本發(fā)明屬于大氣污染凈化技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)及評價方法。

背景技術(shù)：

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(huán)境有雙刃劍的作用。在大氣同溫層，臭氧對我們的生存環(huán)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(jīng)系統(tǒng)等產(chǎn)生不同程度的影響，還能夠損害人體的免疫機(jī)能，致使淋巴細(xì)胞發(fā)生染色體病變，加速人體的衰老，導(dǎo)致畸形兒的出生率增加。世界衛(wèi)生組織規(guī)定，連續(xù)工作8小時環(huán)境中臭氧的濃度不能超過0.1ppm。目前，室內(nèi)家居、辦公場所、大型娛樂場所等都存在臭氧污染問題，開發(fā)實用效果優(yōu)良的臭氧清除設(shè)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(fā)是一個十分活躍研究領(lǐng)域，但穩(wěn)定的臭氧配比以及不同濕度的調(diào)制等要求系統(tǒng)設(shè)備具有優(yōu)異的可控性能。但是，現(xiàn)有技術(shù)中傳統(tǒng)的抽煙凈化中臭氧生成不穩(wěn)定，臭氧的濕度高，對臭氧檢測帶來極大的干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供一種濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)，臭氧氣氛的濕度、含量可調(diào)，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(zhǔn)確高效，延長了檢測裝置的使用壽命。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)，包括臭氧發(fā)生裝置、水汽生成裝置、氣體混合裝置、臭氧凈化反應(yīng)裝置、臭氧檢測裝置，所述氣體混合裝置設(shè)置于所述臭氧發(fā)生裝置與所述臭氧凈化反應(yīng)裝置之間，所述臭氧凈化反應(yīng)裝置設(shè)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(fā)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(jìn)氣口相連；所述臭氧凈化反應(yīng)裝置與所述臭氧檢測裝置之間設(shè)置有氣體干燥裝置。

所述臭氧發(fā)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(shè)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(shè)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(yōu)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(yōu)選地，所述氯化鈣顆粒的目數(shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％。

所述氣體混合裝置的進(jìn)氣口還可以通入揮發(fā)污染物組分，優(yōu)選地，所述揮發(fā)污染物組分為苯。

本發(fā)明的目的之二在于提供一種臭氧凈化評價系統(tǒng)的評價方法，包括如下步驟：

1)將o2通入所述臭氧發(fā)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(yīng)裝置進(jìn)行臭氧降解反應(yīng)；

3)將步驟2)反應(yīng)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(nèi)，通電后產(chǎn)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(yōu)選地，所述o2的流量為1～500ml，例如1ml、100ml、200ml、300ml、400ml、500ml；

優(yōu)選地，所述低氣壓氣體放電燈產(chǎn)生的紫外光的主波長為185nm；

優(yōu)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(diào)整所述水浴的溫度生成水汽；

優(yōu)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(yōu)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(fā)的水汽匯合，經(jīng)由第三路高純n2平衡進(jìn)入所述氣體混合裝置混合；

優(yōu)選地，所述氣體混合裝置還混合有苯，所述苯經(jīng)苯氣體支路通入所述氣體混合裝置。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

(1)本發(fā)明的濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)，水汽和臭氧的配制方法簡單易控制，效率優(yōu)良。本發(fā)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(huán)境污染的具體要求，且最大限度減低能量消耗和減免復(fù)雜工序。

(2)本發(fā)明的濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)，不僅達(dá)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(guī)避水汽的存在對臭氧定量的干繞，確保臭氧分析高效準(zhǔn)確，延長了檢測裝置的使用壽命。

(3)本發(fā)明提供的臭氧凈化評價系統(tǒng)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(fā)的進(jìn)程，可作為評價臭氧凈化技術(shù)的工程預(yù)實驗裝備。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3(b)為圖1中的臭氧發(fā)生裝置的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的實施例1的臭氧配氣穩(wěn)定結(jié)果示意圖；

圖5為圖4的臭氧配置過程重復(fù)7次得到的臭氧配氣穩(wěn)定結(jié)果示意圖；

圖6為本發(fā)明的實施例2的經(jīng)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(fù)3次經(jīng)干燥前后測得的臭氧濃度變化的示意圖；

