一种湿度、含量可调的臭氧净化评价系统及评价方法与流程

本发明属于大气污染净化技术领域，涉及一种湿度、含量可调的臭氧净化评价系统及评价方法。

背景技术：

臭氧(o3)与氧气(o2)是氧元素的同素异形体，对于人类赖以生存的环境有双刃剑的作用。在大气同温层，臭氧对我们的生存环境是有好处的，它能够抵挡有害的紫外线；然而在近地表处，臭氧却是一个无形杀手，会对人体的皮肤以及神经系统等产生不同程度的影响，还能够损害人体的免疫机能，致使淋巴细胞发生染色体病变，加速人体的衰老，导致畸形儿的出生率增加。世界卫生组织规定，连续工作8小时环境中臭氧的浓度不能超过0.1ppm。目前，室内家居、办公场所、大型娱乐场所等都存在臭氧污染问题，开发实用效果优良的臭氧清除设备具备较好的市场前景。

目前处理臭氧的方法主要有：热处理法、活性碳吸附法、电磁波辐射分解法、药液吸收法和催化法，其中催化分解法是目前消除臭氧最为理想的方法之一。催化剂开发是一个十分活跃研究领域，但稳定的臭氧配比以及不同湿度的调制等要求系统设备具有优异的可控性能。但是，现有技术中传统的抽烟净化中臭氧生成不稳定，臭氧的湿度高，对臭氧检测带来极大的干扰。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种湿度、含量可调的臭氧净化评价系统，臭氧气氛的湿度、含量可调，且在高湿度的情况下不会干扰臭氧的检测和分析，使臭氧净化评价更加准确高效，延长了检测装置的使用寿命。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种湿度、含量可调的臭氧净化评价系统，包括臭氧发生装置、水汽生成装置、气体混合装置、臭氧净化反应装置、臭氧检测装置，所述气体混合装置设置于所述臭氧发生装置与所述臭氧净化反应装置之间，所述臭氧净化反应装置设置于所述气体混合装置与所述臭氧检测装置之间，所述臭氧发生装置、所述水汽生成装置的出气口分别与所述气体混合装置的进气口相连；所述臭氧净化反应装置与所述臭氧检测装置之间设置有气体干燥装置。

所述臭氧发生装置包括o2气路、石英螺旋盘管、低气压气体放电灯和用于计量臭氧生成量的流量计，所述流量计设置于所述石英螺旋盘管与所述气体混合装置之间，o2通过所述o2气路通入所述石英螺旋盘管，所述石英螺旋盘管由所述低气压气体放电灯包裹。

所述石英螺旋盘管的管径为3～6mm，例如管径为3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm；所述石英螺旋盘管的长度为10～40cm，例如长度为10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm；所述石英螺旋盘管的横截面的直径为50～100mm，例如横截面的直径为50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm。

所述水汽生成装置包括n2气路、吹脱洗瓶鼓泡器和用于计量水汽生成量的流量计，所述流量计设置于所述吹脱洗瓶鼓泡器与所述气体混合装置之间，n2通过所述n2气路通入所述吹脱洗瓶鼓泡器。

所述气体干燥装置中的干燥剂为氯化钙颗粒、变色硅胶颗粒、氧化铝颗粒、分子筛或浓硫酸中的一种或至少两种的混合物；

优选地，所述干燥剂的用量为所述气体干燥装置的体积的三分之一；

优选地，所述氯化钙颗粒的目数为20～40目，所述变色硅胶颗粒的粒径为5mm，所述氧化铝颗粒的粒径为5mm，所述分子筛为5a分子筛、13x分子筛，所述分子筛的粒径为5mm，所述浓硫酸的质量分数为98％。

所述气体混合装置的进气口还可以通入挥发污染物组分，优选地，所述挥发污染物组分为苯。

本发明的目的之二在于提供一种臭氧净化评价系统的评价方法，包括如下步骤：

1)将o2通入所述臭氧发生装置制备臭氧，将n2通入所述水汽生成装置制备水汽；

2)将步骤1)生成的臭氧与水汽在所述气体混合装置混合，混合均匀后将混合气通入所述臭氧净化反应装置进行臭氧降解反应；

3)将步骤2)反应后的尾气通入所述气体干燥装置干燥；

4)将步骤3)干燥后的尾气通入所述臭氧检测装置检测臭氧浓度。

步骤1)中，所述臭氧的生成过程为：将所述低气压气体放电灯插入所述石英螺旋盘管内，通电后产生紫外光，将高纯o2通入所述石英螺旋盘管，在紫外光照射下生成臭氧；

优选地，所述o2的流量为1～500ml，例如1ml、100ml、200ml、300ml、400ml、500ml；

优选地，所述低气压气体放电灯产生的紫外光的主波长为185nm；

优选地，所述低气压气体放电灯的通电电压为220v，通电电功率为10～40w。

步骤1)中，所述水汽的生成过程为：将高纯n2通入所述吹脱洗瓶鼓泡器，所述吹脱洗瓶鼓泡器盛装三分之一的去离子纯净水，将所述吹脱洗瓶鼓泡器置于恒温水浴中，调整所述水浴的温度生成水汽；

