臭氧技术相关知识

(一)空气源和氧气源

臭氧发生器一般由空气中的氧气或氧气瓶中的纯氧为原料气体。

以瓶装氧气或小型制氧机为气源的臭氧发生器，称为氧气源的臭氧发生器。

以空气为气源的臭氧发生器称为空气源臭氧发生器。

两种臭氧发生器的配置和结构基本相同，但同样功率和大小的臭氧发生器氧气源的发生器比空气源的臭氧发生器臭氧发生量大。

有人认为空气源的臭氧发生器在设备价格和运行成本方面比氧气源的臭氧发生器优越。这是误解。其实同样发生量的臭氧发生器空气源的价格远比氧气源的高。只有当需要的发生量很大（大于100g/h，甚至150g/h以上）的臭氧发生器。用氧气钢瓶既麻烦又运行费用高时才考虑用氧气源的臭氧发生器。而50g/h以下的臭氧发生器用氧气源的更经济、合算。如果换氧气钢瓶不方便,也可选用带制氧机的臭氧发生器。

事实上，空气源的臭氧发生器的空气，并不是一般的压缩空气就可以用，而是要对空气进行压缩、过滤、冷干、吸干等多种处理后才能使用。如果不经过处理，仅用压缩空气为气源，臭氧发生量会很小。（参考第一章第四节）其中最关键的问题是空气中含有大量的水分，这对臭氧的产生极为不利。而且臭氧发生量随环境温度湿度的变化很大。只有在要求很低的领域才可以应用不经处理的空气源臭氧发生器。

有的臭氧生产企业，以不经过深度干燥处理的空气源臭氧发生器有每小时几十克的臭氧发生量是误导。

进一步了解这方面的知识，请打咨询电话0571-886200093。

（二）露点和空气的含湿量和相对湿度

臭氧对空气源的干燥度要求很高，空气的干燥度可以用相对湿度或露点来表示。

空气不经过干燥处理，它含有大量的水蒸汽。在30℃相对湿度80%的每Kg空气中含有水蒸气的量约为22g。每Kg空气中水蒸汽含量的上限值称为饱和含湿量。该值随着空气的温度的上升而上升。30℃的饱和含湿量为26g，15℃为11g，0℃为3g.所以冬天空气中的含湿量小，夏天空气中的含湿量高。

相对湿度是不饱和的空气中的绝对湿度和同一湿度下的饱和绝对湿度比值，以百分数表示。百分数越高越潮湿。如果有一团不饱和湿空气，当温度不断下降到某一温度时，这团空气中的水蒸汽就会达到饱和值，并有水份析出，也就凝“露水”了。这个温度叫这团湿空气的露点温度，简称“露点”。露点可以表示这团空气中的水份含量。

空气干燥露点低，空气潮湿露点就高。

如：(环境温度为25℃，相对湿度为70%时)露点为+16℃，水份含量为12.8 g/m³

(环境温度为0℃，相对湿度为50%时)露点为-10℃，水份含量为2.4 g/m³

空气的露点为-23℃，水份含量为0.7 g/m³

空气的露点为-45℃，水份含量为0.1 g/m³

一般空气源臭氧发生器的气源露点要求小于-45℃以下，所以就必须要用有足够容量的冷干、吸干低露点组合式干燥机来处理空气。

（三）空气中臭氧浓度和灭菌浓度

空气中臭氧浓度的单位一般有两种，ppm和mg/m³.

空气中的臭氧浓度高低和细菌杀灭率直接相关。一般说来浓度高杀灭率高，浓度低杀灭率低。另外它和环境的相对湿度有关，相对湿度大于70%以上杀灭有效，低于40%杀灭无效。

Ppm是百万分之一质量比，即单位体积内空气中的臭氧的质量/空气的质量

mg/m³是每m³空气中的臭氧的含量（mg）

由于空气的质量随温度而变所以ppm和mg/m³的换算

1ppm=2 mg/m³(室温25℃)

1ppm=2.14 mg/m³（室温0℃）

实践表明，当空气中的臭氧浓度达到15ppm或30 mg/m³相对湿度大于70%其自然菌的杀灭率可达99%以上。

空气中的臭氧浓度可用我公司CYQC-1型空气臭氧浓度速测仪进行测试。

（四）水中的臭氧浓度和灭菌浓度

水中的臭氧浓度的单位一般有两种mg/L和ppm.

