1、收 稿 日 期 : 2002202216基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (60031001)作 者 简 介 : 张 芝 涛 (1965 - ) ,男 ,辽 宁 鞍 山 人 ,东 北 大 学 博 士 研 究 生 ; 鲜 于 泽 (1936 - ) ,男 ,朝 鲜 江 原 道 杨 口 郡 人 ,东 北 大 学 教 授 ,博士 生 导 师 ,日 本 东 北 大 学 理 学 博 士 2002 年 10 月第 23卷 第 10期东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )Journal of Northeastern University (Natural Sc
2、ience)Oct . 2 0 0 2Vol123 ,No. 10文 章 编 号 : 100523026 (2002) 1021016204臭 氧 溶 解 理 论 基 础 与 实 验 研 究张 芝 涛 1 ,2 , 鲜 于 泽 1 , 宗 旭 2 , 王 燕 2(1. 东 北 大 学 理 学 院 , 辽 宁 沈 阳 110004 ;2. 大 连 海 事 大 学 环 境 科 学 与 工 程 学 院 , 辽 宁 大 连 116026)摘 要 : 依 据 臭 氧 溶 解 理 论 ,将 高 浓 度 臭 氧 发 生 器 与 射 流 器 、 气 液 溶 解 器 等 设 备 组 成 高 浓 度臭 氧 水 发
3、 生 系 统 ,利 用 该 系 统 对 影 响 臭 氧 溶 解 的 相 关 因 素 进 行 了 实 验 研 究 结 果 表 明 ,在 该 系 统 中采 用 高 浓 度 的 臭 氧 气 体 、 较 低 的 气 液 体 积 比 及 较 高 的 系 统 运 行 压 力 ,有 利 于 提 高 臭 氧 传 质 效 率 及臭 氧 溶 解 效 率 在 1 m 长 的 管 路 上 经 过 1 s 的 溶 解 时 间 臭 氧 传 质 效 率 可 高 达 98 %左 右 这 一 结 果 有利 于 高 浓 度 臭 氧 水 生 产 设 备 和 水 处 理 系 统 的 小 型 化 ,从 而 可 以 降 低 运 行 成
4、本 关 键 词 : 臭 氧 ; 臭 氧 水 ; 传 质 效 率 ; 溶 解 效 率 ; 氧 化 剂 ; 杀 菌 消 毒 剂中 图 分 类 号 : X 505 文 献 标 识 码 : A利 用 介 质 阻 挡 放 电 方 法 产 生 高 质 量 浓 度 臭 氧技 术 在 我 国 已 经 取 得 了 较 大 的 进 展 1 ,2 将 臭 氧溶 于 水 中 可 形 成 臭 氧 水 质 量 浓 度 大 于 4 mg/ L的 臭 氧 水 是 无 残 留 物 的 强 氧 化 药 剂 、 强 杀 菌 消 毒药 剂 、 强 漂 白 剂 及 除 臭 药 剂 将 高 质 量 浓 度 臭 氧 水作 为 一 种 药
5、剂 ,以 1 10 左 右 比 例 加 入 水 中 ,既 可用 于 食 品 工 业 、 饮 料 工 业 、 医 药 卫 生 等 部 门 的 加 工设 备 、 容 器 、 管 道 的 消 毒 杀 菌 ,又 可 用 于 水 的 深 度处 理 上 ,还 可 用 于 医 院 的 医 疗 器 件 、 病 房 、 手 术 器械 等 杀 菌 灭 活 病 毒 等 3 5 高 质 量 浓 度 的 臭 氧 水也 可 以 直 接 加 入 输 水 (或 污 水 ) 管 道 ,在 水 输 送 过程 中 实 现 水 的 净 化 或 污 水 的 深 度 处 理 ,省 去 传 统方 法 中 庞 大 的 气 液 溶 解 池 或
6、 高 大 的 氧 化 塔 (接 触塔 ) ,大 幅 度 降 低 能 耗 和 运 行 成 本 6 提 高 臭 氧 的 传 质 效 率 (MET)是 获 得 高 质 量 浓度 臭 氧 水 需 要 解 决 的 关 键 问 题 近 年 来 不 少 科 学 工作 者 作 了 大 量 研 究 工 作 7 10 1996 年 H. Fumio 研制 了 高 浓 度 臭 氧 水 制 造 机 ,处 理 水 量 为 3 m3/ h ,在水 温 15 时 ,臭 氧 水 质 量 浓 度 达 到 6 mg/ L 1999年 Farines等 人 采 用 充 填 直 径 小 于 5 mm 硅 球 的 反应 罐 进 行 臭
