本發明屬于氧氣回收技術領域，具體涉及一種分離回收O₂和O₃ 的方法及裝置。

背景技術：

氧在自然界中具有廣泛的分布，在眾多的工業領域，均需要用氧氣。

目前，臭氧已經被廣泛應用于水處理、醫藥、食品工業等眾多領域。眾所周知，現有技術中典型的臭氧發生工藝使用O₂生產O₃，具有相對短的半衰期，因此臭氧總是通過臭氧發生器現場生產。臭氧發生器的主要原理是電暈式放電，在臭氧發生器中，電暈放電元件的存在提供了一個電容式負載，O₃由O₂在放電的直接作用下產生。這種電暈式放電使穩定的氧分子破裂并形成兩個氧自由基，這些自由基可以與氧分子結合形成O₃。在多數情況下，只有10%的供應O₂被轉化為O₃，未轉化的O₂與所需的O₃一起被導入應用中并被浪費。分離和回收利用O₂將使O₂的總消耗量降低約80％。

人類活動產生的污染物氣體主要包括初級污染物和刺激污染物。其中初級污染物主要包括：硫氧化物（SOx），特別是二氧化硫，化學式為SO₂的化合物，煤和石油通常含有硫化合物，其燃燒后產生二氧化硫；氮氧化物（NOx），氮氧化物，特別是二氧化氮，在高溫燃燒下產生；一氧化碳（CO），CO無色，無味，有毒，但無刺激性，由燃料（如天然氣、煤或木材）不完全燃燒產生；揮發性有機化合物（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；顆粒物，又名顆粒物質（PM），大氣顆粒物質，或細微顆粒物，是懸浮在氣體中的固體或液體狀微小顆粒；氨（NH₃），產生于農業生產過程，氨指化學式為NH₃的化合物，通常以氣體形式存在，具有刺激性氣味。次級污染物包括：由氣態初級污染物和光化學煙霧中的化合物產生的顆粒物，煙霧是一種空氣污染，典型的煙霧由大量燃煤的區域中煙氣和二氧化硫的混合物造成，現代煙霧通常不來自煤，而是來自車輛和工業的廢氣排放，其在大氣中在太陽紫外線的作用下形成次級污染物，并與初級污染物結合形成光化學煙霧；地面臭氧由NOx和VOC形成，臭氧（O₃）是對流層的主要組份，也是特定區域的平流層（常稱為臭氧層）的重要組份，光化學和化學反應中有許多涉及臭氧驅動的在大氣層中日夜發生的化學過程，然而在因人類活動（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，同時是煙霧的組分之一；過氧乙酰硝酸酯（PAN）。

由于占地面積小，能源效率高，模塊化設計便捷的特點，膜技術對于現有工藝來講，是潛在的替代方案。可能用到膜技術的主要氣體分離包括：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氣。從加油站或油田空氣中通過膜回收有機蒸汽，可減少大氣中污染物的排放，同時提高工藝效率和經濟收益。氣體和/或蒸汽的選擇性分離要求薄膜能夠根據分子性質進行分離。這種薄膜可以是無機多孔膜，例如沸石或介孔硅石，根據分子尺寸或滲透種類的可冷凝性進行分離。膜的材質也可以為金屬，多用于氫氣的分離，根據進行化學分裂和重化合反應的可能性來實現。市售最常見且種類最多的薄膜是高分子膜，其分離依據俗稱為溶液擴散機制的原理。盡管存在一些內在限制，使用高分子膜進行氣體分離研究的主要目標之一便為材料研究，以求突破此類限制。現今使用分子設計和建模技術，一方面用于支持和解釋試驗結果，另一方面用于預測膜的性能。

因此，從大氣空氣及臭氧發生器中分離和回收氧氣，具有現實的意義和一定的經濟價值，本發明的目的是提供一種利用高分子膜系統分離回收O₂和O₃ 的方法及裝置。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種分離回收O₂和O₃ 的方法。

本發明是通過以下技術方案實現的：

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：使用風機收集大氣空氣，并使其逐級通過多個氣體分離過濾器，分離回收O₂和O₃，并將大氣空氣的其余成分釋放到大氣中。

