臭氧工業(yè)應(yīng)用中能量消耗分析

廢水臭氧化的能耗主要取決于臭氧的產(chǎn)生和氣液接觸反應(yīng)的維持。理論上，生產(chǎn)1200 g臭氧的用電量為1千瓦時(shí)電力，對(duì)應(yīng)的能耗為0.82千瓦時(shí)/kg O3 (Alonso et al. 2005)。然而，在現(xiàn)實(shí)中，只有一小部分電力被用來產(chǎn)生臭氧，而大部分以熱的形式消耗，當(dāng)氧氣含量較低的空氣被送入時(shí)，電力損失更為顯著。例如，Eliasson et al. (1987)，根據(jù)玻爾茲曼方程計(jì)算出氧氣進(jìn)料臭氧產(chǎn)率為33% (400 g O3/kWh)，干燥空氣進(jìn)料臭氧產(chǎn)率為17% (200 g O3/kWh)。然而，實(shí)際臭氧發(fā)生器在充入純氧時(shí)的臭氧生成效率約為130 g O3/kWh，遠(yuǎn)低于熱力學(xué)計(jì)算(Chang et al. 1991)，但在特定運(yùn)行條件下可以達(dá)到較高的臭氧生成效率。因此，大約10%的電能被用于臭氧的產(chǎn)生，主要是受無聲放電過程副反應(yīng)的限制。在經(jīng)濟(jì)方面，臭氧生產(chǎn)成本估計(jì)為2.32 $/kg O3，工業(yè)用電收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)為0.093 $/ kWh，因此產(chǎn)生臭氧的電耗約為25 kWh/kg O3，由空氣供應(yīng)(He et al. 2003)。

上圖：專為工業(yè)廢水的深??度處理設(shè)計(jì)的中試規(guī)模的臭氧/紫外線流化床反應(yīng)器的示意圖（A）和實(shí)際圖（B）（1：儲(chǔ)罐，2-3：臭氧/紫外線流化床反應(yīng)器， 4：濾池，5：尾氣破壞反應(yīng)器，6：噴射泵，7：紫外線燈，8：空氣壓縮機(jī)，9：臭氧發(fā)生器，10：樣品入口，11：樣品出口，12：臭氧空氣，13：氣體入口14：尾氣出口;改編自Lin et al.2014a）。

下圖：用于連續(xù)流廢水處理的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的PCD設(shè)備的示意性配置（經(jīng)過Ajo等人2015的許可改編。美國(guó)化學(xué)會(huì)2015年版權(quán)所有）。

除了維持接觸反應(yīng)外，還涉及將氣態(tài)臭氧從臭氧發(fā)生器傳輸?shù)椒磻?yīng)器，以及由臭氧氣泡驅(qū)動(dòng)的氣體攪動(dòng)還消耗大量的能量用于廢水臭氧化。據(jù)分析，對(duì)于費(fèi)城貝爾蒙特水處理廠的臭氧處理系統(tǒng)，臭氧產(chǎn)生，臭氧與水的接觸，設(shè)備維護(hù)和預(yù)熱系統(tǒng)的能耗比分別為67.1％，21.2％，8.9％和2.8。相對(duì)于總能量輸入的百分比（Bean 1959）。最近，越來越多的研究嘗試通過與其他物理化學(xué)技術(shù)的結(jié)合來降低與有機(jī)污染物進(jìn)行臭氧化的能效，有機(jī)污染物的定義是與其他物理化學(xué)技術(shù)相結(jié)合，這是指單位質(zhì)量污染物或去除的DOC所消耗的能量，與表11相比。觀察到的協(xié)同效應(yīng)與非催化臭氧化相比，組合技術(shù)可以增強(qiáng)自由基種類的產(chǎn)生，從而消除污染物，因此可以提高相同能量輸入下的能源效率。 Mehrjouei等（2014年）表明，通過光催化臭氧化（TiO2 / UVA / O3）去除單位濃度草酸的能量效率分別比催化臭氧化（TiO2 / O3）和光催化（TiO2 / UVA / O2）低兩倍和九倍?；旧险f來，TiO2 / UVA / O3產(chǎn)生的˙OH收率，這是由于臭氧顯著地捕獲了導(dǎo)電電子，從而能夠抑制光生電荷的復(fù)合?；诔粞醯募夹g(shù)的能源效率也可以通過每單位質(zhì)量DOC所消耗的能量來評(píng)估。 Kopf等（2000年）報(bào)道TiO2 / UV / O3，TiO2 / UV和O3降解一的能量效率分別為5.4、19和110 kWh / g DOC，這歸因于負(fù)責(zé)任的聯(lián)合技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)。用于改善˙OH的生成。