本發(fā)明屬于氧氣回收技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種分離回收O₂和O₃ 的方法及裝置。

背景技術(shù)：

氧在自然界中具有廣泛的分布，在眾多的工業(yè)領(lǐng)域，均需要用氧氣。

目前，臭氧已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于水處理、醫(yī)藥、食品工業(yè)等眾多領(lǐng)域。眾所周知，現(xiàn)有技術(shù)中典型的臭氧發(fā)生工藝使用O₂生產(chǎn)O₃，具有相對(duì)短的半衰期，因此臭氧總是通過(guò)臭氧發(fā)生器現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。臭氧發(fā)生器的主要原理是電暈式放電，在臭氧發(fā)生器中，電暈放電元件的存在提供了一個(gè)電容式負(fù)載，O₃由O₂在放電的直接作用下產(chǎn)生。這種電暈式放電使穩(wěn)定的氧分子破裂并形成兩個(gè)氧自由基，這些自由基可以與氧分子結(jié)合形成O₃。在多數(shù)情況下，只有10%的供應(yīng)O₂被轉(zhuǎn)化為O₃，未轉(zhuǎn)化的O₂與所需的O₃一起被導(dǎo)入應(yīng)用中并被浪費(fèi)。分離和回收利用O₂將使O₂的總消耗量降低約80％。

人類(lèi)活動(dòng)產(chǎn)生的污染物氣體主要包括初級(jí)污染物和刺激污染物。其中初級(jí)污染物主要包括：硫氧化物（SOx），特別是二氧化硫，化學(xué)式為SO₂的化合物，煤和石油通常含有硫化合物，其燃燒后產(chǎn)生二氧化硫；氮氧化物（NOx），氮氧化物，特別是二氧化氮，在高溫燃燒下產(chǎn)生；一氧化碳（CO），CO無(wú)色，無(wú)味，有毒，但無(wú)刺激性，由燃料（如天然氣、煤或木材）不完全燃燒產(chǎn)生；揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），VOC是一種眾所周知的室外空氣污染物，分為甲烷（CH4）和非甲烷（NMVOCs）兩類(lèi)；顆粒物，又名顆粒物質(zhì)（PM），大氣顆粒物質(zhì)，或細(xì)微顆粒物，是懸浮在氣體中的固體或液體狀微小顆粒；氨（NH₃），產(chǎn)生于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，氨指化學(xué)式為NH₃的化合物，通常以氣體形式存在，具有刺激性氣味。次級(jí)污染物包括：由氣態(tài)初級(jí)污染物和光化學(xué)煙霧中的化合物產(chǎn)生的顆粒物，煙霧是一種空氣污染，典型的煙霧由大量燃煤的區(qū)域中煙氣和二氧化硫的混合物造成，現(xiàn)代煙霧通常不來(lái)自煤，而是來(lái)自車(chē)輛和工業(yè)的廢氣排放，其在大氣中在太陽(yáng)紫外線的作用下形成次級(jí)污染物，并與初級(jí)污染物結(jié)合形成光化學(xué)煙霧；地面臭氧由NOx和VOC形成，臭氧（O₃）是對(duì)流層的主要組份，也是特定區(qū)域的平流層（常稱(chēng)為臭氧層）的重要組份，光化學(xué)和化學(xué)反應(yīng)中有許多涉及臭氧驅(qū)動(dòng)的在大氣層中日夜發(fā)生的化學(xué)過(guò)程，然而在因人類(lèi)活動(dòng)（多為化石燃料的燃燒）造成的反常高臭氧濃度的情況下，臭氧也是一種污染物，同時(shí)是煙霧的組分之一；過(guò)氧乙酰硝酸酯（PAN）。