圖8為本發(fā)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(biāo)記如下：

1-臭氧發(fā)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(yīng)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(jié)合附圖1-8并通過具體實施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，本發(fā)明的一種濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)，包括臭氧發(fā)生裝置1、水汽生成裝置2、氣體混合裝置3、臭氧凈化反應(yīng)裝置4、臭氧檢測裝置6，氣體混合裝置3設(shè)置于臭氧發(fā)生裝置1與臭氧凈化反應(yīng)裝置4之間，臭氧凈化反應(yīng)裝置4設(shè)置于氣體混合裝置3與臭氧檢測裝置6之間，臭氧發(fā)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(jìn)氣口相連；臭氧凈化反應(yīng)裝置4與臭氧檢測裝置6之間設(shè)置有氣體干燥裝置5。圖2為本發(fā)明的濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)的實物流程圖。如圖3(a)所示，臭氧發(fā)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(shè)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(jīng)計量計計量后進(jìn)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(shù)量可調(diào)；流量計可以為質(zhì)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(shù)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(cè)可設(shè)置有多個低壓氣體放電燈12，石英盤管旋轉(zhuǎn)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(nèi)側(cè)也可設(shè)置有低壓氣體放電燈，且數(shù)量可調(diào)。圖3(b)為圖3(a)的橫截面的結(jié)構(gòu)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?？烧{(diào)節(jié)放電燈型號、功率和數(shù)量，氧氣流量，以及石英盤管長度等參數(shù)，調(diào)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(shè)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(jīng)計量計計量后進(jìn)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(dāng)吸收。優(yōu)選地，氯化鈣顆粒的目數(shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％。氣體混合裝置3的進(jìn)氣口還可以通過其他污染物氣體支路8通入揮發(fā)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(huán)境污染的具體要求。優(yōu)選地，揮發(fā)污染物組分為苯。

本發(fā)明的臭氧凈化評價系統(tǒng)的評價方法，包括如下步驟：

1)將o2通入臭氧發(fā)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(nèi)，通電后產(chǎn)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?？烧{(diào)節(jié)放電燈型號、功率和數(shù)量，氧氣流量，以及石英盤管長度等參數(shù)，調(diào)整臭氧的生成量。氧氣流量可調(diào)，優(yōu)選地，o2的流量為1～500ml；石英盤管徑和長度可調(diào)。臭氧發(fā)生器內(nèi)的石英盤管內(nèi)可插入低氣壓氣體放電燈一根或數(shù)根，優(yōu)選地，低氣壓氣體放電燈12產(chǎn)生的紫外光的主波長為185nm；優(yōu)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(diào)整水浴的溫度即可定量生成水汽，調(diào)制出濕度的大小。優(yōu)選地，n2的流量為500～2000ml；優(yōu)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(yīng)裝置4進(jìn)行臭氧降解反應(yīng)；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(fā)的水汽匯合，第三路高純n2經(jīng)由平衡氣支路7平衡進(jìn)入氣體混合裝置3混合；優(yōu)選地，氣體混合裝置3還混合有苯，苯經(jīng)苯氣體支路通入氣體混合裝置3。根據(jù)如上流程模擬出濃度均一的臭氧夾雜水汽的復(fù)雜污染氣氛，方便后續(xù)凈化裝置進(jìn)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(guī)律。上述的模擬污染氣氛，進(jìn)入裝有臭氧凈化物料的臭氧凈化反應(yīng)裝置4，該部分溫度可控且恒定。臭氧凈化反應(yīng)裝置4截止閥關(guān)閉，則配置的污染氣氛經(jīng)由旁路進(jìn)入臭氧檢測裝置6，確認(rèn)配氣是否達(dá)到所需，全程保溫防止水汽凝結(jié)。

