板式臭氧发生器的高效稳定性及其在水处理中的应用

The High Efficiency and Stability of Plate-Type Ozone Generators and Its Application in Water Treatment

摘要: 臭氧作为一种高效且环保的氧化剂，在水处理、空气净化、医疗消毒等多个领域发挥着重要作用。传统的管式臭氧发生技术存在效率不高、稳定性差、运营成本高等缺点，限制了其在更广泛领域的应用。针对这些问题，本文重点介绍了一种新型的板式臭氧发生器，该技术以其高效率、高稳定性和低运营成本等优势，在水处理行业中展现出卓越的性能。本文首先综述了臭氧的基本特性及其在水处理中的应用背景，然后详细阐述了板式臭氧发生器的工作原理、技术特点。此外，本文还探讨了板式臭氧发生器在工业废水处理、市政污水回用、饮用水深度净化等多个领域的应用实例，并对其市场前景和发展趋势进行了分析预测。最后，本文总结了板式臭氧发生器的优越性，并对其在水处理行业的应用潜力进行了展望。

Abstract: As an efficient and environmentally friendly oxidant, ozone plays a significant role in various fields such as water treatment, air purification, and medical disinfection. Traditional ozone generation technologies suffer from drawbacks such as low efficiency, poor stability, and high operational costs, which limit their broader application. This paper focuses on introducing a new type of plate-type ozone generator, which demonstrates excellent performance in the water treatment industry with its advantages of high efficiency, high stability, and low operational costs. The paper begins with a review of the basic properties of ozone and its application background in water treatment, then elaborates on the working principle and technical features of the plate-type ozone generator. Furthermore, the paper explores application examples of the plate-type ozone generator in industrial wastewater treatment, municipal sewage reuse, and deep purification of drinking water, and analyzes and forecasts its market prospects and development trends. Finally, the paper summarizes the advantages of the plate-type ozone generator and looks forward to its application potential in the water treatment industry.

1. 绪论

在全球化的工业发展浪潮中，水污染问题已成为制约社会经济可持续发展的关键因素之一[1]。随着人口增长和工业化进程的加快，水资源的保护和合理利用变得尤为重要。传统的水处理技术，如氯化消毒[2]、絮凝沉淀[3]等，虽然在一定程度上能够去除水中的悬浮物和部分有机物，但对于水中的微量有机污染物、病原微生物等的去除效果并不理想。此外，这些方法还可能产生有害的消毒副产品，对人体健康和生态环境构成潜在威胁[4]。因此，开发新型、高效的水处理技术已成为当务之急。

臭氧对各种污染物反应强烈，由于其溶解度和化学反应性，广泛用于污染控制[5]。臭氧的溶解行为由气态臭氧的分压、水温、传质条件、溶解的有机或无机物质和溶液pH所决定，是臭氧在水和废水处理中广泛应用的基础[6]。臭氧的其他物理性质，如气味和颜色，也可能与其应用密切相关。从化学反应的角度来看，无机污染物可以通过电子转移或氧原子转移反应被臭氧直接氧化[7]。含富电子或不饱和官能团的有机化合物可分别通过亲电取代或1,3-偶极环加成来选择性地臭氧化[8]-[10]。此外，由碳基、碳-氮双键或三键构成的有机化合物可以在缺电子的位置被氧化，例如碳原子。另一方面，自由基介导的反应是由臭氧分解引发的，臭氧分解是由均相催化剂催化的[11]。

臭氧(O₃)作为一种高效、环保的氧化剂[12]，在水处理领域展现出巨大的应用潜力。臭氧具有强氧化性，能够有效地氧化水中的有机污染物，杀灭细菌、病毒等微生物，且不产生有害的消毒副产品[13]。然而，传统的臭氧发生技术存在臭氧浓度低、设备稳定性差、能耗高等问题，限制了其在水处理领域的广泛应用[14]。近年来，随着材料科学和工程技术的不断进步，板式臭氧发生器作为一种新型的臭氧发生技术应运而生[15]。板式臭氧发生器采用独特的板式结构设计，通过优化放电间隙和使用特殊的介电材料，实现了臭氧的高浓度产出和长期稳定运行。