水中的臭氧浓度高低和细菌的杀灭率直接有关。水用臭氧消毒灭菌有一个阈值，一般水中的剩余臭氧浓度达到0.3mg/L，水中的细菌繁殖体，真菌繁殖体，几分钟顷刻被杀灭。水溶性病毒的杀灭更容易。

所谓剩余臭氧浓度，就是用臭氧把水中的有机物、微生物和其他可被氧化的物质氧化后，水中剩余的臭氧浓度。一般臭氧加到水中以后，过10~30分钟测出的浓度已可认为是剩余臭氧浓度。

综上所述，一般经过中空纤维超滤，反渗透膜过滤过的净水，剩余臭氧浓度达到0.3~0.6 mg/L，大肠杆菌、菌落总数都能达到零指标。只要防止二次再污染（如瓶子、盖子的污染）微生物指标不会有大问题。但真菌孢子、藻类孢子的杀灭比较困难。要0.8~1 mg/L才能杀灭。但0.6 mg/L以上的臭氧浓度有可能影响水的口感，用户要注意。没有经过过滤的水，如过细菌和污物结成团杀灭也就比较困难了。

Ppm是百万分之一的质量比，即单位体积水中臭氧的质量/水的质量

mg/L是每升水中臭氧的质量。

不考虑水随温度变化而密度有微小变化的因素，可以认为水中的臭氧浓度1ppm=1 mg/L

水中臭氧浓度可用我公司的CHYC-1型臭氧浓度速测仪进行测试。

（五）为什么用臭氧对空气消毒时，空气湿度高，消毒效果好？

臭氧消毒机理是：臭氧中的原子态氧有强烈的氧化作用，能将细菌的细胞壁（膜）破坏，使其不能繁殖。也能浸透细胞壁，进入细菌内部破坏其新陈代谢必须的原酶。

臭氧会进入细菌的细胞壁。当空气湿度高，细菌的细胞壁会被软化，臭氧容易浸入细胞壁和细胞内部，氧化破坏细菌原酶，杀灭细菌，所以，当空气湿度高时臭氧杀菌效果好。

但是特别要指出的是，开放式臭氧发生器特别是沿面放电的开放式臭氧发生器，其气源就是室内空气，如果湿度高明显降低臭氧发生量，所以这是一对矛盾。所以建议湿度较高的车间空气消毒,用CFY型臭氧发生器的集中外置式臭氧消毒方案比较合理,因为集中外置式臭氧消毒方案把消毒空间和臭氧生产隔离开了。

（六）臭氧半衰期的概念是什么

臭氧极不稳定，两个臭氧分子能复合成三个氧气分子。

O3 + O3 碰撞 3O2

由于臭氧要复合成氧气，所以在水中或空气中，原有的臭氧浓度要不断的减少。臭氧浓度递减的速度可用半衰期来表示。半衰期是臭氧浓度减少到原来浓度一半所需要的时间。

文献资料一般认为25℃时空气中的臭氧半衰期约为30~40分钟；25℃是空气中的臭氧半衰期约为100分钟。

温度越高O3复合越容易，半衰期越短。

水温在4℃时中水臭氧的半衰期可达几天或更长。冬季加臭氧制水，特别要注意此问题。因此,要根据室温情况及时增减臭氧投放量.制定合理的臭氧消毒工艺方案.

（七）空气中臭氧投放量计算

本节需要一定的高等数学知识,有兴趣的读者可以详细阅读.一般只需了解结果即可.

一、概述：

臭氧灭菌率和臭氧浓度有关。卫生部2002版《消毒技术规范》162页有关臭氧灭菌章节中指出，“采用20mg浓度的臭氧作用30分钟，对自然菌的杀灭率达到90%以上。”所以，达到一定浓度的臭氧浓度是保证自然菌杀灭率的关键。

如果臭氧投放量为A，需消毒灭菌空间容积为V。空间内的臭氧浓度并不是A/V，因为投放不能瞬时进行，又因为臭氧要随时间而衰减。所以臭氧浓度随时间不断变化。

当t=0时，在某一灭菌空间内的臭氧量为mo。随着时间的推移，mo的值要不断的减少。当mo值衰减到1/2·mo时的时间称为半衰期，定义为τ。

二、衰变系数公式得出：

臭氧浓度η=（一定容积内的臭氧量M）÷ 容积值。

所以臭氧量M和臭氧浓度η的关系十分明确。

臭氧量M是随时间而变的变量，即M是时间t的函数。

M=M（t）

臭氧量M要随时间衰变。它的衰减速度可用

dM /dt表示，并正比臭氧量M。即

dM /dt=-λM………………………（1）

其中λ为衰变系数，负号表示是衰减。

解微分方程（1）：dM /dt=-λM

分离变量： dM /M=-λdt

两边积分： ∫dM /M=∫-λdt

lnM=-λt+c

M=e-λt+c=ec·e-λt

令ec=cˊ则 M= cˊ·e-λt

当t=0时，M=MO，初始条件代入上式

MO = cˊ·e-λ·0

e-λ·0=1 得cˊ= MO

得解： M= MO·e-λt………………………（2）

令初试臭氧MO衰减到1/2·MO时的时间为半衰期τ，则τ应满足：

1/2·MO= MOe-λτ

1/2=e-λτ 1/2=1/eλτ 2=eλτ

λτ=ln2

λ= ln2/τ……………………… (3)

