一種濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統及評價方法與流程

本發明屬于大氣污染凈化技術領域，涉及一種濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統及評價方法。

背景技術：

臭氧(o3)與氧氣(o2)是氧元素的同素異形體，對于人類賴以生存的環境有雙刃劍的作用。在大氣同溫層，臭氧對我們的生存環境是有好處的，它能夠抵擋有害的紫外線；然而在近地表處，臭氧卻是一個無形殺手，會對人體的皮膚以及神經系統等產生不同程度的影響，還能夠損害人體的免疫機能，致使淋巴細胞發生染色體病變，加速人體的衰老，導致畸形兒的出生率增加。世界衛生組織規定，連續工作8小時環境中臭氧的濃度不能超過0.1ppm。目前，室內家居、辦公場所、大型娛樂場所等都存在臭氧污染問題，開發實用效果優良的臭氧清除設備具備較好的市場前景。

目前處理臭氧的方法主要有：熱處理法、活性碳吸附法、電磁波輻射分解法、藥液吸收法和催化法，其中催化分解法是目前消除臭氧最為理想的方法之一。催化劑開發是一個十分活躍研究領域，但穩定的臭氧配比以及不同濕度的調制等要求系統設備具有優異的可控性能。但是，現有技術中傳統的抽煙凈化中臭氧生成不穩定，臭氧的濕度高，對臭氧檢測帶來極大的干擾。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統，臭氧氣氛的濕度、含量可調，且在高濕度的情況下不會干擾臭氧的檢測和分析，使臭氧凈化評價更加準確高效，延長了檢測裝置的使用壽命。

為達此目的，本發明采用以下技術方案：

一種濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統，包括臭氧發生裝置、水汽生成裝置、氣體混合裝置、臭氧凈化反應裝置、臭氧檢測裝置，所述氣體混合裝置設置于所述臭氧發生裝置與所述臭氧凈化反應裝置之間，所述臭氧凈化反應裝置設置于所述氣體混合裝置與所述臭氧檢測裝置之間，所述臭氧發生裝置、所述水汽生成裝置的出氣口分別與所述氣體混合裝置的進氣口相連；所述臭氧凈化反應裝置與所述臭氧檢測裝置之間設置有氣體干燥裝置。

所述臭氧發生裝置包括o2氣路、石英螺旋盤管、低氣壓氣體放電燈和用于計量臭氧生成量的流量計，所述流量計設置于所述石英螺旋盤管與所述氣體混合裝置之間，o2通過所述o2氣路通入所述石英螺旋盤管，所述石英螺旋盤管由所述低氣壓氣體放電燈包裹。

所述石英螺旋盤管的管徑為3～6mm，例如管徑為3mm、3.5mm、4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm；所述石英螺旋盤管的長度為10～40cm，例如長度為10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm；所述石英螺旋盤管的橫截面的直徑為50～100mm，例如橫截面的直徑為50mm、60mm、70mm、80mm、90mm、100mm。

所述水汽生成裝置包括n2氣路、吹脫洗瓶鼓泡器和用于計量水汽生成量的流量計，所述流量計設置于所述吹脫洗瓶鼓泡器與所述氣體混合裝置之間，n2通過所述n2氣路通入所述吹脫洗瓶鼓泡器。

所述氣體干燥裝置中的干燥劑為氯化鈣顆粒、變色硅膠顆粒、氧化鋁顆粒、分子篩或濃硫酸中的一種或至少兩種的混合物；

優選地，所述干燥劑的用量為所述氣體干燥裝置的體積的三分之一；

優選地，所述氯化鈣顆粒的目數為20～40目，所述變色硅膠顆粒的粒徑為5mm，所述氧化鋁顆粒的粒徑為5mm，所述分子篩為5a分子篩、13x分子篩，所述分子篩的粒徑為5mm，所述濃硫酸的質量分數為98％。