3)將步驟2)反應(yīng)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(dǎo)入氣體干燥裝置5，去除水汽防止水汽進(jìn)入臭氧檢測裝置6導(dǎo)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?jǐn)?shù)為99.99％的n2和o2鋼瓶氣連通本發(fā)明的臭氧凈化評價系統(tǒng)；

b.在室溫條件下，將鋼瓶氣通入設(shè)備，經(jīng)過質(zhì)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(jìn)入石英玻璃盤管，打開一支單色185nm的紫外燈進(jìn)行照射，功率為36w，排入分析檢測設(shè)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(jīng)過12個小時在線測試，得到臭氧配氣穩(wěn)定結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，20分鐘后臭氧發(fā)生濃度穩(wěn)定，恒定濃度為15.4ppm，標(biāo)準(zhǔn)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(fù)7次得到結(jié)果如圖5所示，由圖5可以看出，經(jīng)過20分鐘臭氧發(fā)生配氣穩(wěn)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(tǒng)的穩(wěn)定性。

實施例2

a.將含有體積分?jǐn)?shù)為99.99％的n2和o2鋼瓶氣連通本發(fā)明的臭氧凈化評價系統(tǒng)；

b.在室溫條件下(25℃)，將鋼瓶氣通入設(shè)備，經(jīng)過質(zhì)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(huán)境，恒定溫度設(shè)置為15℃。之后與流量為200ml/min的o2混合，進(jìn)入石英玻璃管，打開一支單色185nm的紫外燈進(jìn)行照射，功率為36w，空管通入整個設(shè)備；

c.尾氣進(jìn)入氣體干燥裝置5(干燥室)進(jìn)行干燥預(yù)處理，氣體干燥裝置5為盛裝為500ml三角洗瓶，內(nèi)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(jìn)入氣體干燥裝置5直接進(jìn)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(jié)果見圖6所示。

如圖6所示，經(jīng)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(jīng)過氣體干燥裝置5尾氣的濕度得到大幅削減。這樣就保護(hù)了臭氧的分析檢測設(shè)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(fā)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(shè)備。

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

由圖7可以看出，經(jīng)過約20分鐘臭氧發(fā)生配氣穩(wěn)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(jìn)入檢測系統(tǒng)的水汽降低到2.5％以下?？梢宰C明系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延長檢測設(shè)備使用壽命。

實施例3

a.將含有體積分?jǐn)?shù)為99.99％的n2和o2鋼瓶氣連通本發(fā)明的臭氧凈化評價系統(tǒng)；

b.在室溫條件下(25℃)，將鋼瓶氣通入設(shè)備，經(jīng)過質(zhì)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(huán)境，恒定溫度設(shè)置為15℃。之后與流量為200ml/min的o2混合，進(jìn)入石英玻璃管，打開一支單色185nm的紫外燈進(jìn)行照射，功率為36w，空管通入整個設(shè)備；

c.將配合的氣氛通入裝有固體材料的石英反應(yīng)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(jìn)入氣體干燥裝置5進(jìn)行干燥預(yù)處理，氣體干燥裝置5為盛裝為500ml三角洗瓶，內(nèi)部盛裝1/3體積的濃硫酸或氯化鈣顆?；?3x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(jiān)測濃度結(jié)果如圖8所示。

如圖8所示，經(jīng)過約30分鐘臭氧配氣穩(wěn)定為15.4ppm后，先后通入裝有錳氧化物的反應(yīng)管之中，臭氧迅速得到分解。在相對濕度為10％氣氛中，長達(dá)7h的測試中，均為監(jiān)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(yīng)系統(tǒng)，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(fù)合污染，尾氣系統(tǒng)能選擇性的去除水汽而不影響臭氧的含量，方便進(jìn)行分析檢測，可以方便演示、評價臭氧和水汽的協(xié)同污染效應(yīng)，且污染物檢測設(shè)備被有效的防護(hù)，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(yīng)用于臭氧的污染模擬及臭氧生成領(lǐng)域。

本發(fā)明提供的一種滿足臭氧配氣穩(wěn)定、相對濕度、含量可調(diào)的臭氧凈化評價系統(tǒng)，可用于環(huán)境中臭氧凈化的模擬評價，可廣泛應(yīng)用于科研及教學(xué)領(lǐng)域。

以上實施例僅用來說明本發(fā)明的詳細(xì)方法，本發(fā)明并不局限于上述詳細(xì)方法，即不意味著本發(fā)明必須依賴上述詳細(xì)方法才能實施。所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明了，對本發(fā)明的任何改進(jìn)，對本發(fā)明產(chǎn)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(fā)明的保護(hù)范圍和公開范圍之內(nèi)。