[发明专利]多种氧同素异形体生成器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于生成臭氧和/或其它氧同素异形体的设备和方法。

背景技术

氧以若干种同素异形体形式存在。氧在以作为O₂的双原子形式存在时是一种稳定的分子，并且是地球上最丰富的元素之一。臭氧O₃在雷击和其它放电现象期间以及紫外线的作用下在大气中自然存在。另外，可以形成氧同素异形体，诸如O₃......O或臭氧二聚体((O₃)₂)的一些组合(参见Gadzhiev等人(2013)J.Chem.Cositut Comput.9：247-262)。还有其它的氧同素异形体已知是在特定的温度和压力条件下产生的。例如，另一种氧同素异形体，四氧(O₄)，也称为四聚氧，被认为是短寿命的，并且被认为是比臭氧更有效的氧化剂(参见Oda和Pasquarello(2004)Physical Review B，70(13)id 134402和Cacace等人(2001)Angew.Chem.Int.Ed.40：4062-4065)。也存在一些其它的同素异形体，诸如O₅、O₆、O₇和/或固体氧的多种相—α-相(淡蓝色)、β-相(暗蓝色到粉红色)、γ-相(暗蓝色)、δ-相(橙色)、ε-相(深红色到黑色；O₈)和ζ-相(金属的；O₉)(参见例如Shimizu等人(1998)Nature 393(6687)：767-769；Freiman和Jodl(2004)Physics Reports 401：1-228；以及Luyndegaard等人(2006)Nature 443：201-204)。

臭氧是O₂以外最好理解的氧同素异形体。它是一种带有刺激性气味的紫色气体。臭氧同素异形体是一种难溶于水的无色气体。当电荷分子分解稳定的双原子分子(O₂)，将其分开并形成两个不稳定的氧原子时，会产生臭氧。为了获得稳定性，这些原子附着在其它氧分子上来产生臭氧(O₃)。

通常主要有三种方法用于产生臭氧：电晕放电、紫外线处理和冷等离子体生成。在电晕放电臭氧生成中，干燥的空气或含氧气体通过高能电场。通常，电晕放电臭氧发生装置具有由电介质板分开的多个静电板。这种类型的布置可以在许多专利和专利出版物中找到。例如，至少早在1946年就已经描述了交错的电介质板和静电板(参见美国专利No.2,405,728)。美国专利公布No.2004/0197244旨在通过由陶瓷电介质板隔开的平坦穿孔金属电极板的交错纵向堆叠生成电晕放电来提供具有改善的臭氧生成输出和效率并减少发热的电晕放电。美国专利No.5,525,310(Decker等人)也公开了一种电晕放电臭氧发生装置，其具有插入陶瓷电介质板之间的多个不锈钢线网栅极。在一些情况下，在金属板的表面上沉积催化剂(诸如二氧化铅催化剂)，以增加臭氧的产生(参见例如EP1777323)。

过去，由电晕放电而生成热量是一个问题。这个问题已经通过结合某些类型的冷却装置(诸如美国专利No.2,405,728的冷却套管)或者通过在内电极与外电极之间或在外电极与电介质管之间的放电空间中使用金属棒或电介质棒(如在美国专利No.4,960,570中)解决。在一些情况下，已经使用了高压来试图增强臭氧的产生(美国专利No.5,409,673和美国专利公布No.2008/0047907)。

空气的紫外线处理可以将二氧分子(O₂)分解成氧原子，然后氧原子附着至其它二氧分子以形成臭氧。然而，这种臭氧生产方法效率低下，几乎每个工业臭氧生产者都依靠电晕放电方法。

冷等离子体臭氧发生器使用暴露于由电介质阻挡放电产生的等离子体的纯氧气。这起到将二氧分解成单个原子的作用，然后原子再结合以形成臭氧。尽管冷等离子机器比紫外线处理效率更高，但其产生约为5％臭氧的最大浓度，因此主要用于临床情境。

臭氧在水中自发分解，产生超氧化氢(HO₂)和羟基(OH)自由基，其具有很强的氧化能力，并且作为容易使有机污染物、无机污染物和微生物(诸如贾第虫和隐孢子虫)氧化的强力消毒剂。氧的其它活性同素异形体也被认为表现相似，但是它们对污染物和微生物具有更强的作用。