所述氣體混合裝置的進氣口還可以通入揮發污染物組分，優選地，所述揮發污染物組分為苯。

本發明的目的之二在于提供一種臭氧凈化評價系統的評價方法，包括如下步驟：

1)將o2通入所述臭氧發生裝置制備臭氧，將n2通入所述水汽生成裝置制備水汽；

2)將步驟1)生成的臭氧與水汽在所述氣體混合裝置混合，混合均勻后將混合氣通入所述臭氧凈化反應裝置進行臭氧降解反應；

3)將步驟2)反應后的尾氣通入所述氣體干燥裝置干燥；

4)將步驟3)干燥后的尾氣通入所述臭氧檢測裝置檢測臭氧濃度。

步驟1)中，所述臭氧的生成過程為：將所述低氣壓氣體放電燈插入所述石英螺旋盤管內，通電后產生紫外光，將高純o2通入所述石英螺旋盤管，在紫外光照射下生成臭氧；

優選地，所述o2的流量為1～500ml，例如1ml、100ml、200ml、300ml、400ml、500ml；

優選地，所述低氣壓氣體放電燈產生的紫外光的主波長為185nm；

優選地，所述低氣壓氣體放電燈的通電電壓為220v，通電電功率為10～40w。

步驟1)中，所述水汽的生成過程為：將高純n2通入所述吹脫洗瓶鼓泡器，所述吹脫洗瓶鼓泡器盛裝三分之一的去離子純凈水，將所述吹脫洗瓶鼓泡器置于恒溫水浴中，調整所述水浴的溫度生成水汽；

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

優選地，所述水浴的溫度范圍為10～99℃，例如10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃、91℃、92℃、93℃、94℃、95℃、96℃、97℃、98℃、99℃。

步驟2)中，所述氣體混合裝置混合氣體的過程為，步驟1)制得的臭氧與氧氣的混合物、揮發的水汽匯合，經由第三路高純n2平衡進入所述氣體混合裝置混合；

優選地，所述氣體混合裝置還混合有苯，所述苯經苯氣體支路通入所述氣體混合裝置。

與現有技術相比，本發明的有益效果為：

(1)本發明的濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統，水汽和臭氧的配制方法簡單易控制，效率優良。本發明通過系列工序集成，能模擬臭氧和水汽混雜的污染氣氛滿足模擬環境污染的具體要求，且最大限度減低能量消耗和減免復雜工序。

(2)本發明的濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統，不僅達到了臭氧污染氣氛模擬的目的，而且通過氣體干燥裝置能夠規避水汽的存在對臭氧定量的干繞，確保臭氧分析高效準確，延長了檢測裝置的使用壽命。

(3)本發明提供的臭氧凈化評價系統的評價方法，廣泛適用于污水處理廠、印刷廠等固定源臭氧凈化處理的模擬評價裝置，將有效地加快臭氧凈化材料開發的進程，可作為評價臭氧凈化技術的工程預實驗裝備。

附圖說明

圖1為本發明的濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統的結構示意圖；

圖2為圖1的實物流程圖；

圖3(a)為圖1中的臭氧發生裝置的結構示意圖；

圖3(b)為圖1中的臭氧發生裝置的橫截面結構示意圖；

圖4為本發明的實施例1的臭氧配氣穩定結果示意圖；

圖5為圖4的臭氧配置過程重復7次得到的臭氧配氣穩定結果示意圖；

圖6為本發明的實施例2的經干燥前后測得的臭氧濃度、濕度變化的示意圖；

圖7為圖6重復3次經干燥前后測得的臭氧濃度變化的示意圖；

圖8為本發明的實施例3的不同濕度條件下臭氧尾氣分解的示意圖。

附圖標記如下：

1-臭氧發生裝置；11-石英螺旋盤管；12-低氣壓氣體放電燈；2-水汽生成裝置；3-氣體混合裝置；4-臭氧凈化反應裝置；5-氣體干燥裝置；6-臭氧檢測裝置；7-平衡氣支路；8-其他污染物氣體支路。