与传统的臭氧发生器相比，板式发生器具有更好的性能和更低的运营成本，为臭氧技术在水处理等领域的应用提供了新的解决方案。本文将从臭氧的基本特性和水处理中的应用出发，详细介绍板式臭氧发生器的工作原理、技术特点，并结合实验数据和文献分析，探讨其在不同条件下的臭氧分解动力学。本文还将探讨板式臭氧发生器在工业废水处理[16]、市政污水回用[17]、饮用水深度净化[18]等多个领域的应用实例，并对其市场前景和发展趋势进行分析预测。

臭氧(O₃)因其强氧化性和消毒能力，被广泛应用于水处理领域。作为一种有效的消毒剂，臭氧能够破坏微生物的细胞壁，并氧化有机物，从而实现水质净化。近年来，板式臭氧发生器因其结构紧凑、效率高、稳定性好等优点，逐渐成为水处理行业的重要设备。本文将对板式臭氧发生器的工作原理、高效稳定性及其在水处理中的应用进行详细综述。

2. 臭氧发生器的工作原理和类型

世界上第一台西门斯型臭氧发生器由冯·西门斯(Werner von Siemens)于1857年研制[19]。其结构主要包括两根玻璃管，外管的内外壁均覆盖锡。空气作为原料气从环状空间流过，内外管的金属表面连接到电源接线柱上[20]。这款装置成为现今广泛应用的电晕放电臭氧发生器的原型。电晕放电法则利用交变高压电场使含氧气体产生电晕放电，电离氧气分子(O₂)生成臭氧(O₃) [21]。电晕放电法可分为两种类型：沿面放电型和气隙放电型[22]。

沿面放电型结构简单、成本低，但效率低，臭氧浓度和产量较低。它在开放式空气处理方面有优势，但对于水处理，大型发生器难以满足大量生产的要求[23]。气隙放电型则效率高、浓度高、产量大，所有大型工业臭氧发生器均为此类型。气隙放电型的基本结构包括高压电极、地电极、介电层和放电气隙四部分[24]。由于臭氧生成是一个效率低的热反应过程，放电电极需要良好的冷却，根据冷却方式可分为水冷和气冷。电晕单元的形状有管式和板式两种，目前大型工业臭氧发生器基本为管式水冷(单侧水冷) [25]。其基本结构是在一个大的密封圆柱内装有许多管式电晕单元，相当于许多电晕单元并联，管的外侧为冷却水。

自1857年西门斯型臭氧发生器问世以来，介质阻挡放电法(Dielectric Barrier Discharge, DBD)已经成为工业上大规模臭氧生产的主要技术，大型臭氧发生器(臭氧生成量在1 kg/h以上)几乎全部采用这种方法[26]。静默放电，也称为介电势垒放电，是一种在放电间隙中插入介电势垒的非平衡放电过程[27]。通过气体放电产生臭氧的基本原理是在放电间隙中生成电子并激发氧分子，从而生成臭氧。在高压电源的作用下，空气或氧气经过介质阻挡放电单元时，产生高能电子和自由基，这些高能粒子与氧分子碰撞生成臭氧。其主要化学反应如下：

O₂ + e⁻ → 2O (1)

O + O₂ → O₃(2)

介质阻挡放电法是通过在放电空间中加入绝缘介质来实现的气体放电方式。具体来说，这种方法是在同心圆柱电极之间或两平行高压电极之间插入绝缘介电体，并保持一定的放电间隙[28]。当接入高压电源时，交变高压电场和磁场在放电通道内产生。当干燥空气或氧气通过放电通道时，氧分子被高能电子激发并相互碰撞，形成臭氧分子[29]。

由于在生成臭氧的过程中，电极间隙中会出现弥散的蓝紫色辉光放电现象，这种现象也被称为电晕放电法[30]。介质阻挡放电型臭氧发生器因其相对能耗低、单机臭氧产量大、市场占有率高[31]，已成为目前应用最广泛的臭氧合成装置。

臭氧产生的方法采用的是介质阻挡放电法，产生臭氧的容器称为放电室(也叫发生器)。放电室是臭氧发生器的核心部件，放电室主要由地电极、高压电极、陶瓷介电体、气导管、密封垫、钛板等组成。放电室原理图如图1所示。

