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 王雪嬌1，高  翔2，翟洪艷1

 （1．天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；2．天津市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，天津300191）

摘要：臭氧在水和廢水處理中的應(yīng)用非常廣泛。筆者綜合研究了臭氧發(fā)生器關(guān)鍵控制參數(shù)對(duì)臭氧氣泡尺寸、流速和臭氧溶解濃度的影響。結(jié)果表明，曝氣頭孔徑越小，氧氣源輸出壓力和氧氣流速越低，產(chǎn)生的臭氧氣泡越小，上升速度越慢，有利于提高臭氧溶解濃度。實(shí)驗(yàn)的最佳制備條件為：微孔曝氣頭，氧氣輸出壓力為0.1 M Pa，流量為0.5L/min，溫度為7℃。產(chǎn)生的氣泡直徑為1. 30 mm,初始上升速度為0.18  m/s．平衡溶解質(zhì)量濃度能達(dá)到(26. 84±0.20) mg／L。

關(guān)鍵詞：臭氧；臭氧氧化；氣泡尺寸；氣泡速度

中圖分類號(hào)：TQ123.2  文章編號(hào)：0253 -4320(2016)04 -0133 -04

DOI:10. 16606/j. cnki.  issn 0253 - 4320. 2016. 04. 032

 臭氧是一種氧化性極強(qiáng)的氣體，溶解在水中形成臭氧水溶液。臭氧氧化具有氧化能力強(qiáng)，投加量少，作用速度快，清潔度高，便于與其他技術(shù)聯(lián)用等優(yōu)點(diǎn)。因此臭氧在水和廢水處理中具有廣泛的應(yīng)用。

 常溫常壓條件下，臭氧發(fā)生器制備的臭氧在水中的溶解符合亨利定律，溶解度較低，不利于溶液中的臭氧氧化反應(yīng)。關(guān)于常溫常壓下臭氧反應(yīng)器制備臭氧水的研究雖然比較多，但是對(duì)于臭氧水制備的優(yōu)化介紹比較少。研究表明，臭氧的溶解度隨著溫度和臭氧流量的增大而減小。目前，對(duì)于臭氧在各種條件下的溶解特性還沒(méi)有完整詳細(xì)的研究，很多應(yīng)用或研究都要重復(fù)優(yōu)化水溶液吸收臭氧的條件，造成時(shí)間、人力和物力上的浪費(fèi)。

 因此，筆者選擇廣譜臭氧反應(yīng)器，在實(shí)驗(yàn)室條件下綜合研究了曝氣頭規(guī)格、曝氣壓力、溫度、曝氣流量等因素對(duì)臭氧溶解能力、臭氧氣泡的影響。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)裝置和材料

 試驗(yàn)裝置如圖1所示。該裝置包括氧氣源、臭氧發(fā)生器（北京同林科技3S -A系列）、2L的圓柱形玻璃反應(yīng)器（直徑100 mm，高300 mm），反應(yīng)器由水浴套層保持溫度。曝氣頭類型包括砂片曝氣頭（直徑30 mm，厚5 mm，80目）、普通曝氣頭（球體直徑20 mm）和鈦合金微孔曝氣器頭（底面直徑15 mm，高32 mm），如圖2所示。如無(wú)特殊說(shuō)明即采用鈦合金微孔曝氣頭。

 采用磷酸靛藍(lán)三磺酸（美國(guó)Acros公司生產(chǎn)）為臭氧的顯色劑，實(shí)驗(yàn)用水為超純水（優(yōu)普UPHW純水進(jìn)水型超純水機(jī)）。

1.2試驗(yàn)方法

 首先比較了砂片曝氣頭、普通曝氣頭和鈦合金微孔曝氣頭（即下文中的微孔曝氣頭）對(duì)臭氧溶解濃度的影響[氧氣輸出壓力為0.1  M Pa，曝氣流量為0.5 L/min，水溫為(7±1)℃]；然后考察了曝氣流量(0.5、1、2 L/min)和水溫[(7±1)、(10±1)、(20 +1)℃]對(duì)臭氧溶解濃度的影響（氧氣輸出壓力為0.1  M Pa）；最后研究了氧氣瓶輸出壓力(0.1、0.2、0.3 M Pa)對(duì)臭氧溶解濃度的影響（曝氣流量為0.5 L/min，水溫為(20 +1)℃)。