由于占地面積小，能源效率高，模塊化設(shè)計(jì)便捷的特點(diǎn)，膜技術(shù)對(duì)于現(xiàn)有工藝來(lái)講，是潛在的替代方案?？赡苡玫侥ぜ夹g(shù)的主要?dú)怏w分離包括：1）分離H₂/CO₂以制備燃料電池所用的氫氣；2）用于煙氣或石灰爐廢氣中的CO₂/N₂分離，以便隔離CO₂；3）用于天然氣處理或沼氣凈化中的CO₂/CH₄分離；4）分離O₂/N₂以制備富氧空氣或純氮?dú)?。從加油站或油田空氣中通過(guò)膜回收有機(jī)蒸汽，可減少大氣中污染物的排放，同時(shí)提高工藝效率和經(jīng)濟(jì)收益。氣體和/或蒸汽的選擇性分離要求薄膜能夠根據(jù)分子性質(zhì)進(jìn)行分離。這種薄膜可以是無(wú)機(jī)多孔膜，例如沸石或介孔硅石，根據(jù)分子尺寸或滲透種類(lèi)的可冷凝性進(jìn)行分離。膜的材質(zhì)也可以為金屬，多用于氫氣的分離，根據(jù)進(jìn)行化學(xué)分裂和重化合反應(yīng)的可能性來(lái)實(shí)現(xiàn)。市售最常見(jiàn)且種類(lèi)最多的薄膜是高分子膜，其分離依據(jù)俗稱(chēng)為溶液擴(kuò)散機(jī)制的原理。盡管存在一些內(nèi)在限制，使用高分子膜進(jìn)行氣體分離研究的主要目標(biāo)之一便為材料研究，以求突破此類(lèi)限制。現(xiàn)今使用分子設(shè)計(jì)和建模技術(shù)，一方面用于支持和解釋試驗(yàn)結(jié)果，另一方面用于預(yù)測(cè)膜的性能。

因此，從大氣空氣及臭氧發(fā)生器中分離和回收氧氣，具有現(xiàn)實(shí)的意義和一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，本發(fā)明的目的是提供一種利用高分子膜系統(tǒng)分離回收O₂和O₃ 的方法及裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種分離回收O₂和O₃ 的方法。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種分離回收O₂和O₃ 的方法，是從大氣空氣中分離回收O₂和O₃的方法，步驟為：使用風(fēng)機(jī)收集大氣空氣，并使其逐級(jí)通過(guò)多個(gè)氣體分離過(guò)濾器，分離回收O₂和O₃，并將大氣空氣的其余成分釋放到大氣中。

進(jìn)一步地，所述的氣體分離過(guò)濾器為高分子膜過(guò)濾器。

上述一種分離回收O₂和O₃ 的方法，具體步驟為：

（1）使用風(fēng)機(jī)收集大氣空氣，使其進(jìn)入第一級(jí)高分子膜過(guò)濾器以分離去除N₂和CO，N₂和CO經(jīng)過(guò)管道和減震裝置后被重新釋放到大氣空氣中，剩余氣體通過(guò)管道進(jìn)入第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器；

（2）氣體在第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器內(nèi)分離去除NO，NO經(jīng)過(guò)管道和緩沖裝置后被重新釋放到大氣空氣中，剩余氣體通過(guò)管道進(jìn)入第三級(jí)高分子膜過(guò)濾器；

（3）氣體在第三級(jí)高分子膜過(guò)濾器內(nèi)分離O₂，O₂通過(guò)管道被導(dǎo)入O₂處理系統(tǒng)中回收利用，剩余氣體通過(guò)管道進(jìn)入第四級(jí)高分子膜過(guò)濾器；

（4）氣體在第四級(jí)高分子膜過(guò)濾器內(nèi)分離去除NO₂和CO₂，NO₂和CO₂經(jīng)過(guò)管道和緩沖裝置后被重新釋放到大氣空氣中，剩余氣體通過(guò)管道進(jìn)入第五級(jí)高分子膜過(guò)濾器；