工业上用于水处理的臭氧通常采用无声放电法生成，根据放电元件的基本结构，大致可分为三类，见表1。

Figure 1. Schematic diagram of ozone generator discharge chamber

图1.臭氧发生器放电室原理图

Table 1. Types of ozone generator structures

表1. 臭氧发生器结构类型

板式臭氧发生器	奥托(Otto) [32]板式(水冷)	劳泽(Lowther) [33]板式(气冷)
管式臭氧发生器	卧管管式(水冷)	立管管式(油–水双冷)
其他结构臭氧发生器	金属格网式等类板式	管式的变形组合式[34]

根据供电形式，这些发生器可以分为，见表2。

Table 2. Types of power supply for ozone generators

表2. 臭氧发生器供电类型

工频电源(50~60 Hz)	频率固定，电压可调
中频电源(400~600 Hz)	频率固定，电压可调
高频电源(>1000 Hz)	通常在3000~20,000 Hz范围内，频率可调，电压固定[35]

由于工频发生器体积大、功耗高，目前已基本退出市场。中频和高频发生器则因其体积小、功耗低、臭氧产量高等优点，成为现在的主流产品。

介电材料可以分为玻璃类、陶瓷类和树脂类。电介质是介质阻挡放电臭氧发生器的关键部分，能够限制放电电流，并且介电常数越高越好。理想的电介质应具备良好的绝缘性和导热性。

玻璃类介电材料的介电常数较低，耐高温性能较差，但具有较高的性价比。陶瓷类介电材料的介电常数较高，且耐腐蚀性能强。树脂类介电材料则具有较高的介电常数和良好的韧性[36]。

目前，国内外生产的大型臭氧发生器技术多采用中频或高频电源、管式或板式结构，普遍使用陶瓷代替玻璃作为电极间的介电体，并提升了中频电源的性能，从而提高生产效率并降低运行成本。

生产大型臭氧发生器的国内外主要厂商包括，见表3。

大型臭氧发生器的主要组件包括发生器罐体、放电单元、电源驱动单元和进气单元[37]。该设备能够在较高的臭氧浓度(≥80 mg/L)下，实现高效率(9~10 kWh/kgO₃)和较大产气量(1~300 kgO₃/h)。

目前市场上使用最广泛的是管式中频臭氧发生器，这种产品具有以下特点，见表4。

Table 3. Major domestic and foreign manufacturers of ozone generators

表3. 臭氧发生器国内外主要厂商

国外	瑞典(Ozonetech Systems公司)
	美国(DEL Ozone公司)
	瑞士(Ozonia公司)
	加拿大(Enaly Ozone Generator公司) 加拿大(Absolute Ozone公司)
	德国(WEDECO公司)
	法国(Trailigaz公司)
国内	广州科丽尔环境科技有限公司
	深圳市安吉尔饮水产业集团有限公司
	浙江华东环保科技有限公司
	青岛蓝海环保科技有限公司
	北京科瑞泰环保科技有限公司
	湖南远超臭氧设备有限公司

Table 4. Tubular MF ozone generator characteristics

表4. 管式中频臭氧发生器特点

管式中频臭氧发生器
放电室设计	采用单电极水冷系统，散热效果不佳，影响臭氧浓度
冷却水流动问题	冷却水的流动路径较长且分布不均匀，出现温度梯度
放电室长度	放电室较长，部分臭氧在经过过程中会分解，降低产生效率
介电体材料	使用陶瓷管作为介电体，介电常数和导热系数较低，影响臭氧的浓度和产量
结构设计	管状放电单元以蜂窝状结构分布在罐体内，体积较大，空间利用率低

相比之下，这种结构的臭氧发生器技术含量较低，使用了多种原材料，因此制造成本较高。此外，由于发生器体积庞大且结构非模块化，这给设备的运输、安装和维修带来了很多不便，增加了运输和维护费用，并对臭氧生产产生了一定的影响。同时，中频大型臭氧发生器的电源频率低于2000 Hz，这导致电源部件体积较大，自身损耗较高。因此，新产品的研究方向应集中在减小体积、提高效率、优化性能、简化维护和降低成本上。

近年来，欧洲、美国等发达国家在工业应用臭氧的工艺方面取得了显著进展。特别是在水处理领域，这些国家大多采用了臭氧与活性炭联合的深度处理工艺。此外，各种复合型臭氧水处理技术和多级臭氧化水处理技术首先在这些国家得到了开发和实际应用。除了水处理，这些国家还在医疗、卫生、食品加工、贮存以及水产养殖等领域开发了专用的臭氧设备，并广泛投入使用[38]。