7、 氧 溶 于 水 的 研 究 ,被 处 理 水 的 流 速 仅 为01000 4 m/ s 气 液 体 积 比 V G/ V L 为 01167 时 ,水 溶液 臭 氧 质 量 浓 度 达 到 5 mg/ L ,臭 氧 溶 解 效 率 仅 达 到30 %;气 液 体 积 比 为 1 时 ,水 溶 液 臭 氧 质 量 浓 度 达到 19 mg/ L ,臭 氧 溶 解 效 率 仅 达 到 19 % 1999 年Michel Meyer 等 人 作 了 臭 氧 的 传 质 效 率 及 其 溶 解效 率 研 究 采 用 射 流 器 与 喷 嘴 相 结 合 的 方 法 ,在 水的 流 速 为 019 m
8、/ s 时 ,传 质 效 率 达 到 了 93 %左 右 ,在 臭 氧 质 量 浓 度 为 128 g/ m3 , V G/ V L 为 01038 时 ,水 溶 液 臭 氧 质 量 浓 度 达 到 418 mg/ L ,其 溶 解 效 率达 到 75 % Michel Meyer 等 人 的 研 究 成 果 具 有 很 大实 用 意 义 1 臭 氧 溶 解 理 论 基 础臭 氧 溶 解 是 一 个 复 杂 的 过 程 ,它 与 臭 氧 的 反应 速 率 、 热 力 学 分 布 以 及 催 化 分 解 等 参 数 有 关 通常 条 件 下 臭 氧 溶 解 遵 守 亨 利 ( Henry s)定
9、 律 : 3L = 1HA G (1)溶 解 率 是 亨 利 定 律 另 一 种 实 用 的 表 达 方 式 :S = 1HA= 3L G (2)式 中 , 3L 为 臭 氧 水 平 衡 浓 度 ,表 示 平 衡 状 态 下 水中 溶 解 的 臭 氧 质 量 浓 度 ; G 为 气 相 臭 氧 质 量 浓度 ; HA 为 亨 利 常 数 溶 解 率 与 水 的 温 度 、 p H 值 、有 机 物 及 杂 质 的 质 量 分 数 等 参 数 有 关 p H 值 小 于810 时 ,在 20 条 件 下 , S = 01322 ( IOA 标 准 ) ,当p H 810 时 , S 值 锐 减
10、,例 如 p H = 1015 时 , S =01005臭 氧 在 水 中 的 溶 解 速 度 为v = kL a ( 3L - L) - kd L (3)式 中 , kL 为 液 相 传 质 系 数 ; a 为 单 位 体 积 内 气 液接 触 面 积 ; kL a 为 臭 氧 液 相 传 质 速 率 ; kd 为 臭 氧分 解 常 数 ; L 为 臭 氧 水 实 际 的 质 量 浓 度 臭 氧 在 水 中 的 溶 解 系 数 为 = L 3L( 1) (4)因 此 臭 氧 在 水 中 实 际 溶 解 的 质 量 浓 度 为 L = 3L = S G (5)传 质 效 率 与 臭 氧 溶 解
11、 效 率 ( ef ) 是 评 价 臭 氧在 水 中 溶 解 性 能 的 重 要 指 标 M T E = Gin Q Gin - Gout Q GoutGin Q Gin 100 (6) ef = L QLGin Q Gin 100 (7)式 中 , Gin为 加 入 臭 氧 溶 解 系 统 的 进 口 臭 氧 气 体 质量 浓 度 ; Q Gin为 加 入 臭 氧 溶 解 系 统 的 进 口 臭 氧 气 体流 量 ; Gout为 臭 氧 溶 解 系 统 的 气 液 分 离 器 的 出 口 臭氧 气 体 浓 度 ; Q Gout为 臭 氧 溶 解 系 统 分 离 器 的 出 口外 排 剩 余
12、气 体 流 量 ; QL 为 被 处 理 水 的 流 量 传 质 效率 与 臭 氧 溶 解 效 率 之 差 值 表 征 被 处 理 水 中 杂 质 及细 菌 、 病 毒 和 微 生 物 等 所 消 耗 的 臭 氧 的 数 量 因 此 ,要 快 速 、 有 效 地 获 得 高 质 量 浓 度 臭 氧水 ,必 须 提 高 气 相 臭 氧 质 量 浓 度 ;降 低 水 温 ,减 小气 液 体 积 比 V G/ V L ,扩 大 气 液 接 触 面 积 ,促 使 臭氧 在 水 中 快 速 有 效 溶 解 2 实 验 流 程研 究 高 浓 度 臭 氧 水 产 生 方 法 时 要 对 其 主 要 因素 :
13、臭 氧 质 量 浓 度 、 气 液 体 积 比 、 系 统 压 力 、 气 液 溶解 方 式 和 溶 解 时 间 等 问 题 进 行 实 验 研 究 为 了 获得 较 高 传 质 效 率 及 溶 解 效 率 ,本 实 验 采 用 高 质 量浓 度 臭 氧 气 体 (80 250 g/ m3) ,高 系 统 压 力 ,低 气液 体 积 比 ,同 时 尽 量 减 少 气 液 溶 解 时 间 ,以 实 现 设备 小 型 化 ,降 低 运 行 成 本 ,有 利 于 推 广 应 用 本 实验 采 用 自 来 水 作 为 实 验 用 水 ,其 流 量 为 2 m3/ h 实验 系 统 如 图 1 所 示