（5）氣體在第五級(jí)高分子膜過(guò)濾器內(nèi)分離O₃ ，O₃通過(guò)管道導(dǎo)入臭氧工藝回收利用，剩余氣體經(jīng)過(guò)管道和緩沖裝置后被重新釋放到大氣空氣中。

用于完成上述分離回收O₂和O₃ 的方法的裝置，包括通過(guò)管路依次連接的風(fēng)機(jī)、第一級(jí)高分子膜過(guò)濾器、第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器14、第三級(jí)高分子膜過(guò)濾器、第四級(jí)高分子膜過(guò)濾器、第五級(jí)高分子膜過(guò)濾；其中所述的第一級(jí)高分子膜過(guò)濾器通過(guò)第一級(jí)管道連接第一級(jí)減震裝置；所述的第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器通過(guò)第二級(jí)管道連接第二級(jí)減震裝置；所述的第三級(jí)高分子膜過(guò)濾器通過(guò)第三級(jí)管道與O₂處理系統(tǒng)連接；所述的第四級(jí)高分子膜過(guò)濾器通過(guò)第四級(jí)管道連接第四級(jí)減震裝置；所述的第五級(jí)高分子膜過(guò)濾分別通過(guò)臭氧管道與臭氧工藝連接，通過(guò)第五級(jí)管道連接第五級(jí)減震裝置。

更進(jìn)一步地，一種分離回收O₂和O₃ 的方法，是從工業(yè)臭氧發(fā)生中分離O₂和O₃，然后回收利用O₂的方法，步驟為：通過(guò)O₂供給系統(tǒng)向臭氧發(fā)生器供給O₂，臭氧發(fā)生器將O₂ 部分轉(zhuǎn)化為O₃，將臭氧發(fā)生器排出的O₂ 和O₃ 的混合氣體通過(guò)高分子膜過(guò)濾器，將O₃和O₂分離，分離出的O₂導(dǎo)入回收到O₂供給系統(tǒng)，分離出的O₃進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。

用于完成上述一種分離回收O₂和O₃ 的方法的裝置，包括O₂供給系統(tǒng)、O₂儲(chǔ)存容器、臭氧發(fā)生器、高分子膜過(guò)濾系統(tǒng)，所述的O₂供給系統(tǒng)、O₂儲(chǔ)存容器和臭氧發(fā)生器通過(guò)管路依次連接，所述的臭氧發(fā)生器的排氣口與高分子膜過(guò)濾系統(tǒng)連通，O₂ 和O₃ 的混合氣體在高分子膜過(guò)濾系統(tǒng)分離，所述的O₂ 通過(guò)管路回收輸入到O₂儲(chǔ)存容器，O₃進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。

所述的高分子膜為陶瓷材料制成的聚酰胺膜。

在一個(gè)典型的高分子膜應(yīng)用中，氣體混合物可以通過(guò)由高分子聚合物（如陶瓷材料制成的聚酰胺）制成的膜來(lái)進(jìn)行有效分離。膜可以作為一個(gè)可滲透障礙層來(lái)分離氣體混合物，不同的化合物在通過(guò)該可滲透障礙層時(shí)，或以不同的速率通過(guò)，或無(wú)法通過(guò)。膜可以是高分子聚合物等，而氣體分子的滲透則根據(jù)其尺寸，擴(kuò)散率，或溶解度而有所不同。此外，已知高分子膜可分離最小的分子，如O₂，CO₂，O₃等。每類(lèi)膜根據(jù)各自應(yīng)用設(shè)計(jì)，以分離特定壓力和流量下的目標(biāo)分子。