随着臭氧发生器的体积不断缩小、能耗逐渐降低、产量不断提高，以及控制系统的自动化水平不断提升，臭氧的应用范围将不断扩大，其产业发展也将加速。

板式臭氧发生器是一种利用电晕放电原理产生臭氧的高效设备。其核心工作原理是，在高压电场的作用下，氧气或空气通过放电间隙时，氧分子被电离成氧原子，这些氧原子与周围的氧分子结合，形成具有强氧化性的臭氧分子，见图2。板式臭氧发生器结构图见图3。与传统的臭氧发生器相比，板式臭氧发生器具有多方面的优势和高效率、高稳定性和低运营成本的技术特点，板式臭氧发生器特点见表5。

Figure 2. Schematic diagram of plate ozone generator

图2. 板式臭氧发生器原理图

Figure 3. Structure of plate ozone generator

图3. 板式臭氧发生器的结构图

Table 5. Plate ozone generator characteristics

表5. 板式臭氧发生器特点

板式臭氧发生器
放电室设计	采用多极水冷方式，具有较高的热传导性能，有效散热
冷却水流动问题	采用蛇形管道或螺旋状的流道设计，增加冷却水与放电室壁面的接触面积，提高散热效率
放电室长度	放电室的长度根据臭氧产量需求和设备设计进行优化，确保放电的均匀性
介电体材料	耐热、耐腐蚀和耐老化性能优良的材料，高分子材料如PTFE(聚四氟乙烯)
结构设计	电极通常采用不锈钢或铝合金材料，保证导电性和耐腐蚀性。确保放电均匀，采用网状、针状或板状电极结构，采用模块化设计便于维修和更换部件

3. 应用领域

臭氧因其产生方便和氧化能力强，被广泛应用于化工产品制造、食品加工、水产养殖、医疗保健以及大气和水污染控制行业[39]。臭氧作为一种广谱消毒剂，能够灭活微生物，分解氯消毒副产品(DBPs) [40]的前体，同时在饮用水处理中去除气味和颜色。经生物处理的工业废水中残留的生物难降解有机化合物和还原性无机物可被臭氧进一步氧化。

3.1. 饮用水处理

板式臭氧发生器以其高效率、高稳定性和经济性，在多个领域展现出广泛的应用潜力。在饮用水处理中，它能有效消毒并去除有机污染物，与传统氯化消毒相比，不产生有害的消毒副产品。

3.2. 废水处理

在废水处理过程中，由于臭氧具有极强的氧化能力，被广泛用于去除复杂的有机污染物。臭氧分子(O₃)通过氧化反应与有机物分子发生化学作用，破坏其分子结构。这一过程能够分解大型有机分子，例如多环芳烃、染料、农药和药物残留，将它们转化为较小的、易于生物降解的分子或无害的终产物，如二氧化碳和水。废水处理领域中，它通过降低废水的BOD(生物需氧量) [41]和COD (化学需氧量) [42]，并对病原体进行消毒，展现了其在工业和市政废水处理中的有效性。

3.3. 医疗消毒

医疗消毒方面，板式臭氧发生器在医院空气消毒、水处理和表面消毒中，提供了一种无残留的消毒方式，臭氧还被用于手术室的消毒以及医疗用水的处理。板式臭氧发生器在疾病治疗和预防方面也有广泛应用。臭氧可以通过刺激人体免疫系统来治疗疾病和预防感染。在美国、意大利、德国等国家，板式臭氧发生器产生的臭氧已被用于治疗多种疾病，如脓肿、烧伤后遗症、结肠炎、真菌感染、直肠炎、伤口愈合和肝炎等。采用臭氧治疗疾病还具有简便和经济的优势[43]。

3.4. 农业应用

农业应用中，臭氧水用于灌溉和喷洒，减少作物病害，提高产量。纸浆和纺织品漂白过程中，臭氧作为一种环保的替代品，提高了产品白度，减少了环境污染。土壤修复方面，臭氧分解土壤中的有机污染物，恢复土壤生态功能。在固体废物处理中，臭氧用于废物的预处理和消毒，减少有害气体和液体的产生。