14、有 关 臭 氧 传 质 效 率 实 验 采 用如 下 流 程 :经 Nikuni32NPD 涡 流 叶 轮 泵 12 ,射 流器 13 ,气 液 溶 解 器 14 (内 有 喷 嘴 ) 输 出 臭 氧 水 ,臭氧 气 体 输 入 射 流 器 13 用 瓶 装 氧 气 向 B GGD2C4240 型 臭 氧 产 生 装 置 供 气 ;氧 气 流 量 采 用 L ZB 型 气体 转 子 流 量 计 计 量 ;水 流 量 用 Burkert Flow 8035流 量 计 计 量 臭 氧 气 体 浓 度 用 Orbisphere Model3 600型 臭 氧 浓 度 分 析 仪 检 测 ,臭 氧 水
15、 浓 度 用Orbisphere Model3660 型 溶 解 臭 氧 分 析 仪 检 测 同时 分 别 采 用 碘 化 钾 滴 定 、 靛 蓝 法 来 校 正 准 确 度 ,其差 值 范 围 在 218 %以 内 图 1 制 取 臭 氧 水 实 验 系 统Fig. 1 Experimental proce ss of ozone water1 流 量 调 节 阀 ;2 气 体 流 量 计 ;3 臭 氧 产 生 器 件 ;4 压 力 表 ;5 臭 氧 分 析 仪 ;6 控 制 器 ; 7 高 频 高压 发 生 器 ;8 功 率 测 试 传 感 器 ;9 示 波 器 ;10 止回 阀 ;11
16、水 流 量 计 ;12 涡 流 叶 轮 泵 ;13 射 流 器 ;14 气 液 溶 解 器 ;15 溶 解 臭 氧 分 析 仪 实 验 平 台 为 018 m ( W ) 016 m ( L ) 115 m( H) ,臭 氧 水 浓 度 检 测 点 选 取 在 距 离 臭 氧 气 体 加入 射 流 器 注 入 口 112 m 的 臭 氧 水 出 口 处 臭 氧 气体 与 水 的 溶 解 时 间 仅 在 1 s左 右 ,水 的 流 速 在 1 m/ s左 右 3 实 验 结 果 与 讨 论311 传 质 效 率 实 验影 响 传 质 效 率 的 主 要 参 数 有 臭 氧 气 体 质 量 浓度
17、、 气 液 体 积 比 、 系 统 压 力 和 溶 解 时 间 等 为 了 实现 制 造 高 质 量 浓 度 臭 氧 水 设 备 的 高 效 化 、 小 型 化 ,气 液 溶 解 时 间 控 制 在 2 s 左 右 ,气 液 比 控 制 在 011以 下 ,臭 氧 气 体 质 量 浓 度 控 制 在 80 180 g/ m3当 气 液 体 积 比 为 01075 ,系 统 运 行 压 力 为 0126MPa ,水 流 速 为 111 m/ s ,气 液 溶 解 时 间 为 1 s 时 ,臭 氧 传 质 效 率 仅 在 1 m 长 的 路 程 上 就 能 达 到9819 % 9911 % 这 也
18、 表 明 了 射 流 器 和 气 液 溶 解器 溶 解 臭 氧 性 能 优 良 ,在 极 短 时 间 内 就 可 以 取 得理 想 的 臭 氧 传 质 效 率 它 为 臭 氧 水 产 生 设 备 及 臭氧 水 处 理 系 统 小 型 化 铺 平 了 道 路 312 施 加 臭 氧 剂 量 对 臭 氧 水 质 量 浓 度 影 响从 图 2 中 曲 线 可 知 ,实 际 的 臭 氧 水 质 量 浓 度 L 随 着 施 加 臭 氧 剂 量 Lcalc增 加 而 增 加 ,是 线 性函 数 ,当 气 液 体 积 比 、 系 统 压 力 ,臭 氧 气 体 质 量 浓度 、 水 流 量 、 被 处 理 水
19、 温 及 溶 解 时 间 一 定 时 ,则 臭氧 水 浓 度 取 决 于 加 入 水 中 的 臭 氧 气 体 的 供 应 量 313 气 液 体 积 比 对 臭 氧 溶 解 效 率 影 响臭 氧 溶 解 效 率 与 气 液 体 积 比 的 函 数 曲 线 如 图3 所 示 在 系 统 压 力 、 水 流 量 等 参 数 一 定 时 ,随 着7101第 10 期 张 芝 涛 等 : 臭 氧 溶 解 理 论 基 础 与 实 验 研 究气 液 比 增 加 则 臭 氧 溶 解 效 率 就 会 下 降 ,应 尽 量 降低 气 液 体 积 比 ,以 便 取 得 较 高 臭 氧 溶 解 效 率 ,但 也不
