综述：臭氧生成技术及其应用的研究进展：综述

《Process Safety and Environmental Protection》：Research Progress in Ozone Generation Technology and Applications: a review

臭氧技术安全评估与应用研究综述。

　　

魏林生|徐松|孙书凯|张雅芳

南昌大学资源与环境学院，中国南昌，330031

摘要

由于臭氧具有强大的氧化能力和快速分解为氧气的能力，因此被广泛用于水处理、空气净化、食品加工和医疗消毒。然而，其实际应用受到能效、副产物生成、操作安全性和监管要求的限制。本文从工艺安全性和环境保护的角度系统地探讨了臭氧生成技术及其应用。首先总结了臭氧的物理化学性质，以及与安全操作相关的评估和检测方法。然后，从反应机制、系统配置、能耗、生命周期成本和固有安全风险等方面，对紫外线、介质阻挡放电和电解臭氧发生器进行了批判性比较。通过讨论典型应用场景，揭示了在实际操作条件下的性能局限。最后，指出了大规模部署、系统集成和安全管理方面的关键挑战，并提出了向更安全、更节能和更可持续的臭氧技术发展的方向。

引言

在全球可持续发展目标和碳中和战略的背景下，环境管理技术不再仅仅关注污染物的去除（徐等人，2025年）。它们现在还考虑了能源使用、操作安全性和环境风险控制（毕远等人，2022年）。高级氧化工艺（AOPs）因能够有效去除顽固污染物而受到广泛关注。在这些技术中，臭氧（O₃）具有高氧化潜力和强反应性，被广泛应用于水处理、空气净化、医疗消毒和工业杀菌（Bavasso等人，2020年）。与基于氯的消毒剂相比，在适当控制下，臭氧可以减少卤化消毒副产物的生成。此外，臭氧在去除新兴微量污染物（如药物残留物和内分泌干扰化合物）方面也表现出明显优势。然而，基于臭氧的技术本身并不具有可持续性。其环境性能取决于臭氧生成方法、能效、副产物控制以及有效的工艺安全管理（Botondi等人，2023年）。

尽管臭氧技术具有广泛的应用潜力，但其大规模工程实施仍受到技术和安全挑战的限制。由于其高反应性和热力学不稳定性，臭氧无法安全储存或长距离运输。因此，在大多数实际应用中必须现场生成臭氧（Saravanan等人，2022年）。目前，介质阻挡放电（DBD）发生器是工业规模上最成熟和最广泛使用的臭氧生成技术。然而，DBD系统通常能耗较高且需要高压操作，这对电气绝缘、设备保护和操作安全提出了严格要求（Gou等人，2023年）。此外，在含氮或高湿度条件下运行可能会促进氮氧化物（NOx）的生成，这增加了环境负担，并给排放控制和工艺安全管理带来了额外挑战（Wei等人，2017年）。

为了克服这些限制，臭氧生成技术的发展与电气工程、材料科学和等离子体物理学的进步密切相关（Wei等人，2019年）。自西门子在19世纪提出第一台臭氧发生器以来，人们一直在努力改进供电策略、放电配置和介质材料（Li等人，2018a）。近年来，电化学臭氧生成方法受到了越来越多的关注。这种方法可以直接在水系统中产生高浓度臭氧，且NOx生成倾向较低，对负载变化的响应迅速（Hadiyanto等人，2020年）。这些优势使得电化学方法特别适合医疗消毒、紧凑型系统和高纯度臭氧应用（Wang等人，2020a）。同时，还探索了其他臭氧生成途径，如紫外线（UV）光解和等离子体-催化过程（Aguinaco等人，2012年）。

