標度階段（圖7）。當存在微放電的期間（每次至多幾十納秒）生成原子氧，生成臭氧的反應要需要10微妙。當臭氧發生器運行時，微放電持久的撞擊處理氣體，而處理氣體以約一秒的時間周期流進反應器，所以臭氧被電子碰撞而破壞不可避免。

    當氣體流經發生器裝置時臭氧濃度持續增長直到最終濃度。然而，隨著臭氧含量增大擊穿也上升。為了利用整個放電區域微放電應當盡可能均勻分布。例如，對功率密度3kw/㎡，頻率1kHz來說，放電柱中的能量密度是50mJ/cm3（使用常壓的空氣，氣隙間距1mm，ε=5，放電主半徑150um）,被放電直接撞擊的處理氣體的體積在外加電壓的半個周期內占整個反應器容積的3%，微放電數達到每平方厘米42個。

    臭氧發生器的能效比可被冷卻條件，處理氣體的成分及微放電的強度所影響。該強度應低以獲高能效比，這取決于單個微放電的轉移電荷量。由3式可見氣隙小及介電體的特性電容量小是有利的。氣隙小意味著冷卻條件好。在小的功率密度下氣隙寬度縮減導致每單位放電面積上（較細微的）微放電個數增加。

    近來開發出的用于臭氧發生器的先進的介電體具有下列優點：（�。�導熱系數高；（ⅱ）厚度精確，因此可獲得較小的氣隙；（ⅲ）可能有因其成分而具有不同介電常數的精細結構，這會導致在整個放電區域上更為均勻的微放電分布。

    使用給定氣源工作的臭氧發生器的產量（或總產量）可依靠增大功率密度來增大。為此可由簡單遞增大功率來實現，亦即增大頻率，外加電壓及介電體層的電容量（4式）。

    高的介電體層比電容（薄的層厚與/或高介電常數）意味著（�。┪⒎烹婋S能效比縮減而增強；（ⅱ）使用薄介電體層而帶來良好冷卻的可能性；（ⅲ）外加電壓低，因為在介電體處的電壓降小。

    在電功率一定的條件下反應器的體積以靠增加頻率及介電體的比電容而縮減。

    臭氧濃度取決于處理氣體的種類、產量及其它影響發生器正常性能的工作條件。在高濃度下氧原子與分子的復合必須考慮到臭氧被微放電破壞的情況。復合系數還取決于溫度。低溫減小復合率。如果使用極高純度的氧氣作為氣源將使臭氧濃度減小。少量氮氣摻雜則可增大濃度。這個現象至今尚未徹底搞清楚。

在SD發生器中臭氧形成的一些特性

    在SD中的臭氧合成不如在VD中那樣明白。對放電狀態來說此觀點特別正確。

    在兩種裝置中的放電各不相同。當微放電在VD裝置中發生時是處于固定氣隙中的初始均值場內，而在SD裝置中的放電則發展成為隨場強而變的一個區域卻并沒有任何確定的氣隙。有表面電荷聚集而導致一個接近擊穿的場強波峰出現在放電的外沿并引起在表面上延展（圖8，配合圖1b看）。



    隨著電壓增高放電沿著表面逐步移動。

    與表面電極垂直的放電區域的延伸（正比于從充電能量）正比于電壓幅值。由于電荷量是電容量與電壓的乘積，因此一個電壓周期的轉移電荷量應正比于外加電壓的平方（圖8）。

    對放電延伸或轉移電荷量影響更大的參數是介電常數。當介電場常數高時介電體上的電荷密度也高，然而充電區域的延伸在其他條件相同時卻縮小。

    某些SD裝置的性能是優越的。（�。┓烹娨约氄�的形式與表面接觸，這點使得有效地冷卻成為可能，特別是如果使用高導熱率的介電體時；（ⅱ）在不均勻的場結構中放電活動開始于比VD裝置較低的外加電壓值處。這個效應由下述事實支持：介電體表面處的擊穿電壓通常比氣體內部低，這是因為放電與表面的相互作用。從這點歸結出在外加電壓的半周期內放電活動由持續趨勢。 （ⅲ） 在某種程度上臭氧被電子碰撞所造成的破壞被避免了。這是因為在SD裝置中的氣流將臭氧（部分地）載運到沒有放電的區域。



    SD發生器由圖1b中所示相似的電極系統組成，然而具有眾多的平行表面電極（如條狀或線狀）。要運行這樣的發生器，介于相鄰電極的空隙必須根據外加電壓良好地優化，以使放電重疊得到避免。

    由經驗可知VD發生器使用氧氣源的臭氧產量比使用空氣源高出兩到三倍。對SD發生器來說這個差別要顯著得多（圖10）。這就是為什么SD發生器通常使用氧氣源的緣故。頻率升高則臭氧產量增大，但以良好冷卻防止溫度急劇升高為條件。在以空氣為氣源來運行的情況下頻率高于10kHz,則高價與低價氮氧化物之間的平衡狀態可能會朝著低價氮氧化物的方向移動，這樣可能會“毒害”臭氧發生。



結論

    在臭氧發生器里的介電體屏障放電包含有大量強烈瞬變的無熱能微放電，它們相當均勻地分布于整個放電區域。這些微放電能將足夠的能量供給電子，以便在含有氧氣的處理氣體中產生原子氧。

    為了改進臭氧發生的性能，微放電中的場強應盡可能接近試驗找出的最佳值。當主要大電荷轉移期間的場強分布可被修整到某一范圍。然而，還必須考慮到化學反應既產生又破壞臭氧，就此而論溫度應盡可能低，也就是說發生器的冷卻條件是關鍵。

    SD的物理環境不同于VD。SD朝著降低場強的方向發展。在SD中與在VD中相比其場強分不導致通常其平均場強遠非最佳值。把VD與SD臭氧發生器比較，很可能證實SD裝置不會超過經良好優化的VD發生器的性能。

    觀察到空氣源SD發生器的臭氧產量低或許是低價氮氧化物的濃度增高而導致的。

參考文獻

[1]V.D薩莫伊洛維奇，V.I.基巴洛夫及K.V.柯茲洛夫 《屏障放電的物理化學原理》第二篇 杜塞爾多夫DSV-Verlag公司（1977）

[2]G.J.皮耶茨奇，V.I.基巴洛夫 “關于介電體屏障放電與臭氧合成”已提交給《理論與應用化學》

[3]T.C.曼內耶“臭氧發生器放電的電氣特性”《電化學協會會刊》84期83頁（1943）

[4]V.I.基巴洛夫 “屏障放電中的臭氧合成”俄羅斯《物理化學》雜志68期1029頁（1994）

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