20、是 越 小 越 好 ,气 液 体 积 比 过 小 时 ,臭 氧 水 浓 度 会明 显 降 低 ,应 选 取 在 最 佳 值 范 围 内 降 低 气 液 体 积比 ,有 助 于 降 低 运 行 成 本 图 2 臭 氧 水 质 量 浓 度 与 施 加 臭 氧 剂 量 的 关 系Fig. 2 Dissolved ozone vs. applied ozone dose图 3 臭 氧 溶 解 效 率 与 气 液 体 积 比 函 数 关 系Fig. 3 Dissolved efficiency vs. ratio of gas to liquid314 溶 解 系 统 运 行 压 力 对 臭 氧 溶 解
21、 效 率 影 响臭 氧 溶 解 系 统 运 行 压 力 对 臭 氧 溶 解 效 率 影 响函 数 关 系 如 图 4 所 示 随 着 系 统 运 行 压 力 增 加 ,则臭 氧 溶 解 效 率 线 性 增 加 ,高 的 系 统 运 行 压 力 有 利于 更 多 的 臭 氧 溶 解 于 水 中 ,增 加 系 统 运 行 压 力 也是 提 高 臭 氧 溶 解 效 率 可 取 方 法 之 一 图 4 臭 氧 溶 解 效 率 与 系 统 压 力 函 数 关 系Fig. 4 Dissolved efficiency of ozone vs. system pre ssure315 施 加 臭 氧 剂 量
22、 对 臭 氧 溶 解 效 率 影 响施 加 臭 氧 剂 量 对 臭 氧 溶 解 效 率 影 响 如 图 5 所示 ,在 系 统 运 行 压 力 、 气 液 体 积 比 、 水 流 量 和 溶 解时 间 等 参 数 一 定 时 ,施 加 臭 氧 剂 量 无 论 如 何 变 ,其臭 氧 溶 解 效 率 不 变 ,是 一 个 常 数 ,通 常 在 75 %左右 臭 氧 被 水 中 杂 质 氧 化 消 耗 掉 及 自 身 分 解 掉25 % 40 % ,水 质 对 臭 氧 溶 解 效 率 影 响 甚 大 图 5 臭 氧 溶 解 效 率 与 施 加 臭 氧 剂 量 的 关 系Fig. 5 Dissolv
23、ed efficiency vs. applied ozone dose4 结 论(1) 本 系 统 大 幅 度 减 少 了 臭 氧 溶 解 时 间 ,仅在 1 s 时 间 内 、 在 1 m 长 距 离 上 ,臭 氧 传 质 效 率 就高 达 98 %左 右 ,有 利 于 高 浓 度 臭 氧 水 生 产 设 备 和水 处 理 系 统 设 备 的 小 型 化 (2) 采 用 高 质 量 浓 度 臭 氧 气 体 、 低 的 气 液 体积 比 和 高 系 统 运 行 压 力 对 取 得 高 质 量 浓 度 的 臭 氧水 十 分 重 要 ,有 利 于 提 高 臭 氧 传 质 效 率 和 臭 氧 溶解
24、 效 率 ,降 低 了 运 行 成 本 (3) 本 方 法 可 以 在 输 水 主 管 路 上 就 地 进 行 水处 理 ,从 主 管 路 中 取 一 小 部 分 水 或 污 水 制 成 高 浓度 臭 氧 水 后 再 注 入 主 管 路 ,在 主 管 路 输 送 水 过 程中 实 现 了 在 主 管 道 内 进 行 水 净 化 或 污 水 处 理 ,达到 净 水 或 水 处 理 目 的 ,省 去 传 统 庞 大 溶 解 设 备 及其 他 附 加 设 备 ,大 幅 度 减 少 了 一 次 投 资 和 能 耗 参 考 文 献 : 1 张 芝 涛 ,韩 慧 ,初 庆 东 ,等 强 电 离 放 电 产
25、 生 臭 氧 气 体 的 方法 J 环 境 科 学 , 2001 ,22 (2) :126 - 128(Zhang Z T , Han H , Chu Q D , et al . Method on ozonegeneration with strong ionization discharge J .Environmental Science , 2001 ,22 (2) :126 - 128. ) 2 张 芝 涛 ,鲜 于 泽 ,白 敏 冬 ,等 强 电 离 放 电 研 究 J 东 北 大学 学 报 (自 然 科 学 版 ) , 2002 ,23 (5) :507 - 510(Zhang
26、Z T , Xianyu Z , Bai M D , et al . Studies of strongionization dischargeJ . Journal of Northeastern U niversity( Nat ural Science) , 2002 ,23 (5) :507 - 510. ) 3 Rich R G. Century 212pregnant with ozone J . OzoneScience and Engineering , 2002 ,24 (1) :1 - 15. 4 Bocci V , Aldinucci C ,Borrelli E , et
