由于臭氧水具有氧化性強、無化學殘留、高效全能、方便快捷、經(jīng)濟環(huán)保等優(yōu)點，近年來，被廣泛應用于家庭飲用水消毒、食品及鮮切果蔬的殺菌保鮮等方面[1-2]。臭氧殺菌消毒過程主要分為直接氧化和間接氧化[3]，直接氧化是臭氧分子直接參與氧化反應；間接氧化是將臭氧溶解于水中，形成液相臭氧水，即可分解產(chǎn)生比臭氧更具強氧化性的羥基自由基(·OH)用于殺菌消毒，其氧化還原電位高達2.8 V，且·OH的氧化性是無選擇性，可以將細菌、真菌、病毒內(nèi)含有的酶素、RNA等物質(zhì)快速氧化分解。

 

        然而，傳統(tǒng)的家用臭氧消毒機主要是利用臭氧氣體的氧化性進行直接殺菌消毒，殺菌消毒效果較差。且目前主要采用曝氣法、氣液混合泵等方法實現(xiàn)臭氧氣液混合，其中，曝氣法的臭氧溶解率和傳質(zhì)效率低，臭氧水濃度低，其殺菌消毒效果不理想[4]；采用氣液混合泵制備臭氧水，其混合效率高達80%以上，但由于體積大，成本高等缺點，不適合用于家用臭氧水消毒機中。而強化臭氧液相傳質(zhì)及產(chǎn)生羥基自由基的方法主要有：① 改變環(huán)境因素，即溫度、水質(zhì)、pH等[5]；② 改進氣液反應器，強化臭氧傳質(zhì)和羥基自由基的形成，曾尚升等[6]采用旋轉(zhuǎn)微氣泡反應器強化臭氧傳質(zhì)和羥基自由基的產(chǎn)生，一定條件下其臭氧傳質(zhì)系數(shù)達1.8 min-1，產(chǎn)生·OH濃度可達55.8 μmol/L，且·OH濃度隨pH的增大呈先緩慢增大后明顯增大的趨勢；③ 采用外加物理場強化臭氧傳質(zhì)和羥基自由基的形成，主要包括：提高壓力、采用電解氧化法、紫外光催化法及超聲波強化等[7-10]，其中熊鑫高原[11]利用間接檢測羥基自由基的方法證明采用超聲強化臭氧體系中產(chǎn)生的·OH含量是單獨臭氧體系的2.2～2.7倍。

 

        研究以強化臭氧液相傳質(zhì)和羥基自由基的產(chǎn)生為研究目的，擬采用一種實驗室自制新型靜態(tài)混合器，搭建小型臭氧水機試驗樣機。探究不同工藝參數(shù)對臭氧水傳質(zhì)和產(chǎn)生羥基自由基濃度的影響規(guī)律，并與常見的循環(huán)射流法和微孔曝氣法進行對比，旨在為家用小型高濃度臭氧水機設計及臭氧水殺菌消毒的應用研究提供依據(jù)。

 

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 試驗試劑

磷酸、磷酸氫二鈉、靛藍二硫酸鈉、氫氧化鈉：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；

2-羥基對苯二甲酸：純度98%，阿拉丁試劑有限公司；

對苯二甲酸：純度99%，阿拉丁試劑有限公司。

 

1.1.2 主要儀器設備

小型靜態(tài)混合器裝置：實驗室自制；可調(diào)節(jié)離心泵，多級調(diào)節(jié)氣泵，管式臭氧發(fā)生器，浮子流量計，小型醫(yī)用氧氣瓶，精密天平；紫外分光光度計；熒光分光光度計。

1. 儲液罐 2. 氧氣瓶 3. 減壓閥 4、10. 流量計 5. 干燥管 6. 三通閥 7. 臭氧發(fā)生器 8. 調(diào)節(jié)氣泵 9. 靜態(tài)混合器 11. 射流器 12. 離心泵

圖1 新型靜態(tài)混合器臭氧水機的試驗原理圖

 

1.2 試驗原理

臭氧水機的試驗裝置原理如圖1所示。新型靜態(tài)混合器采用一系列星形不銹鋼片狀元件按螺旋線串聯(lián)疊加、回轉(zhuǎn)而成，其表面為階梯狀切割刃，通過過盈配合安裝于管內(nèi)，且與管內(nèi)無相對運動。其螺旋線方程為：

式中：

θ——螺旋線上任意點相對起始點的旋轉(zhuǎn)角度，θ∈[0，φ]，°；

D——管道的直徑， mm；

l——靜態(tài)混合器長度， mm；

φ——入口截面相對于出口截面的轉(zhuǎn)角，°；

m——螺旋線的變螺距系數(shù)，m∈(0，1)。

 