3.5. 其他方面

在游泳池水处理中，臭氧快速杀灭水中微生物，保持水质清洁，且对人体刺激小。空气净化方面，臭氧能够分解空气中的VOCs和其他有害气体，提升室内空气质量。食品加工和保鲜领域利用臭氧的消毒特性，延长食品保鲜期，同时避免使用氯气带来的环境污染。

此外，臭氧在水处理中的动力学研究表明，其分解过程符合伪一级动力学模型，且受pH和温度的影响，这些研究为臭氧发生器的设计和应用提供了重要的理论支持。综合来看，板式臭氧发生器的多方面应用不仅体现了其技术的先进性，更凸显了其在实际应用中的可靠性和经济性，为臭氧技术在多个领域的应用提供了坚实的理论基础。

我国对臭氧的应用也有将近三十年的时间，臭氧技术取得了高速发展，由早期臭氧发生器的研究发展到现在能在多方面应用的臭氧技术，规模上和技术水平上都有了很大的发展[44]。我国现在也有研究者应用臭氧处理印染废水和炼油废水，除脱色外，还能够分解一些水中的污染物[45]。研究人员利用催化剂吸附＋臭氧处理工业废水，在优化工艺条件后，对废水中的COD有良好的去除率[46]。楼台芳等[47]进行臭氧去除地表水中的有机污染物实验研究，在合适的条件下，COD的去除率能达到67%。

4. 市场前景与发展趋势

板式臭氧发生器作为一种新型的臭氧生成技术，在水处理和空气净化等多个领域展现出了巨大的市场潜力和发展前景。全球对环境保护和可持续发展的日益重视推动了对清洁饮用水和废水处理技术的不断追求，臭氧作为一种绿色、高效的氧化剂，其市场需求正逐年增长。技术创新，如放电间隙的优化、陶瓷介电体的应用、高频高压电源技术的发展以及模块化设计的创新，不仅显著提升了臭氧发生器的性能和稳定性，也大幅降低了运行成本。这些技术突破为板式臭氧发生器的市场推广提供了坚实的基础。环境法规的严格和政策层面的支持为臭氧技术的应用提供了有力的推动。许多国家出台了鼓励采用环保型技术和设备的政策，板式臭氧发生器作为一种无残留、无二次污染的绿色消毒剂，在政策层面得到了广泛支持。此外，板式臭氧发生器的应用领域正从传统的水处理向空气净化、医疗消毒、农业、食品加工等多个行业拓展，这进一步拓宽了其市场应用范围。市场竞争的激烈和行业内合作的增多也是推动板式臭氧发生器发展的重要因素。设备制造商需要通过技术创新、提高产品性能、优化成本结构等手段来提升市场竞争力，同时，行业内的合作也日益增多，通过技术交流、资源共享和市场合作，共同推动臭氧技术的发展和应用。可持续发展已成为全球共识，板式臭氧发生器作为一种高效、环保的技术，完全符合可持续发展的要求。随着全球对可持续发展的重视，臭氧技术的应用前景将更加广阔。未来，板式臭氧发生器有望在更多领域得到应用，为环境保护和人类健康做出更大贡献。

综合考虑市场需求的增长、技术的进步、政策的支持、行业应用的拓展以及可持续发展的趋势，板式臭氧发生器的市场前景十分乐观。设备制造商应抓住市场机遇，加大研发投入，提升产品竞争力，以满足不断增长的市场需求。同时，通过加强行业合作，共同推动臭氧技术的创新和发展，实现绿色、环保、可持续的社会发展目标。

5. 结论

综上所述，板式臭氧发生器通过其先进的设计和技术创新，如高频驱动电源、双电极水冷、微间隙放电、陶瓷介电体和集成式模块化结构，实现了在水处理应用中的高效率和稳定性。这些技术的应用不仅提高了臭氧的产量和浓度，而且确保了设备长期运行的可靠性和性能的持久性。在水处理领域，臭氧作为一种强氧化剂，能够有效地去除水中的有机物、提高生物可降解性、脱色、去除异味、杀灭细菌和病毒，同时具有显著的环境和经济效益。臭氧发生器的运营成本低，维护简便，对环境友好，减少了化学消毒剂的使用，降低了对环境的潜在影响。随着技术的不断进步，我们有理由相信，板式臭氧发生器将在未来的水处理以及其他相关领域中发挥更加重要的作用，为全球水安全和环境保护做出更大的贡献。

NOTES

^*通讯作者。