(3)式为衰变系数λ和半衰期的关系。臭氧在空气中的半衰期在文献中比较乱。有的说是一小时，有的说是半小时。

事实上，臭氧在空气中的半衰期τ是随空气温度、湿度而变化。我们通过实验得到了较为可信的数据。

温度 35OC 30 OC 26 OC 23.5 OC 20 OC

τ(分钟) 32 48 65 98 120

在室温25 OC（70%相对湿度）半衰期为1小时可以认为是正确的，在大于35 OC的室温情况下的半衰期可以认为的半小时。

三、消毒空间即时臭氧总量的计算公式的得出

设：⑴杀灭空间内的臭氧量为m，(m=f(t)是时间的函数)

⑵A为单位时间的投放量

⑶λ= ln2/τ为衰减函数，（τ为某一温度下的半衰期）

则有微分方程：dm=Adt-λmdt…………………(4)

意思是：在dt时间内，臭氧的增加量dm等于单位时间内臭氧投放量乘以dt，减去在dt时间内的衰减量

dm/dt=A-λm

这是一个一阶线性非齐次方程，其标准式为

yˊ+p(x)y=q(x)

其通解为 y=e-∫p(x) dx[∫q(x) e∫p(x) dx•dx+c]

对于我们的方程：

y=m p(x)= λ q(x)=A x=t

代入通解： m=e-∫λdt[∫A• e∫p(x) dx•dt+c1]

积分得 m=e-λt[∫A• eλt•dt+c1]

再积分得 m=e-λt[（A/λ）•（eλt+ c2）+c1]

化简 m=e-λt[（A/λ）•eλt+ （A/λ）•c2+c1]

令（A/λ）•c2+c1=c 则

m=e-λt[（A/λ）•eλt+c]

化简 m=A/λ+c e-λt

代入初始条件：当t=0时，还没有臭氧投放，则m=0

0=A/λ+ c e-λ˙0 (c e-λ˙0=1)

得 c=-A/λ

代入 m=A/λ-（A/λ）e-λt

m=A/λ（1- e-λt）………………（5）

（5）式即为我们在灭菌方案中用的臭氧即时总量计算公式。

四、臭氧投放量和投放时间

式（5）m=A/λ（1- e-λt）全面描述了臭氧投放量、衰减量和时间之间的关系。其中：A为单位时间的臭氧投放量

λ为衰变系数 λ= ln2/τ

τ为臭氧半衰期 由实验确定

m为消毒空间内的即时臭氧总量 它是时间的函数 m=f(t)

至此，只要知道单位时间臭氧投放量，臭氧半衰期τ，任何时间t时的消毒空间内的臭氧量便能得出。

例题:对于1500m3的消毒空间要达到15PPM，（30mg/ m3）的臭氧浓度，空间内的臭氧总量应为：m=1500m3x30 mg/ m3=45g

如果用一台80g/h的臭氧发生器,即A=80g/h的臭氧发生器,开多少时间能达到要求.

（1）25 OC时的τ为1小时，代入（5）式有：

45=80τ/ln2[1-e(- ln2/τ)·t]

计算 1-e(- ln2/τ)·t=0.39

e(- ln2/τ)·t=0.61

两边取以e为底的对数 t·ln2=0.495

t=0.71小时

注意:仅仅是达到15ppm的臭氧浓度的时间,还需加作用0.5小时的保持臭氧浓度时间,则开启臭氧发生器的时间应为T=0.71+0.5=1.21小时

（2）若气温高于35OC，则τ=0.5小时

45=[80/（2ln2）]·[1-e(- 2ln2)·t]

1-e(- 2ln2)·t=0.7796

e- 2 t·ln2=0.220

取对数： 2t·ln2=1.5

t=1.5/(2·ln2)

t=1.5/1.386

t=1.08小时

（3）T=1.08+0.5=1.58小时

八、为什么水中臭氧消毒灭菌效果特别好

臭氧溶于水中后会出现下列两种反应：一种是直接氧化；另一种是在水中羟基、过氧化氢、有机物、腐殖质和高浓度的氢氧根诱发下自行分解成羟基自由基(-OH)，间接氧化有机物，微生物。羟基自由基是最强的氧化剂，消毒灭菌能力比臭氧更强。因为水中臭氧消毒灭菌O3 和-OH双重作用,所以臭氧在水中消毒灭菌效果特别好.