1.3分析方法

 臭氧的濃度測(cè)定方法為磷酸靛藍(lán)三磺酸測(cè)定法。氣泡尺寸由尼康高速攝像機(jī)( AF 200m -

Nikkor 24-85  mm f/2.8 -401F)拍攝紀(jì)錄，在曝氣3 min氣流達(dá)到穩(wěn)定后，選取曝氣頭正上方區(qū)域進(jìn)行拍照記錄。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1曝氣頭的影響

 砂片曝氣頭、普通曝氣頭和微孔曝氣頭是目前應(yīng)用比較廣泛的3種曝氣頭。不同曝氣頭對(duì)臭氧質(zhì)量濃度的影響如圖3所示。由圖3可以看出，在同一氧氣瓶輸出壓力下，曝氣頭種類明顯影響臭氧質(zhì)量濃度的上升速率，在前10 min，砂片曝氣頭、普通曝氣頭和微孔曝氣頭臭氧水質(zhì)量濃度上升速率分別為1. 39、2.01、2.37  mg/(L．min)。微孔曝氣頭制備的臭氧水質(zhì)量濃度在曝氣10 min時(shí)最先達(dá)到平衡，砂片曝氣頭和普通曝氣頭制備的臭氧水質(zhì)量濃度曝氣30 min之后達(dá)到平衡。砂片曝氣頭、普通曝氣頭和微孔曝氣頭可以達(dá)到的臭氧水質(zhì)量濃度分別為(20.19 +0. 50)、(22. 24 +0. 35)和(26. 84±0.20)mg/L。微孔曝氣頭可以在較短的時(shí)間內(nèi)獲得最大質(zhì)量濃度的臭氧水，因此，在接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)中選取微孔曝氣頭作為下一步實(shí)驗(yàn)的曝氣頭。

2.2曝氣流量以及溫度的影響

  曝氣流量對(duì)臭氧質(zhì)量濃度的平衡時(shí)間和平衡濃度影響較大。200C時(shí)，曝氣量為1.0L/min和2.0L/min時(shí)，臭氧質(zhì)量濃度的平衡時(shí)間都為5 min，而曝氣量為0.5L/min時(shí)，曝氣15 min時(shí)臭氧質(zhì)量濃度才達(dá)到平衡，如圖4(a)所示。溫度降低到10℃和7℃，曝氣量為2.0、1.0Umin和0.5 L/min時(shí)，臭氧質(zhì)量濃度的平衡時(shí)間分別為3、10、10 min，如圖4(b)、圖4(c)所示。3個(gè)溫度下，曝氣流速越低，臭氧平衡質(zhì)量濃度越高，臭氧曝氣流速越低，臭氧氣泡上升速度越慢，從而臭氧氣體與水溶液接觸的時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致臭氧水質(zhì)量濃度升高。

 溫度越低，不同曝氣流速產(chǎn)生的臭氧質(zhì)量濃度差異越大。20C時(shí)，曝氣量為2．0、1.0L/min和0.5 L/min時(shí)的平衡臭氧質(zhì)量濃度分別為(15. 00±0. 28)、(11. 97 +0. 32) mg/L和(9. 63 +0. 43) mg/L,質(zhì)量濃度水平比較接近。與200C時(shí)相比，曝氣量為0.5、1.0 L/min和2.0L/min時(shí)的平衡臭氧質(zhì)量濃度在100C時(shí)分別提高了49.5 %、49. 2%和28.3%，在7℃時(shí)分別提高了79.1%、65. 8%和53.1%。在流量為0.5 L/min，溫度為7℃時(shí)，臭氧質(zhì)量濃度最高為( 26. 84 +0. 20) mg/L。