進一步地，所述的氣體分離過濾器為高分子膜過濾器。

上述一種分離回收O₂和O₃ 的方法，具體步驟為：

（1）使用風機收集大氣空氣，使其進入第一級高分子膜過濾器以分離去除N₂和CO，N₂和CO經過管道和減震裝置后被重新釋放到大氣空氣中，剩余氣體通過管道進入第二級高分子膜過濾器；

（2）氣體在第二級高分子膜過濾器內分離去除NO，NO經過管道和緩沖裝置后被重新釋放到大氣空氣中，剩余氣體通過管道進入第三級高分子膜過濾器；

（3）氣體在第三級高分子膜過濾器內分離O₂，O₂通過管道被導入O₂處理系統中回收利用，剩余氣體通過管道進入第四級高分子膜過濾器；

（4）氣體在第四級高分子膜過濾器內分離去除NO₂和CO₂，NO₂和CO₂經過管道和緩沖裝置后被重新釋放到大氣空氣中，剩余氣體通過管道進入第五級高分子膜過濾器；

（5）氣體在第五級高分子膜過濾器內分離O₃ ，O₃通過管道導入臭氧工藝回收利用，剩余氣體經過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，包括通過管路依次連接的風機、第一級高分子膜過濾器、第二級高分子膜過濾器14、第三級高分子膜過濾器、第四級高分子膜過濾器、第五級高分子膜過濾；其中所述的第一級高分子膜過濾器通過第一級管道連接第一級減震裝置；所述的第二級高分子膜過濾器通過第二級管道連接第二級減震裝置；所述的第三級高分子膜過濾器通過第三級管道與O₂處理系統連接；所述的第四級高分子膜過濾器通過第四級管道連接第四級減震裝置；所述的第五級高分子膜過濾分別通過臭氧管道與臭氧工藝連接，通過第五級管道連接第五級減震裝置。

更進一步地，一種分離回收O₂和O₃ 的方法，是從工業臭氧發生中分離O₂和O₃，然后回收利用O₂的方法，步驟為：通過O₂供給系統向臭氧發生器供給O₂，臭氧發生器將O₂ 部分轉化為O₃，將臭氧發生器排出的O₂ 和O₃ 的混合氣體通過高分子膜過濾器，將O₃和O₂分離，分離出的O₂導入回收到O₂供給系統，分離出的O₃進入工業應用。

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、O₂儲存容器、臭氧發生器、高分子膜過濾系統，所述的O₂供給系統、O₂儲存容器和臭氧發生器通過管路依次連接，所述的臭氧發生器的排氣口與高分子膜過濾系統連通，O₂ 和O₃ 的混合氣體在高分子膜過濾系統分離，所述的O₂ 通過管路回收輸入到O₂儲存容器，O₃進入工業應用。

所述的高分子膜為陶瓷材料制成的聚酰胺膜。

在一個典型的高分子膜應用中，氣體混合物可以通過由高分子聚合物（如陶瓷材料制成的聚酰胺）制成的膜來進行有效分離。膜可以作為一個可滲透障礙層來分離氣體混合物，不同的化合物在通過該可滲透障礙層時，或以不同的速率通過，或無法通過。膜可以是高分子聚合物等，而氣體分子的滲透則根據其尺寸，擴散率，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。每類膜根據各自應用設計，以分離特定壓力和流量下的目標分子。

此外，本領域技術人員來會了解主要存在3種擴散機制：（a）分子篩是指由于膜孔太小而不能使成分通過的情況，由于氣體分子過小，此機制不適用于氣體應用中；（b）克努森擴散（Knudsen diffusion）發生在非常低的壓力下，其中較輕的分子在穩定較大孔隙中能更快地移動。在這類情況下，分子運動的最好描述為壓差驅動下的過細管對流，可以使用達西定律（Darcy's Law）量化；（c）然而，氣體應用中的更常用的模型是溶液擴散，其中粒子先溶解在膜表面，然后以不同的速率擴散通過膜。在本發明的一個或多個實施例中，圖2表示該技術適用于當高分子膜中孔隙的出現和消失相對快于粒子的運動的情況下。