此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)會(huì)了解主要存在3種擴(kuò)散機(jī)制：（a）分子篩是指由于膜孔太小而不能使成分通過(guò)的情況，由于氣體分子過(guò)小，此機(jī)制不適用于氣體應(yīng)用中；（b）克努森擴(kuò)散（Knudsen diffusion）發(fā)生在非常低的壓力下，其中較輕的分子在穩(wěn)定較大孔隙中能更快地移動(dòng)。在這類(lèi)情況下，分子運(yùn)動(dòng)的最好描述為壓差驅(qū)動(dòng)下的過(guò)細(xì)管對(duì)流，可以使用達(dá)西定律（Darcy's Law）量化；（c）然而，氣體應(yīng)用中的更常用的模型是溶液擴(kuò)散，其中粒子先溶解在膜表面，然后以不同的速率擴(kuò)散通過(guò)膜。在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，圖2表示該技術(shù)適用于當(dāng)高分子膜中孔隙的出現(xiàn)和消失相對(duì)快于粒子的運(yùn)動(dòng)的情況下。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)從大氣空氣或臭氧發(fā)生系統(tǒng)分離回收O₂和O₃ 的目的，并可廣泛推廣于工業(yè)應(yīng)用，具有一定的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例和現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為臭氧發(fā)生中O₂和O₃的分離裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為分子擴(kuò)散示意圖；

圖3為典型的高分子膜示意圖；

圖4為從大氣中分離O₂和O₃的系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

為對(duì)本發(fā)明有更透徹的理解，下面將結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，并在以下實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明中對(duì)許多細(xì)節(jié)進(jìn)行闡述。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，即使沒(méi)有這些細(xì)節(jié)描述，本發(fā)明也可以實(shí)施。除此之外，本發(fā)明并沒(méi)有對(duì)公知常識(shí)進(jìn)行詳細(xì)的介紹，以避免因不必要的描述而冗長(zhǎng)。

實(shí)施

如圖1所示的臭氧發(fā)生中O₂和O₃的分離裝置，包括O₂供給系統(tǒng)1、O₂儲(chǔ)存容器2、臭氧發(fā)生器3、高分子膜過(guò)濾系統(tǒng)4，所述的O₂供給系統(tǒng)1、O₂儲(chǔ)存容器2和臭氧發(fā)生器3通過(guò)管路依次連接，所述的臭氧發(fā)生器3的排氣口與高分子膜過(guò)濾系統(tǒng)4連通，O₂ 和O₃ 的混合氣體在高分子膜過(guò)濾系統(tǒng)4分離，所述的O₂ 通過(guò)管路回收輸入到O₂儲(chǔ)存容器2，O₃進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用。

運(yùn)行時(shí)，供應(yīng)氣體O₂從O₂供給系統(tǒng)1通過(guò)一系列典型的管道排布被導(dǎo)入O₂的儲(chǔ)存容器2中，原料氣體O₂從O₂儲(chǔ)存容器2中通過(guò)泵被導(dǎo)入臭氧發(fā)生器3中，在此O₂被轉(zhuǎn)化為O₃，臭氧發(fā)生器3中產(chǎn)出的O₃和（未被轉(zhuǎn)化的）O₂被導(dǎo)入高分子膜過(guò)濾系統(tǒng)4，并在此進(jìn)行分離，純O₃通過(guò)管道和輔材配件的網(wǎng)絡(luò)被導(dǎo)入控制面板，通過(guò)典型管道排布流經(jīng)控制閥和流量計(jì)，隨后被導(dǎo)出控制面板進(jìn)入具體應(yīng)用，其中O₃可以被輸送到鍋爐的廢氣流中，用于將NO轉(zhuǎn)化成NO₂；O₂經(jīng)高分子膜過(guò)濾系統(tǒng)4與O₃分離，并通過(guò)管道和輔材配件的網(wǎng)絡(luò)被導(dǎo)入循環(huán)泵，經(jīng)過(guò)循環(huán)泵的O₂通過(guò)一系列典型的管道排布被導(dǎo)回到O₂儲(chǔ)存容器2中。

在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，圖2顯示了在不同應(yīng)用中的分子擴(kuò)散，其中5為流動(dòng)體通過(guò)孔，6為通過(guò)孔的擴(kuò)散，7中顯示了分子篩過(guò)程，8顯示了溶液擴(kuò)散通過(guò)致密膜。