2.3氧氣輸出壓力的影響

 氧氣源來(lái)自于氧氣瓶，氧氣的輸出壓力和輸出的氧氣流速成正比，但是研究發(fā)現(xiàn)，氧氣輸出壓力和流速對(duì)臭氧質(zhì)量濃度的影響并不相同，如圖5所示。在曝氣流量為0.5 L/min時(shí)，進(jìn)氣壓力對(duì)臭氧水中臭氧質(zhì)量濃度有顯著的影響。不同曝氣壓力下，臭氧水質(zhì)量濃度上升速率差距很大，在0.1 M Pa和0.2 M Pa的曝氣壓力下，臭氧質(zhì)量濃度在前10 min內(nèi)迅速上升，濃度上升速率分別達(dá)到1. 10  mg/(L . min)和0. 69 mg/(L．min)；而在0.3 M Pa下，臭氧質(zhì)量濃度一直沒(méi)有明顯升高。曝氣30 min之后，在0.1、0.2 M Pa和0.3 M Pa時(shí)，臭氧的平衡濃度分別達(dá)到(14. 45±0.31)、(9.13±0.53) mg/L和(1.19±0. 03) mg/L；因此，氧氣輸出壓力是制備臭氧水的關(guān)鍵參數(shù)，較低的進(jìn)氣壓力更有利于獲得高質(zhì)量濃度的臭氧水，然而目前少有文獻(xiàn)報(bào)道這個(gè)參數(shù)的影響。

2.4  不同曝氣條件下氣泡尺寸和上升速度

 臭氧的傳質(zhì)與反應(yīng)器中液體的紊動(dòng)程度以及產(chǎn)生氣泡的數(shù)量、大小以及上升速度有關(guān)。根據(jù)雙膜理論，在相同的氣液流率條件下，氣泡的直徑愈小，單位體積液相所具有的相界面積愈大，即臭氧與水的接觸面積愈大，臭氧的利用率也就愈大。

 本研究中，氣泡在曝氣頭附近密度最大，體積最小。氣泡在水中螺旋式上升過(guò)程中，隨著水壓力的減小而體積膨脹，同時(shí)氣泡由球形會(huì)變成橢球形、球冠形等，氣泡間碰撞合并劇烈，達(dá)到水面后破裂。選取曝氣頭附近的區(qū)域?qū)�氣泡大小進(jìn)行攝像分析研究，然后選取較清晰的圖片進(jìn)氣泡直徑的統(tǒng)計(jì)，追蹤同一氣泡在一定時(shí)間內(nèi)上升的距離，計(jì)算得氣泡的上升速度。

 根據(jù)砂片曝氣頭、普通曝氣頭和微孔曝氣頭在曝氣壓力為0.1 M Pa，曝氣流量為0.5L/min，溫度為20℃時(shí)的氣泡照片分析（如圖6所示），產(chǎn)生的氣泡直徑分別為7.1、1.6 mm和1.3 mm，氣泡的上升速度接近0. 17~0.21 m/s（如表1所示）。曝氣頭的孔徑越大，則其產(chǎn)生的氣泡直徑增大，氣水接觸表面積減小，獲得的溶液質(zhì)量濃度就較低。

 氧氣輸出壓力的提高可以增加氣泡的體積和上升速度，與0.1 M Pa相比，0.2 M Pa和0.3 M Pa的壓力條件使氣泡直徑增大26. 2%和29.2%，上升速度提高了5. 6%和33. 3%，因此導(dǎo)致平衡質(zhì)量濃度降低了20. 2%和36.8%。

 在相同的氧氣輸出壓力下，增加氧氣的流量同樣可以增加氣泡的體積和上升速度。與0.5 L/min相比，1.0 L/min和2.0L/min的流速使氣泡直徑增大12.3%和25. 4%，上升速度提高了16.7%和33. 3%，因此導(dǎo)致平衡質(zhì)量濃度降低了39. 1%和92. 1%。

 而導(dǎo)致微孔與普通曝氣頭產(chǎn)生不同質(zhì)量濃度臭氧水的原因則是上升的速度，較快的上升速度，使臭氧與水溶液的接觸時(shí)間減少，導(dǎo)致其產(chǎn)生的臭氧水質(zhì)量濃度較低。

3結(jié)論

 在構(gòu)建臭氧反應(yīng)器中，曝氣頭種類、氧氣源輸出壓力、氧氣流速、溫度影響著臭氧在水溶液中質(zhì)量濃度大小和平衡時(shí)間。而且溫度越低，影響越大。曝氣頭孔徑越小，氧氣源輸出壓力和氧氣流速越低，產(chǎn)生的臭氧氣泡越小，上升速度越慢，有利于提高臭氧溶解質(zhì)量濃度。在本實(shí)驗(yàn)室中，最佳的制備條件為：微孔曝氣頭，氧氣輸出壓力為0.1MPa，流量為0.5 L/min，溫度為7℃，臭氧氣泡的直徑為1. 30 mm，初始上升速度為0.18 m/s，平衡溶解質(zhì)量濃度能達(dá)到(26. 84 +0. 20) mg/L。