27、 al . Ozone in medicineJ . Ozone Science and Engineering , 2001 ,23 (3) : 207 -215. 5 Blaich L , Friedrich M , ShadiAkhy A H. Development ofozone technology and application A . Proceedings of the14 th Ozone World Congress C . Birmingham , AL , USA :Sun Gard Mailing Services Inc , 1999. 203 - 216. 6
28、Michael M R , Mazzei A L . Side stream ozone injection withhigh efficiency venturi and radial mixing nozzle J . OzoneNews , 2002 ,30 (1) :14 - 21. 7 Fumio H. Development of high concentration ozone water8101 东 北 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 23 卷machine J . Ishikaw aji ma2Hari ma Engineering Review( Japan)
29、 , 1996 ,36 (3) :159 - 164. 8 Craik S A ,Finch G ,Leparc J , et al . The effect of ozone gas2liquid contacting conditions in a static mixer on microorganismreduction J . Ozone Science and Engineering , 2002 , 24(2) :91 - 103. 9 Finch G R , Haas C N , Oppenheimer J A. Design criteria forinactivation
30、of cryptosporidium by ozone in drinking waterJ . Ozone Science and Engineering , 2001 ,23 (4) : 259 -284. 10 Jackson J R , Overbeck P K , Overby J M. Dissolved oxygencontrol by pressurized side stream ozone contacting anddegassing A . Proceedings of the 14 th Ozone WorldCongress C . Birmingham , AL
31、, USA : Sun Gard MailingServices Inc , 1999. 561 - 574.Ozone Dissolution in Water During Pipe TransportationZHA N G Zhi2tao1 ,2 , XIA N YU Ze1 , ZHON G X 2 , W A N G Yan2(1. School of Science , Northeastern University , Shenyang 110004 , China ; 2. College of Environmental Science andEngineering , D
32、alian Maritime University , Dalian 116026 , China. Correspondent : ZHAN G Zhi2tao , E2mail : newzhangzhitao 163. com. )Abstract : According to the theory of ozone dissolution ,some experimental studies were done in dissolved ozone equipment thatconsists of ozone generator of high concentration ,Mazz