九、水中PH值对臭氧的影响

由于氢氧根能诱发臭氧自行分解成羟基自由基，所以低PH（酸性）条件下有利于臭氧直接氧化反应，而高PH值（碱性）条件下有利于羟基自由基的间接氧化反应。因此，臭氧溶解于呈碱性的水中，臭氧分解较快，无法直接检测水中臭氧含量，但氧化杀菌效果仍然存在且更好。但考虑到检测的方便，水中使用臭氧，应保持水呈弱酸性。

十、气水混合

臭氧气体要高效的混合到水中，需要使用气水混合装置，常用的气水混合装置有三种：

1、水射器(文丘里管)是利用高速水流在变径管道中流动造成的负压区吸入臭氧气，并形成湍流起到混合效果。 

而在文丘里管后设置固定螺旋混合器则可进一步起搅拌水、气作用，在较长的距离内保持湍流状态以加强吸收。 

这种装置由于混合时间很短，所以在其输出管道后常常还需加设贮水罐，以增加水、气接触时间，并使水流速降低以使臭氧尾气析出。它的混合效率高、费用低、占地面积小，生产成本低，但需加设水泵以保证水的喷射速度，而且工艺参数不易掌握，会出现回水的情况,且处理水量不能随意调节，否则将发生气、液两相分离，影响吸收效果

2. 鼓泡法：大型水处理用鼓泡池，小型水处理则常用鼓泡塔（混合塔或称氧化塔）要求鼓泡器（布气器）有小(几个微米到几十微米孔径)的孔径以增加臭氧的比表面积，而且要求孔径布气均匀，以使水、气全面接触，尤其是在鼓泡池中用多个布气器时，同时一般要求从水面到布气器表面，水深不小于4-5m，以利于气、水充分接触。 

它的优点是：操作方便，可以很容易改变运行参数而不影响投加效果和工作的稳定，动力消耗少，鼓泡塔结构简单，维修方便。 

但其体积过于庞大，池式占地面积大，塔式要求较高厂房且成本较高

3.搅拌法：使用涡轮泵，混合效果很好，而且体积小巧，工艺参数操作容易，但结构复杂成本高，动力消耗大，维修复杂，在它的管路后而也需设置贮水罐。

十一、碘量法测试臭氧发生量的原理和方法

臭氧发生器每小时产生臭氧的量常采用碘量法测试，方法如下：

1.用分析纯KI20g溶于纯净水中，制成1000ml溶液。

2.用Na2S2O3·5H2O（硫代硫酸钠）25g溶于纯净水中制成0.1mol1000ml溶液，则其中Na2S2O3有158*25/（158+18*5）=15.93g。

3.在一容器中倒入一定量的KI溶液，注入少许稀硫酸（使溶液呈酸性，防止臭氧过快分解），通过布气头往溶液中通30秒钟臭氧，溶液呈现褐色（臭氧越多，颜色越深）。过程即方程式①

4.用硫代硫酸钠溶液滴定上面所得溶液直到无色，过程即方程式②。所用掉的硫代硫酸钠溶液的体积（ml）乘以0.288（见计算式③）生器的发生量（g）

碘量法的测试原理基于以下方程式：

O3+2KI+H20＝O2+I2+2KOH ①

I2+2Na2S2O3＝2NaI+Na2S4O6 ②

设30秒内臭氧发生量为Ag，消耗掉的Na2S2O3溶液为Bml，则Na2S2O3有15.93B/1000g

方程式化简后为O3 ∽2Na2S2O3

48 316

A 15.93B/1000

则A=48*15.93B/1000/316(30秒)，

推得1小时产生臭氧120A=120*48*15.93B/1000/316=0.288B ③

十二、怎样速测水中剩余臭氧浓度

使用CHYC-1型水中臭氧浓度测试仪（见本公司产品介绍之）

测试方法：在A、B试管中各加入5ml被测臭氧水，同时在B管中加入一小包DPD测试粉，水立刻变成红色，转动比色盘比较两视窗颜色，直到两管达到相同色度，此时读数窗口的数据，即为水中臭氧浓度。（注意：被测水若为碱性，此方法不适用，但杀菌效果仍然存在。）

十三、怎样测量空气中剩余臭氧浓度

使用CYQC-1型空气中臭氧浓度测试仪（见本公司产品介绍之）

测试方法：折断测试管两头，将测试管插入气体采样器。用采样器抽取含有臭氧的被测空气100ml，臭氧气体氧化测试管内浸有化学药品的蓝色药粉，使蓝色变白，由变白的长度读出测试管中的刻度来确定空气。