臭氧是一种广谱高效的绿色消毒剂,被广泛应用于消毒灭菌、污水处理以及食品加工等领域。工业中生产臭氧的装置多为介质阻挡放电式臭氧发生器。此类臭氧发生器虽然臭氧产量大、设备稳定性好,但是其能耗较高,产生的臭氧浓度较低,并且会产生副产物NOx污染环境。本文通过研究固体聚合物电解质技术制备臭氧的机理,建立高效制备臭氧的工艺过程,优化工艺参数,确定最优工艺条件。以此为基础设计研发高效臭氧发生器,实现对臭氧发生器工作过程的自动控制,达到了精确控制臭氧浓度、安全高效消毒的目的。研制的臭氧发生器体积小、重量轻、节能高效、绿色环保,具有广阔应用前景。本文主要完成了以下内容:首先,开展对固体聚合物电解质技术制备臭氧工艺研究。通过EDS、SEM、XRD和拉曼光谱等分析方法,从析氧电位、导电性以及稳定性等方面对硼掺杂金刚石（BDD）、Pt和β-Pb O2电极进行比较,结果表明BDD具有良好的导电性,其析氧电位与稳定性均优于Pt和β-Pb O2,是性能优异的阳极材料;进一步优化MEA的结构,将集电器设计为钛方框金属片,其导电性能好,稳定性高,可以使电流均匀分布到电极上,同时还能增大电极与电解液的接触面积,提高臭氧产量;研究不同工艺参数对臭氧产生性能的影响,结果表明,固体聚合物电解质技术高效、低能耗制备臭氧的最佳工艺条件是当电极电压为9 V,电解液流速为24 ml/min时,使用BDD电极与F-10120-PK质子交换膜组成膜电极组件（MEA）电解去离子水,臭氧的产量最高。此时臭氧产量为4.85 mg/min,电流效率为1.73 mg/min·A。其次,结合固体聚合物电解质技术高效、低能耗制备臭氧的最优工艺条件,使用Altium Designer软件完成臭氧发生器控制系统设计:以PIC18F4520单片机为控制核心,集成了MEA驱动、液位监测与报警、臭氧浓度监测及人机交互等硬件模块,实现了臭氧浓度监控、液位监测和人机交互等功能;结合卫生部2002版《消毒技术规范》中使用臭氧对物体表面进行消毒的规定,提出控制原理与控制流程,并使用MPLAB X软件对PIC18F4520单片机进行编程,实现了对臭氧发生器工作过程的自动控制,达到了精确控制臭氧浓度、安全高效消毒的目的。然后,基于固体聚合物电解质技术制备臭氧工艺以及臭氧发生器控制系统设计方案,使用Solid Works、Altium Designer等软件完成了MEA、控制系统PCB与电源等核心部件的选型与设计以及臭氧发生器整机结构设计,通过合理布置电源、储液箱与PCB等部件,提高设备空间利用率,实现臭氧发生器小型化设计,外观设计符合人体工程学;为保证结构设计的合理性与安全性,对臭氧发生器外壳进行静力分析与跌落分析,结果表明外壳所受最大静力为3.743×10~5 Pa,从1.5 m高度跌落所受最大应力为1.034×10~9 Pa,远小于ABS塑料的屈服强度,不会发生破损,符合系统设计强度;为保证臭氧发生器的稳定性,对主控电路板进行模态分析,通过增加主控电路板固定孔,将其一阶固有频率从98.53 Hz提升至214.57 Hz,提高了主控电路板的抗振性能,保证了臭氧发生器的工作稳定性;最终按照优化后的设计方案完成样机试制;样机选用PLA光敏树脂材料3D打印,其外部尺寸为26×24×15 cm,整机净重2.8 kg;试制的臭氧发生器样机结构合理,抗振防摔,符合便携式装备设计使用要求。最后,对样机进行基本性能与消毒灭菌性能评价。基本性能评价实验结果表明,臭氧发生器样机的臭氧产率为9 mg/min,满电状态可以连续工作8 h以上,能满足臭氧表面消毒作业需求;作业时环境臭氧浓度在设定范围内波动,实现了对环境臭氧浓度自动控制的目的。消毒灭菌性能实验结果表明,臭氧发生器样机的消毒时间短,消毒效率高,具有高效消毒功能:在“普通消毒”与“高效消毒”两种模式下,臭氧发生器对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的有效消毒时间分别为45 min和20 min;同时,两种消毒模式均可完全杀灭物体表面的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,达到灭菌水平,其灭菌时间分别为60 min和40 min。