优选地，所述n2的流量为500～2000ml，例如500ml、600ml、700ml、800ml、900ml、1000ml、1100ml、1200ml、1300ml、1400ml、1500ml、1600ml、1700ml、1800ml、1900ml、2000ml；

优选地，所述水浴的温度范围为10～99℃，例如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃、98℃、99℃。

步骤2)中，所述气体混合装置混合气体的过程为，步骤1)制得的臭氧与氧气的混合物、挥发的水汽汇合，经由第三路高纯n2平衡进入所述气体混合装置混合；

优选地，所述气体混合装置还混合有苯，所述苯经苯气体支路通入所述气体混合装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的湿度、含量可调的臭氧净化评价系统，水汽和臭氧的配制方法简单易控制，效率优良。本发明通过系列工序集成，能模拟臭氧和水汽混杂的污染气氛满足模拟环境污染的具体要求，且最大限度减低能量消耗和减免复杂工序。

(2)本发明的湿度、含量可调的臭氧净化评价系统，不仅达到了臭氧污染气氛模拟的目的，而且通过气体干燥装置能够规避水汽的存在对臭氧定量的干绕，确保臭氧分析高效准确，延长了检测装置的使用寿命。

(3)本发明提供的臭氧净化评价系统的评价方法，广泛适用于污水处理厂、印刷厂等固定源臭氧净化处理的模拟评价装置，将有效地加快臭氧净化材料开发的进程，可作为评价臭氧净化技术的工程预实验装备。

附图说明

图1为本发明的湿度、含量可调的臭氧净化评价系统的结构示意图；

图2为图1的实物流程图；

图3(a)为图1中的臭氧发生装置的结构示意图；

图3(b)为图1中的臭氧发生装置的横截面结构示意图；

图4为本发明的实施例1的臭氧配气稳定结果示意图；

图5为图4的臭氧配置过程重复7次得到的臭氧配气稳定结果示意图；

图6为本发明的实施例2的经干燥前后测得的臭氧浓度、湿度变化的示意图；

图7为图6重复3次经干燥前后测得的臭氧浓度变化的示意图；

图8为本发明的实施例3的不同湿度条件下臭氧尾气分解的示意图。

附图标记如下：

1-臭氧发生装置；11-石英螺旋盘管；12-低气压气体放电灯；2-水汽生成装置；3-气体混合装置；4-臭氧净化反应装置；5-气体干燥装置；6-臭氧检测装置；7-平衡气支路；8-其他污染物气体支路。

具体实施方式

下面结合附图1-8并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明的一种湿度、含量可调的臭氧净化评价系统，包括臭氧发生装置1、水汽生成装置2、气体混合装置3、臭氧净化反应装置4、臭氧检测装置6，气体混合装置3设置于臭氧发生装置1与臭氧净化反应装置4之间，臭氧净化反应装置4设置于气体混合装置3与臭氧检测装置6之间，臭氧发生装置1、水汽生成装置2的出气口分别与气体混合装置3的进气口相连；臭氧净化反应装置4与臭氧检测装置6之间设置有气体干燥装置5。图2为本发明的湿度、含量可调的臭氧净化评价系统的实物流程图。如图3(a)所示，臭氧发生装置1包括o2气路、石英螺旋盘管11、低气压气体放电灯12和用于计量臭氧生成量的流量计，流量计设置于石英螺旋盘管11与气体混合装置3之间，o2通过o2气路通入石英螺旋盘管11，生成的o3经计量计计量后进入气体混合装置3；低气压气体放电灯12可以为紫外灯，其数量可调；流量计可以为质量流量计；通过流量计控制o2的流量以及开启低气压气体放电灯的数量，精确控制臭氧生成的含量。石英螺旋盘管11由所述低气压气体放电灯12包裹，包裹的定义为，石英螺旋盘管11的外侧可设置有多个低压气体放电灯12，石英盘管旋转后的长度方向与低压气体放电灯12的长度方向一致，石英螺旋盘管11的内侧也可设置有低压气体放电灯，且数量可调。图3(b)为图3(a)的横截面的结构示意图。石英螺旋盘管11的管径为3～6mm，石英螺旋盘管11的长度为10～40cm,石英螺旋盘管11的横截面的直径为50～100mm。可调节放电灯型号、功率和数量，氧气流量，以及石英盘管长度等参数，调整臭氧的生成量。