        新型靜態(tài)混合器強化臭氧水傳質(zhì)及羥基自由基產(chǎn)生的工作原理如圖2所示，水溶液經(jīng)離心泵進入文丘里管，通過形成負壓，將臭氧氣體吸入管內(nèi)，于文丘里管進行初步混合，再經(jīng)靜態(tài)混合器多個螺旋線內(nèi)流道時，受到強烈的湍流和剪切應力作用。由于靜態(tài)混合器內(nèi)表面呈階梯狀，臭氧氣體與水溶液始終受到X、Y、Z 3個方向的剪切，加上封閉的反應腔內(nèi)，在壓力與流速作用下，臭氧氣體與水溶液還會形成強烈的湍流旋流場，使得臭氧氣體在靜態(tài)混合器中與水溶液充分溶解。根據(jù)Wang等[12]研究可知，臭氧氣泡先收縮再不斷切割細化到氣泡破碎，形成微納米級別的臭氧氣泡，增大了氣液接觸面積，由此激發(fā)產(chǎn)生更多的羥基自由基，強化了臭氧的液相傳質(zhì)及羥基自由基的產(chǎn)生。

 

1.3 試驗方法

1.3.1 臭氧水的制備
試驗前儲液罐中加入4 L蒸餾水，其中試驗室溫度為(18±2) ℃，水溫為(10±2) ℃。先啟動離心泵，使水溶液形成穩(wěn)定的循環(huán)回路；打開氧氣瓶，調(diào)節(jié)氧氣流量，接通臭氧發(fā)生器；再通過氣泵調(diào)節(jié)不同的臭氧氣體流量，經(jīng)靜態(tài)混合器進行高效的氣液混合。根據(jù)預試驗可知，選用螺距系數(shù)m為0.5，轉(zhuǎn)角φ為720°的二級靜態(tài)混合器。當采用循環(huán)射流法時，只拆除靜態(tài)混合器，用空管道代替。

圖2 靜態(tài)混合器強化臭氧傳質(zhì)及·OH產(chǎn)生原理

微孔曝氣法采用高為300 mm，直徑為200 mm的圓柱反應器，底部安裝直徑為15 cm的微孔曝氣盤(氣泡直徑1～3 mm)進行液相傳質(zhì)，其中儲液罐中加入4 L蒸餾水，其他條件保持一致。

 

1.3.2 臭氧水質(zhì)量濃度測定
采用靛藍二硫酸鈉法[13]，通過定時取樣，檢測臭氧水濃度，每次試驗重復3次取平均值，按式(2)計算臭氧水質(zhì)量濃度。

式中:

C——臭氧水質(zhì)量濃度，mg/L；

48——臭氧摩爾質(zhì)量，g/mol；

ε——靛藍二硫酸鈉摩爾吸光度，1.84×104 L/(mol·cm)；

b——比色皿厚度，cm；

V——臭氧水水樣體積，mL。

 

1.3.3 羥基自由基濃度測定
根據(jù)Milan-Segovia等[14]的方法，其中2-羥基對苯二甲酸標準溶液曲線為：C2-羥基對苯二甲酸=0.007 18A-0.742 89，并按式(3)計算羥基自由基濃度[15-16]。

式中：

C2-羥基對苯二甲酸——2-羥基對苯二甲酸標準溶液濃度，μmol/L；

C·OH——羥基自由基濃度，μmol/L；

A——待測溶液熒光吸光度值。

 

1.3.4 單因素試驗

(1) 臭氧氣體流量：固定液體流量為12 L/min，水溫為(10±2) ℃，考察不同臭氧氣體流量(1.0,1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0 L/min)對臭氧液相濃度和羥基自由基濃度的影響。

(2) 液體流量：固定臭氧氣體流量為2 L/min，水溫為(10±2) ℃，考察不同液體流量(4，6，8，10，12 L/min)對臭氧液相濃度和羥基自由基產(chǎn)生的影響。

(3) 液體溫度：固定臭氧氣體流量為2 L/min、液體流量為12 L/min，考察不同液體溫度(5，10，15，20，25 ℃)對臭氧液相濃度和羥基自由基產(chǎn)生的影響。

 

1.3.5 數(shù)據(jù)處理
所有試驗數(shù)據(jù)重復測定3次取平均值，采用Origin 2018軟件繪圖。

 

2.結論

采用新型靜態(tài)混合器可以顯著強化臭氧液相傳質(zhì)，隨著氣液流量的增加，臭氧液相濃度也增大。當臭氧氣體流量為2 L/min、液體流量為12 L/min、液體溫度為10 ℃時，臭氧水飽和質(zhì)量濃度達到12.67 mg/L，其中溫度為5 ℃時，臭氧液相質(zhì)量濃度可達13.05 mg/L。當臭氧氣體流量為2 L/min、液體流量為12 L/min、液體溫度為10 ℃時，與循環(huán)射流法、微孔曝氣法相比，臭氧水飽和質(zhì)量濃度分別提高了18.6%，53.2%，臭氧水中羥基自由基濃度分別提高了20.6%，73.4%。后續(xù)還可以選取不同結構參數(shù)的靜態(tài)混合器，研究其對強化臭氧水產(chǎn)生羥基自由基的影響。此外，針對臭氧水產(chǎn)生的羥基自由基，可進一步研究臭氧水和羥基自由基的殺菌性能。

 

劉新宇， 張博文， 崔政偉,

(1. 江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122；2. 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室，江蘇 無錫 214122)

作者簡介：劉新宇，男，江南大學在讀碩士研究生。

通信作者：崔政偉(1963—)，男，江南大學教授，博士。