與現有技術相比，本發明可以實現從大氣空氣或臭氧發生系統分離回收O₂和O₃ 的目的，并可廣泛推廣于工業應用，具有一定的環保和經濟價值。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例和現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動性的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為臭氧發生中O₂和O₃的分離裝置結構示意圖；

圖2為分子擴散示意圖；

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的系統示意圖。

具體實施方式

為對本發明有更透徹的理解，下面將結合說明書附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明，并在以下實施例的詳細說明中對許多細節進行闡述。然而，對于本領域技術人員而言，即使沒有這些細節描述，本發明也可以實施。除此之外，本發明并沒有對公知常識進行詳細的介紹，以避免因不必要的描述而冗長。

實施

如圖1所示的臭氧發生中O₂和O₃的分離裝置，包括O₂供給系統1、O₂儲存容器2、臭氧發生器3、高分子膜過濾系統4，所述的O₂供給系統1、O₂儲存容器2和臭氧發生器3通過管路依次連接，所述的臭氧發生器3的排氣口與高分子膜過濾系統4連通，O₂ 和O₃ 的混合氣體在高分子膜過濾系統4分離，所述的O₂ 通過管路回收輸入到O₂儲存容器2，O₃進入工業應用。

運行時，供應氣體O₂從O₂供給系統1通過一系列典型的管道排布被導入O₂的儲存容器2中，原料氣體O₂從O₂儲存容器2中通過泵被導入臭氧發生器3中，在此O₂被轉化為O₃，臭氧發生器3中產出的O₃和（未被轉化的）O₂被導入高分子膜過濾系統4，并在此進行分離，純O₃通過管道和輔材配件的網絡被導入控制面板，通過典型管道排布流經控制閥和流量計，隨后被導出控制面板進入具體應用，其中O₃可以被輸送到鍋爐的廢氣流中，用于將NO轉化成NO₂；O₂經高分子膜過濾系統4與O₃分離，并通過管道和輔材配件的網絡被導入循環泵，經過循環泵的O₂通過一系列典型的管道排布被導回到O₂儲存容器2中。

在本發明的一個或多個實施例中，圖2顯示了在不同應用中的分子擴散，其中5為流動體通過孔，6為通過孔的擴散，7中顯示了分子篩過程，8顯示了溶液擴散通過致密膜。

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

實施例2

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

運行時，大氣空氣通過安裝于裝置側面的風機被吸入裝置中，混合的大氣氣體由風機12引導通過第一級高分子膜過濾器（PMF-01）13，從混合大氣氣體中分離出N₂和CO，N₂和CO在經過系列第一級管道18和第一級減震裝置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高分子膜過濾器（PMF-02）14，在此將NO從混合氣體中分離，NO在第二級高分子膜過濾器（PMF-02）14后通過第二級管道20和第二級緩沖裝置21被重新釋放到大氣空氣中，第二級高分子膜過濾器（PMF-02）14中的剩余大氣氣體被導入第三級高分子膜過濾器（PMF-03）15，在此O₂與其他大氣氣體分離，并通過系列第三級管道22被導入工業工廠O₂處理系統中；剩余的混合大氣氣體由第三級高分子膜過濾器（PMF-03）15被導入第四級高分子膜過濾器（PMF-04）16中，在此NO₂和CO₂從大氣的混合氣體中分離，并通過系列第四級管道23和第四級緩沖裝置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高分子膜過濾器（PMF-04）16被導入最后的第五級高分子膜過濾器（PMF-05）17，在此O₃被分離，并通過系列臭氧管道24被導入工業工廠的臭氧工藝應用中；剩余的混合大氣氣體在第五級高分子膜過濾（PMF-05）17后通過系列第五級管道25和第五級緩沖裝置26被重新釋放到大氣空氣中。

在本發明的一個或多個實施例中，本發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不僅限于圖4所示布置方式，本領域的技術人員應該了解，任意階段數的任意排列順序均不脫離本發明的公開范圍。