臭氧的物化性質(zhì)和制備方法

[db:作者] / 2023-01-12 00:00

臭氧

[分子結(jié)構(gòu)]臭氧的分子結(jié)構(gòu)呈三角形，頂角的角度為116.8°。

[物化性質(zhì)]常溫常壓下，較低濃度的臭氧是無色氣體，當(dāng)濃度達(dá)到15%時(shí)，臭氧為淡藍(lán)色氣體。密度為2.14g/L(0℃，0.1MPa)，熔點(diǎn)-251℃，沸點(diǎn)-112℃，有特殊臭味。臭氧分子結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，常溫下自行分解為氧氣，1%濃度以下臭氧在空氣中的半衰期為0.5h左右，高溫下分解迅速。在水中比在空氣中更容易自行分解，臭氧在不同溫度下的水中溶解度見表7-3。具有極強(qiáng)的氧化能力，與其他氧化性物質(zhì)氧化性對比如下：氟>氫氧根>臭氧>過氧化氫>高錳酸根>二氧化氯>次氯酸>氯氣>氧氣。

表7-3 臭氧在不同溫度下的水中的溶解度

[制備方法]目前產(chǎn)生臭氧的方法大致有電暈放電法、紫外線輻射法和電化學(xué)法。電化學(xué)法是利用直流電源電解含氧電解質(zhì)產(chǎn)生臭氧的方法。紫外線輻射法原理是仿效大氣層上空紫外線促使分子分解并聚合成臭氧的方法，即用人工產(chǎn)生的紫外線促使氧分子分解并聚合成臭氧的方法。電暈放電法是在常壓下使大量氧氣體在交流高壓電場作用下產(chǎn)生電暈放電生成臭氧的過程，電暈放電法臭氧發(fā)生器相對能耗較低，廣泛應(yīng)用于工業(yè)。

(1)電暈放電法

電暈放電法產(chǎn)生臭氧的反應(yīng)過程主要有以下4個(gè)步驟：

①高壓電場使氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生放電，放電通道中產(chǎn)生一定能量的電子；

②電子的無規(guī)則的運(yùn)動碰撞引起氧分子的電離，分解產(chǎn)生氧原子；

O2+高能量電子→2O+低能量電子

③氧原子和氧分子結(jié)合起來產(chǎn)生臭氧，式中M是間隙中的任何其他氣體分子；

O+O2+M→O4+M+熱

④與此同時(shí)，原子氧和電子也同樣同臭氧反應(yīng)形成氧。

O+O4→2O2

O4+e-1→O2+O+e-1

圖7-2是一種典型電暈放電元件示意，由充滿氣體的間隙和一塊介電體分開的兩塊金屬板電極組成。在對電極施加高電壓，同時(shí)含氧氣體從放電間隙流過。輸入到電暈中的大部分電能，主要以熱的形式散失，較小部分轉(zhuǎn)化為光、聲、化學(xué)等能量。

圖7-2典型電暈放電元件

目前大多數(shù)臭氧發(fā)生器都是根據(jù)電暈放電原理制成的，結(jié)構(gòu)大致相同，通過細(xì)節(jié)上的改進(jìn)來提高臭氧的產(chǎn)生量。如美國專利7402289提出一種臭氧發(fā)生裝置，不僅提高了臭氧產(chǎn)生的效率而且減少了副產(chǎn)物NOx的濃度。臭氧發(fā)生器的主要裝置是由一對低壓電極和高壓電極組成，電極上附帶一種光催化材料(由WO3、CrO2、Fe2O3、TiO2，金屬半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，鐵電體組成)，前后通入三種氣體原料，第一種為99.9%以上的O2，第二種為微量的氧化物氣體，如NO2、NO、N2、CO2、CO，濃度小至0.2μL/m4，大至幾百微升每升；第三種原料是通過電極放電和光引發(fā)使氧化物氣體分解產(chǎn)生的氣體，如N2O、NO2、CO等，濃度小至幾百微升每升，大至50000uL/L。第二種原料和第三種原料可以促進(jìn)氧氣和氧化物氣體的分解，從而提高臭氧的產(chǎn)生率。

(2)電化學(xué)法

電化學(xué)法制備臭氧所需設(shè)備相對簡易，常用于小型規(guī)模的生產(chǎn)。電解裝置由陰陽兩極和電解質(zhì)溶液構(gòu)成，陽極處析出臭氧，陰極處析出氫氣。電化學(xué)反應(yīng)式如下。

電解法制備臭氧的過程中，陽極材料首先必須具備較高的析氧過電位以有利于較多臭氧的產(chǎn)生，同時(shí)也要具有一定的耐腐蝕性。常用的電極材料主要有Pb、Au、PbO2，戴峻等探討了探討了Pb及鉛合金電極的電化學(xué)性能、耐腐蝕性能和電解產(chǎn)生臭氧的產(chǎn)率，及鉛合金電極在不同電流強(qiáng)度下電解產(chǎn)生臭氧的最佳條件。結(jié)果表明：摻雜Sn、Ce等金屬能提高鉛合金電極的析氧電位和臭氧產(chǎn)率，其中以Pb-0.8%、Sn-0.1%、Ca-0.1%、Ce合金電極為陽極，鉑電極為陰極，飽和硫酸鉀溶液為電解液，pH=1，電流強(qiáng)度為7.5mA時(shí)，產(chǎn)生臭氧的最高電流效率達(dá)到19%。

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