圖3所示為典型的高分子膜系統(tǒng)，進(jìn)料管9所進(jìn)物料被分離成兩種組分，包括滲透物和滯留物，其中滲透物是穿過(guò)膜后，通過(guò)管路10排出的氣體，滯留物是剩余下來(lái)的，通過(guò)管路11排出的氣體。每種物質(zhì)通過(guò)膜的難易性可用滲透率P_i量化。假設(shè)膜兩邊為理想混合，使用理想氣體定理，恒定擴(kuò)散系數(shù)，和亨利定律，由菲克定律（Fick's Law）可知,物質(zhì)的流通量與壓力差有關(guān)。

實(shí)施例2

如圖4所示的從大氣中分離O₂和O₃的裝置，包括通過(guò)管路依次連接的風(fēng)機(jī)12、第一級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-01）13、第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-02）14、第三級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-03）15、第四級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-04）16、第五級(jí)高分子膜過(guò)濾（PMF-05）17，所述的第一級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-01）13通過(guò)第一級(jí)管道18連接第一級(jí)減震裝置19，所述的第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-02）14通過(guò)第二級(jí)管道20連接第二級(jí)減震裝置21，所述的第三級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-03）15通過(guò)第三級(jí)管道22與O₂處理系統(tǒng)連接，所述的第四級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-04）16通過(guò)第四級(jí)管道23連接第四級(jí)減震裝置24，所述的第五級(jí)高分子膜過(guò)濾（PMF-05）17分別通過(guò)臭氧管道24與臭氧工藝連接，通過(guò)第五級(jí)管道25連接第五級(jí)減震裝置26。

運(yùn)行時(shí)，大氣空氣通過(guò)安裝于裝置側(cè)面的風(fēng)機(jī)被吸入裝置中，混合的大氣氣體由風(fēng)機(jī)12引導(dǎo)通過(guò)第一級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-01）13，從混合大氣氣體中分離出N₂和CO，N₂和CO在經(jīng)過(guò)系列第一級(jí)管道18和第一級(jí)減震裝置19后被重新釋放到大氣空氣中；剩余的大氣氣體被輸送到第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-02）14，在此將NO從混合氣體中分離，NO在第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-02）14后通過(guò)第二級(jí)管道20和第二級(jí)緩沖裝置21被重新釋放到大氣空氣中，第二級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-02）14中的剩余大氣氣體被導(dǎo)入第三級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-03）15，在此O₂與其他大氣氣體分離，并通過(guò)系列第三級(jí)管道22被導(dǎo)入工業(yè)工廠O₂處理系統(tǒng)中；剩余的混合大氣氣體由第三級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-03）15被導(dǎo)入第四級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-04）16中，在此NO₂和CO₂從大氣的混合氣體中分離，并通過(guò)系列第四級(jí)管道23和第四級(jí)緩沖裝置24被重新釋放到大氣空氣中，剩余的混合大氣氣體由第四級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-04）16被導(dǎo)入最后的第五級(jí)高分子膜過(guò)濾器（PMF-05）17，在此O₃被分離，并通過(guò)系列臭氧管道24被導(dǎo)入工業(yè)工廠的臭氧工藝應(yīng)用中；剩余的混合大氣氣體在第五級(jí)高分子膜過(guò)濾（PMF-05）17后通過(guò)系列第五級(jí)管道25和第五級(jí)緩沖裝置26被重新釋放到大氣空氣中。

在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明裝置吸入大氣空氣，在此處理混合氣體包括N₂、O₂以及大氣中所包括的其他混合氣體，從此混合氣體中提取出O₂和O₃，提取順序和處理階段數(shù)不僅限于圖4所示布置方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該了解，任意階段數(shù)的任意排列順序均不脫離本發(fā)明的公開(kāi)范圍。