随着臭氧应用从实验室研究走向工程实践，技术发展不仅受臭氧产量的驱动，还受到系统集成、安全控制和法规合规性的影响（Dongyao等人，2023年）。臭氧被广泛应用于高级废水处理、饮用水消毒、空气净化和食品加工（Hubner等人，2024年）。然而，这些应用需要不同的臭氧浓度、投加策略和安全控制措施。因此，在保持能效、设备安全、职业健康保护和副产物控制的同时实现有效污染物去除，已成为实际臭氧系统的关键挑战（Shi等人，2021年）。

在此背景下，本文系统介绍了臭氧生成技术的最新进展及其应用，特别强调了能效、安全风险、副产物特性和工程适用性的差异。整体结构和主要内容如图1所示。该综述全面评估了臭氧的关键物理化学性质和最新的检测与监测技术，同时考虑了其在应用中的安全限制。它批判性地比较了主流臭氧生成技术的工作原理和工程特性，包括生命周期评估、工艺安全、风险管理和相关法规标准。通过讨论水处理、空气污染控制以及食品和医疗消毒等典型应用场景，突出了它们在实际操作条件下的优势和局限性。从工艺安全、环境保护和法规政策的角度，探讨了大规模臭氧应用的挑战，并概述了未来的发展趋势。本文旨在为臭氧技术的安全、高效和可持续使用提供系统的理论见解和实践指导，也为系统设计、操作优化和风险管理的研究人员和工程师提供了参考。

臭氧的物理化学性质

臭氧是氧气的一种同素异形体，在环境科学、工业科学和生命科学中具有重要意义。这种高反应性的氧化气体在标准温度和压力下呈浅蓝色，具有V形分子结构，键角约为116.8°（图2）（Wang等人，2022a）。臭氧的物理化学性质决定了其广泛的应用范围，但也限制了其在储存和运输过程中的稳定性（Buchner等人）

臭氧发生器和成本效益评估

臭氧发生器是一种通过特定物理或电化学过程将分子氧转化为臭氧的装置（Du等人，2021年）。目前，主要的臭氧生成技术可分为紫外线臭氧生成、DBD臭氧生成和电解臭氧生成（Yu等人，2019年）。紫外线臭氧生成和DBD臭氧生成主要用于产生气态臭氧，随后将其引入水中

臭氧的应用

臭氧是一种强氧化剂，同时对环境无害，能迅速分解为氧气而不产生有害残留物（Kharel等人，2020年）。其独特的性质使其在环境保护、公共卫生和食品工业中得到广泛应用。如图7（a）所示，臭氧在各种操作环境中都具有很高的适应性（Butler等人，2020年）。本文重点介绍了四个代表性应用领域：水处理、空气净化和食品

工艺安全性和风险管理

工业臭氧生成系统存在多种固有危险，包括高压电击、臭氧吸入、氢气爆炸、汞暴露和材料降解（ANON，2020年）。在气态臭氧应用中，这些危险会因臭氧浓度不稳定、空间分布不均匀和暴露条件控制不足而加剧。因此，安全操作需要一个结构化的工艺安全和风险管理框架

综合臭氧技术：应对经济、技术和标准化挑战

• 1.
  优化生产效率和总体成本
  当前的臭氧生成技术在平衡生产效率、运营成本和系统耐用性方面仍面临挑战，如图12（a）所示。基于高压放电的系统初始投资相对较低，但往往伴随着较高的能耗和长期运营成本。此外，为抑制NOx生成所需的复杂气体预处理增加了系统的复杂性

结论

由于臭氧具有强大的氧化性能、无二次污染和广泛的应用性，该技术受到了越来越多的关注。全球对绿色转型和有效消毒的需求正在增长。本文表明，臭氧技术已从单一过程的优化转向系统集成、精确控制和标准化应用的关注。

首先，本文回顾了臭氧的物理化学性质、生成机制和检测技术

利益声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

CRediT作者贡献声明

徐松：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、软件、资源、方法论、调查。魏林生：资金获取、正式分析、概念化。孙书凯：可视化、验证、项目管理、正式分析。张雅芳：验证、监督、软件、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们与本文的发表没有利益冲突。