33、i Injector , dissolving tank of gas to liquid and so on. The experimentalresults show that the mass transfer efficiency and dissolved ozone efficiency increase with the increasing of ozone gasconcentration and process pressure. However , the efficiency decreases with the increasing of gas ratio to l
34、iquid. The masstransfer efficiency of 98 % can be obtained in the dissolved process by only 1m long pipeline with 1s dissolved time. With thismethod , the miniaturization of dissolved ozone equipment and water treatment process can be realized with moderate runningcost.Key words : ozone ; dissolved
35、ozone ; mass transfer efficiency ; dissolved efficiency ; oxidant ; bactericidal disinfectant( Received February 16 ,2002)待 发 表 文 章摘 要 预 报基 于 Web 管 理 的 Embedded Web Server 研 究 与 实 现韩 光 洁 , 王 金 东 , 林 涛 , 赵 海基 于 Embedded Internet 和 Web 技 术 ,针 对 面 向 设 备 动 态 驱 动 的 异 种 网 络 互 联 的 研 究 ,提 出 了 基 于 Web 管 理 的E
36、mbedded Web Server ( EWS)模 型 ,主 要 解 决 的 是 在 有 限 资 源 和 处 理 能 力 下 利 用 Web 浏 览 器 对 大 量 的 非 Internet 设 备 进行 访 问 、 控 制 和 管 理 等 问 题 EWS模 型 是 在 实 时 多 任 务 操 作 系 统 ( ERTOS) 和 thin TCP/ IP 协 议 栈 技 术 基 础 构 建 而 成 ,实现 了 异 构 网 络 平 台 的 非 Internet 设 备 的 网 络 互 联 和 管 理 EWS 实 现 将 非 Internet 设 备 接 入 Internet 的 目 的 ,把 大
37、 量 的 设备 纳 入 了 Internet 的 管 理 下 ,从 而 真 正 实 现 设 备 的 网 络 化 和 智 能 化 管 理 ,使 现 场 可 编 程 设 备 的 在 线 远 程 监 控 、 管 理 及 维护 等 功 能 得 以 实 现 EWS的 实 现 ,为 工 业 生 产 自 动 化 系 统 和 智 能 家 电 的 网 络 化 与 智 能 化 管 理 提 供 了 可 靠 的 技 术 支 持 线 性 不 确 定 时 滞 系 统 的 时 滞 相 关 H 控 制邵 克 勇 , 景 丽 , 高 立 群基 于 动 态 耗 散 理 论 和 微 分 对 策 理 论 ,研 究 了 确 定 性 和
38、 不 确 定 性 线 性 时 滞 系 统 的 时 滞 相 关 H 状 态 反 馈 控 制 器 的 设计 问 题 ,将 鲁 棒 控 制 器 设 计 问 题 转 化 为 非 合 作 对 策 中 目 标 函 数 求 解 鞍 点 问 题 ,并 针 对 确 定 性 和 不 确 定 性 线 性 时 滞 系 统 分别 得 到 了 控 制 器 存 在 的 充 分 条 件 对 于 不 确 定 线 性 时 滞 系 统 可 以 通 过 求 解 线 性 矩 阵 不 等 式 进 行 时 滞 相 关 H 鲁 棒 控 制器 设 计 ,使 系 统 内 稳 且 具 有 H 干 扰 衰 减 系 数 而 对 于 确 定 性 线 性 时 滞 系 统 仅 需 要 验 证 一 个 线 性 矩 阵 不 等 式 ,使 设 计 问题 得 到 简 化 9101第 10 期 张 芝 涛 等 : 臭 氧 溶 解 理 论 基 础 与 实 验 研 究