水汽生成装置2包括n2气路、吹脱洗瓶鼓泡器和用于计量水汽生成量的流量计，流量计设置于吹脱洗瓶鼓泡器与气体混合装置3之间，n2通过n2气路通入吹脱洗瓶鼓泡器，生成的水汽经计量计计量后进入气体混合装置3。

气体干燥装置5中的干燥剂为氯化钙颗粒、变色硅胶颗粒、氧化铝颗粒、分子筛或浓硫酸中的一种或至少两种的混合物。干燥剂的用量为气体干燥装置5的体积的三分之一，使混合尾气中的水汽被适当吸收。优选地，氯化钙颗粒的目数为20～40目，变色硅胶颗粒的粒径为5mm，氧化铝颗粒的粒径为5mm，分子筛为5a分子筛、13x分子筛，分子筛的粒径为5mm，浓硫酸的质量分数为98％。气体混合装置3的进气口还可以通过其他污染物气体支路8通入挥发污染物组分，由此模拟臭氧和水汽混杂的污染气氛满足模拟环境污染的具体要求。优选地，挥发污染物组分为苯。

本发明的臭氧净化评价系统的评价方法，包括如下步骤：

1)将o2通入臭氧发生装置1制备臭氧，将n2通入水汽生成装置2制备水汽。

其中，臭氧的生成过程为：将低气压气体放电灯12插入石英螺旋盘管11内，通电后产生紫外光，将高纯o2通入石英螺旋盘管11，在紫外光照射下生成臭氧。可调节放电灯型号、功率和数量，氧气流量，以及石英盘管长度等参数，调整臭氧的生成量。氧气流量可调，优选地，o2的流量为1～500ml；石英盘管径和长度可调。臭氧发生器内的石英盘管内可插入低气压气体放电灯一根或数根，优选地，低气压气体放电灯12产生的紫外光的主波长为185nm；优选地，低气压气体放电灯12的通电电压为220v，通电电功率为10～40w。

水汽的生成过程为：将高纯n2通入吹脱洗瓶鼓泡器，吹脱洗瓶鼓泡器盛装三分之一的去离子纯净水，将吹脱洗瓶鼓泡器置于恒温水浴中，调整水浴的温度即可定量生成水汽，调制出湿度的大小。优选地，n2的流量为500～2000ml；优选地，水浴的温度范围为10～99℃。

2)将步骤1)生成的臭氧与水汽在气体混合装置3混合，混合均匀后将混合气通入臭氧净化反应装置4进行臭氧降解反应；其中，气体混合装置3混合气体的过程为，步骤1)制得的臭氧与氧气的混合物、挥发的水汽汇合，第三路高纯n2经由平衡气支路7平衡进入气体混合装置3混合；优选地，气体混合装置3还混合有苯，苯经苯气体支路通入气体混合装置3。根据如上流程模拟出浓度均一的臭氧夹杂水汽的复杂污染气氛，方便后续净化装置进行臭氧降解评价以及考察其他因素诸如水汽对臭氧净化的影响规律。上述的模拟污染气氛，进入装有臭氧净化物料的臭氧净化反应装置4，该部分温度可控且恒定。臭氧净化反应装置4截止阀关闭，则配置的污染气氛经由旁路进入臭氧检测装置6，确认配气是否达到所需，全程保温防止水汽凝结。

3)将步骤2)反应后的尾气通入气体干燥装置5干燥；将净化后的尾气或者旁路的配气导入气体干燥装置5，去除水汽防止水汽进入臭氧检测装置6导致仪器损坏或则干扰臭氧的浓度分析。

4)将步骤3)干燥后的尾气通入臭氧检测装置6检测臭氧浓度，干燥后的尾气使仪器能避免水汽的侵蚀，延长使用寿命。

实施例1

a.将含有体积分数为99.99％的n2和o2钢瓶气连通本发明的臭氧净化评价系统；

b.在室温条件下，将钢瓶气通入设备，经过质量流量计控制n2流量为800ml/min，o2流量为200ml/min，两种气体混合进入石英玻璃盘管，打开一支单色185nm的紫外灯进行照射，功率为36w，排入分析检测设备；

c.用美国2bmodel202型臭氧分析仪(臭氧检测装置6)实时在线分析臭氧浓度(其精度为1.5ppb)；

经过12个小时在线测试，得到臭氧配气稳定结果如图4所示。由图4可以看出，20分钟后臭氧发生浓度稳定，恒定浓度为15.4ppm，标准偏差为0.23，误差范围为所测浓度的1.49％。