具體實施方式

下面結合附圖1-8并通過具體實施方式來進一步說明本發明的技術方案。

如圖1所示，本發明的一種濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統，包括臭氧發生裝置1、水汽生成裝置2、氣體混合裝置3、臭氧凈化反應裝置4、臭氧檢測裝置6，氣體混合裝置3設置于臭氧發生裝置1與臭氧凈化反應裝置4之間，臭氧凈化反應裝置4設置于氣體混合裝置3與臭氧檢測裝置6之間，臭氧發生裝置1、水汽生成裝置2的出氣口分別與氣體混合裝置3的進氣口相連；臭氧凈化反應裝置4與臭氧檢測裝置6之間設置有氣體干燥裝置5。圖2為本發明的濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統的實物流程圖。如圖3(a)所示，臭氧發生裝置1包括o2氣路、石英螺旋盤管11、低氣壓氣體放電燈12和用于計量臭氧生成量的流量計，流量計設置于石英螺旋盤管11與氣體混合裝置3之間，o2通過o2氣路通入石英螺旋盤管11，生成的o3經計量計計量后進入氣體混合裝置3；低氣壓氣體放電燈12可以為紫外燈，其數量可調；流量計可以為質量流量計；通過流量計控制o2的流量以及開啟低氣壓氣體放電燈的數量，精確控制臭氧生成的含量。石英螺旋盤管11由所述低氣壓氣體放電燈12包裹，包裹的定義為，石英螺旋盤管11的外側可設置有多個低壓氣體放電燈12，石英盤管旋轉后的長度方向與低壓氣體放電燈12的長度方向一致，石英螺旋盤管11的內側也可設置有低壓氣體放電燈，且數量可調。圖3(b)為圖3(a)的橫截面的結構示意圖。石英螺旋盤管11的管徑為3～6mm，石英螺旋盤管11的長度為10～40cm,石英螺旋盤管11的橫截面的直徑為50～100mm。可調節放電燈型號、功率和數量，氧氣流量，以及石英盤管長度等參數，調整臭氧的生成量。

水汽生成裝置2包括n2氣路、吹脫洗瓶鼓泡器和用于計量水汽生成量的流量計，流量計設置于吹脫洗瓶鼓泡器與氣體混合裝置3之間，n2通過n2氣路通入吹脫洗瓶鼓泡器，生成的水汽經計量計計量后進入氣體混合裝置3。

氣體干燥裝置5中的干燥劑為氯化鈣顆粒、變色硅膠顆粒、氧化鋁顆粒、分子篩或濃硫酸中的一種或至少兩種的混合物。干燥劑的用量為氣體干燥裝置5的體積的三分之一，使混合尾氣中的水汽被適當吸收。優選地，氯化鈣顆粒的目數為20～40目，變色硅膠顆粒的粒徑為5mm，氧化鋁顆粒的粒徑為5mm，分子篩為5a分子篩、13x分子篩，分子篩的粒徑為5mm，濃硫酸的質量分數為98％。氣體混合裝置3的進氣口還可以通過其他污染物氣體支路8通入揮發污染物組分，由此模擬臭氧和水汽混雜的污染氣氛滿足模擬環境污染的具體要求。優選地，揮發污染物組分為苯。

本發明的臭氧凈化評價系統的評價方法，包括如下步驟：

1)將o2通入臭氧發生裝置1制備臭氧，將n2通入水汽生成裝置2制備水汽。

其中，臭氧的生成過程為：將低氣壓氣體放電燈12插入石英螺旋盤管11內，通電后產生紫外光，將高純o2通入石英螺旋盤管11，在紫外光照射下生成臭氧。可調節放電燈型號、功率和數量，氧氣流量，以及石英盤管長度等參數，調整臭氧的生成量。氧氣流量可調，優選地，o2的流量為1～500ml；石英盤管徑和長度可調。臭氧發生器內的石英盤管內可插入低氣壓氣體放電燈一根或數根，優選地，低氣壓氣體放電燈12產生的紫外光的主波長為185nm；優選地，低氣壓氣體放電燈12的通電電壓為220v，通電電功率為10～40w。

水汽的生成過程為：將高純n2通入吹脫洗瓶鼓泡器，吹脫洗瓶鼓泡器盛裝三分之一的去離子純凈水，將吹脫洗瓶鼓泡器置于恒溫水浴中，調整水浴的溫度即可定量生成水汽，調制出濕度的大小。優選地，n2的流量為500～2000ml；優選地，水浴的溫度范圍為10～99℃。

2)將步驟1)生成的臭氧與水汽在氣體混合裝置3混合，混合均勻后將混合氣通入臭氧凈化反應裝置4進行臭氧降解反應；其中，氣體混合裝置3混合氣體的過程為，步驟1)制得的臭氧與氧氣的混合物、揮發的水汽匯合，第三路高純n2經由平衡氣支路7平衡進入氣體混合裝置3混合；優選地，氣體混合裝置3還混合有苯，苯經苯氣體支路通入氣體混合裝置3。根據如上流程模擬出濃度均一的臭氧夾雜水汽的復雜污染氣氛，方便后續凈化裝置進行臭氧降解評價以及考察其他因素諸如水汽對臭氧凈化的影響規律。上述的模擬污染氣氛，進入裝有臭氧凈化物料的臭氧凈化反應裝置4，該部分溫度可控且恒定。臭氧凈化反應裝置4截止閥關閉，則配置的污染氣氛經由旁路進入臭氧檢測裝置6，確認配氣是否達到所需，全程保溫防止水汽凝結。

3)將步驟2)反應后的尾氣通入氣體干燥裝置5干燥；將凈化后的尾氣或者旁路的配氣導入氣體干燥裝置5，去除水汽防止水汽進入臭氧檢測裝置6導致儀器損壞或則干擾臭氧的濃度分析。

4)將步驟3)干燥后的尾氣通入臭氧檢測裝置6檢測臭氧濃度，干燥后的尾氣使儀器能避免水汽的侵蝕，延長使用壽命。

實施例1

a.將含有體積分數為99.99％的n2和o2鋼瓶氣連通本發明的臭氧凈化評價系統；

b.在室溫條件下，將鋼瓶氣通入設備，經過質量流量計控制n2流量為800ml/min，o2流量為200ml/min，兩種氣體混合進入石英玻璃盤管，打開一支單色185nm的紫外燈進行照射，功率為36w，排入分析檢測設備；

c.用美國2bmodel202型臭氧分析儀(臭氧檢測裝置6)實時在線分析臭氧濃度(其精度為1.5ppb)；

經過12個小時在線測試，得到臭氧配氣穩定結果如圖4所示。由圖4可以看出，20分鐘后臭氧發生濃度穩定，恒定濃度為15.4ppm，標準偏差為0.23，誤差范圍為所測濃度的1.49％。

將上述臭氧配置過程重復7次得到結果如圖5所示，由圖5可以看出，經過20分鐘臭氧發生配氣穩定，七次測試均濃度恒定為15.4左右，相對偏差為0.095，可以證明系統的穩定性。

實施例2

a.將含有體積分數為99.99％的n2和o2鋼瓶氣連通本發明的臭氧凈化評價系統；

b.在室溫條件下(25℃)，將鋼瓶氣通入設備，經過質量流量計控制n2流量為800ml/min，流入盛裝去離子水的吹脫瓶中。吹脫瓶置入水浴恒溫環境，恒定溫度設置為15℃。之后與流量為200ml/min的o2混合，進入石英玻璃管，打開一支單色185nm的紫外燈進行照射，功率為36w，空管通入整個設備；

c.尾氣進入氣體干燥裝置5(干燥室)進行干燥預處理，氣體干燥裝置5為盛裝為500ml三角洗瓶，內部盛裝1/3體積的濃硫酸或氯化鈣顆粒或13x或5a沸石分子篩中的一種或幾種。作為對比，尾氣不進入氣體干燥裝置5直接進入臭氧檢測器。