将上述臭氧配置过程重复7次得到结果如图5所示，由图5可以看出，经过20分钟臭氧发生配气稳定，七次测试均浓度恒定为15.4左右，相对偏差为0.095，可以证明系统的稳定性。

实施例2

a.将含有体积分数为99.99％的n2和o2钢瓶气连通本发明的臭氧净化评价系统；

b.在室温条件下(25℃)，将钢瓶气通入设备，经过质量流量计控制n2流量为800ml/min，流入盛装去离子水的吹脱瓶中。吹脱瓶置入水浴恒温环境，恒定温度设置为15℃。之后与流量为200ml/min的o2混合，进入石英玻璃管，打开一支单色185nm的紫外灯进行照射，功率为36w，空管通入整个设备；

c.尾气进入气体干燥装置5(干燥室)进行干燥预处理，气体干燥装置5为盛装为500ml三角洗瓶，内部盛装1/3体积的浓硫酸或氯化钙颗粒或13x或5a沸石分子筛中的一种或几种。作为对比，尾气不进入气体干燥装置5直接进入臭氧检测器。

d.用美国2bmodel202型臭氧分析仪实时在线分析臭氧浓度(其精度为1.5ppb)；相对湿度用center310温湿度检测仪在线分析，实验结果见图6所示。

如图6所示，经过气体干燥装置5对尾气的水汽处理，配比的臭氧浓度没有明显衰减，而经过气体干燥装置5尾气的湿度得到大幅削减。这样就保护了臭氧的分析检测设备。图6中损坏的臭氧分析仪电磁阀，就是之前汽水未被控制长时间积累减损了使用寿命。因此，本发明中有效增加了水汽控制单元，即通过增加气体干燥装置5，去除混合尾气中的水汽，在保证臭氧浓度不变的情形下，控制过量水汽侵蚀核心检测设备。

将上述臭氧和水汽混合，有效控制水汽进入检测设备并观察臭氧浓度变化，实验条件如上所示，重复三次得到结果如图7所示。

由图7可以看出，经过约20分钟臭氧发生配气稳定，三次混合水汽测试臭氧浓度均恒定为15.4左右，相对湿度为70％。但进入检测系统的水汽降低到2.5％以下。可以证明系统的稳定性和延长检测设备使用寿命。

实施例3

a.将含有体积分数为99.99％的n2和o2钢瓶气连通本发明的臭氧净化评价系统；

b.在室温条件下(25℃)，将钢瓶气通入设备，经过质量流量计控制n2流量为800ml/min，流入盛装去离子水的吹脱瓶中或吹脱瓶干燥不盛装水。吹脱瓶置入水浴恒温环境，恒定温度设置为15℃。之后与流量为200ml/min的o2混合，进入石英玻璃管，打开一支单色185nm的紫外灯进行照射，功率为36w，空管通入整个设备；

c.将配合的气氛通入装有固体材料的石英反应管之中，固体材料为自制的锰氧化物，重量为0.2克，压片筛分得到40～60目颗粒，过程无明显压降。

d.尾气进入气体干燥装置5进行干燥预处理，气体干燥装置5为盛装为500ml三角洗瓶，内部盛装1/3体积的浓硫酸或氯化钙颗粒或13x或5a沸石分子筛中的一种或几种。

e.用美国2bmodel202型臭氧分析仪实时在线分析臭氧浓度(其精度为1.5ppb)；相对湿度用center310温湿度检测仪在线分析，得到催化剂净化臭氧的实时监测浓度结果如图8所示。

如图8所示，经过约30分钟臭氧配气稳定为15.4ppm后，先后通入装有锰氧化物的反应管之中，臭氧迅速得到分解。在相对湿度为10％气氛中，长达7h的测试中，均为监测臭氧污染；而在70％相对湿度下，有0.7ppm臭氧污染残留。

综上实验可知，新建立的臭氧、水汽混合配气反应系统，不仅能精确控制臭氧生成浓度，也可配合模拟水汽存在的复合污染，尾气系统能选择性的去除水汽而不影响臭氧的含量，方便进行分析检测，可以方便演示、评价臭氧和水汽的协同污染效应，且污染物检测设备被有效的防护，在模拟高湿度的同时，不影响臭氧检测器的使用寿命，可广泛应用于臭氧的污染模拟及臭氧生成领域。

本发明提供的一种满足臭氧配气稳定、相对湿度、含量可调的臭氧净化评价系统，可用于环境中臭氧净化的模拟评价，可广泛应用于科研及教学领域。

以上实施例仅用来说明本发明的详细方法，本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。