d.用美國2bmodel202型臭氧分析儀實時在線分析臭氧濃度(其精度為1.5ppb)；相對濕度用center310溫濕度檢測儀在線分析，實驗結果見圖6所示。

如圖6所示，經過氣體干燥裝置5對尾氣的水汽處理，配比的臭氧濃度沒有明顯衰減，而經過氣體干燥裝置5尾氣的濕度得到大幅削減。這樣就保護了臭氧的分析檢測設備。圖6中損壞的臭氧分析儀電磁閥，就是之前汽水未被控制長時間積累減損了使用壽命。因此，本發明中有效增加了水汽控制單元，即通過增加氣體干燥裝置5，去除混合尾氣中的水汽，在保證臭氧濃度不變的情形下，控制過量水汽侵蝕核心檢測設備。

將上述臭氧和水汽混合，有效控制水汽進入檢測設備并觀察臭氧濃度變化，實驗條件如上所示，重復三次得到結果如圖7所示。

由圖7可以看出，經過約20分鐘臭氧發生配氣穩定，三次混合水汽測試臭氧濃度均恒定為15.4左右，相對濕度為70％。但進入檢測系統的水汽降低到2.5％以下。可以證明系統的穩定性和延長檢測設備使用壽命。

實施例3

a.將含有體積分數為99.99％的n2和o2鋼瓶氣連通本發明的臭氧凈化評價系統；

b.在室溫條件下(25℃)，將鋼瓶氣通入設備，經過質量流量計控制n2流量為800ml/min，流入盛裝去離子水的吹脫瓶中或吹脫瓶干燥不盛裝水。吹脫瓶置入水浴恒溫環境，恒定溫度設置為15℃。之后與流量為200ml/min的o2混合，進入石英玻璃管，打開一支單色185nm的紫外燈進行照射，功率為36w，空管通入整個設備；

c.將配合的氣氛通入裝有固體材料的石英反應管之中，固體材料為自制的錳氧化物，重量為0.2克，壓片篩分得到40～60目顆粒，過程無明顯壓降。

d.尾氣進入氣體干燥裝置5進行干燥預處理，氣體干燥裝置5為盛裝為500ml三角洗瓶，內部盛裝1/3體積的濃硫酸或氯化鈣顆粒或13x或5a沸石分子篩中的一種或幾種。

e.用美國2bmodel202型臭氧分析儀實時在線分析臭氧濃度(其精度為1.5ppb)；相對濕度用center310溫濕度檢測儀在線分析，得到催化劑凈化臭氧的實時監測濃度結果如圖8所示。

如圖8所示，經過約30分鐘臭氧配氣穩定為15.4ppm后，先后通入裝有錳氧化物的反應管之中，臭氧迅速得到分解。在相對濕度為10％氣氛中，長達7h的測試中，均為監測臭氧污染；而在70％相對濕度下，有0.7ppm臭氧污染殘留。

綜上實驗可知，新建立的臭氧、水汽混合配氣反應系統，不僅能精確控制臭氧生成濃度，也可配合模擬水汽存在的復合污染，尾氣系統能選擇性的去除水汽而不影響臭氧的含量，方便進行分析檢測，可以方便演示、評價臭氧和水汽的協同污染效應，且污染物檢測設備被有效的防護，在模擬高濕度的同時，不影響臭氧檢測器的使用壽命，可廣泛應用于臭氧的污染模擬及臭氧生成領域。

本發明提供的一種滿足臭氧配氣穩定、相對濕度、含量可調的臭氧凈化評價系統，可用于環境中臭氧凈化的模擬評價，可廣泛應用于科研及教學領域。

以上實施例僅用來說明本發明的詳細方法，本發明并不局限于上述詳細方法，即不意味著本發明必須依賴上述詳細方法才能實施。所屬技術領域的技術人員應該明了，對本發明的任何改進，對本發明產品各原料的等效替換及輔助成分的添加、具體方式的選擇等，均落在本發明的保護范圍和公開范圍之內。