Einführung in Ozone Genera …
Siemens entwickelte 1957 den ersten Ozongenerator, der auf Koronaentladungen basierte. Heute wird Ozon sowohl kommerziell als auch im Labor nach verschiedenen Methoden hergestellt.
Die Erzeugung von Ozon beinhaltet die Zwischenbildung von atomaren Sauerstoffradikalen, die mit molekularem Sauerstoff reagieren können. Alle Prozesse, die molekularen Sauerstoff in Sauerstoffradikale dissoziieren können, können Ozon erzeugen. Energiequellen, die diese Aktion ermöglichen, sind Elektronen oder Photonenenergie. Elektronen können aus Hochspannungsquellen in der Koronaentladung, aus Kernquellen und aus elektrolytischen Prozessen verwendet werden. Geeignete Photonenquantenenergie umfasst UV-Licht mit Wellenlängen unter 200 nm und γ-Strahlen.
In der Natur tritt Ozonerzeugung auf, wenn Sauerstoffmoleküle in Gegenwart elektrischer Entladungen, z. B. Blitzschlag, und durch Einwirkung hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung reagieren. Einige elektrische Geräte erzeugen versehentlich Ozonwerte, die leicht riechen können. Dies gilt insbesondere dann, wenn ein Funke oder eine sehr hohe Spannung vorliegt.
Ozonerzeugung durch Corona-Entladung
Die Koronaentladung in einem trockenen sauerstoffhaltigen Prozessgas ist derzeit die am weitesten verbreitete Methode zur Ozonerzeugung bei der Wasseraufbereitung. Die Korona oder das Plasma wird in einem Ozongenerator durch Anlegen einer Hochspannung zwischen zwei Elektroden erzeugt. Ozon entsteht durch folgende Reaktionen:
A 1/2 O2 = O Reaktionswärme A = +59,1 Kcal
B O + O 2 = O 3 Reaktionswärme B = -24,6 Kcal
AB 3/2 O2 = O3 Reaktionswärme AB = +34,5 Kcal
Die Gesamtreaktion (AB), die Ozon erzeugt, benötigt Energie und ist eine endotherme Reaktion, die Energie aus der elektrischen Entladung erhält. Ein grundlegendes Ozonerzeugungssystem besteht aus folgenden Bestandteilen: Gasquelle (Druckluft oder Sauerstoff), Gastrockner und Ozonerzeuger.
Es ist von größter Bedeutung, dass ein trockenes Prozessgas auf die Koronaentladung aufgebracht wird. Die Begrenzung der Salpetersäurebildung ist auch wichtig, um die Generatoren zu schützen und die Effizienz des Erzeugungsprozesses zu erhöhen. Bei normalem Betrieb ordnungsgemäß ausgelegter Systeme werden maximal 3 bis 5 g Salpetersäure pro mit Luft erzeugtem Kilogramm Ozon erhalten. Wenn erhöhte Mengen an Wasserdampf vorhanden sind, werden größere Mengen an Stickoxiden gebildet, wenn Funkenentladungen auftreten. Es werden auch Hydroxylradikale gebildet, die sich mit Sauerstoffradikalen und auch Ozon verbinden. Beide Reaktionen verringern die Effizienz der Ozonerzeugung. Folglich ist die Trockenheit des Prozessgases wichtig, um eine gute Ozonausbeute zu erhalten. Darüber hinaus können Stickoxide mit Luft Salpetersäure bilden, die Korrosion verursachen kann.
Die Bildung von Ozon durch elektrische Entladung in einem Prozessgas basiert auf der Koronaentladung in Luft oder Sauerstoff. In einem Ozongenerator gibt es hier zahlreiche verteilte mikroelektrische Entladungen (Lichtbogen oder Plasma), durch die das Ozon effektiv erzeugt wird. Es scheint, dass jede einzelne Mikroentladung nur einige Nanosekunden dauert. Die Stromdichte liegt zwischen 100 und 1000 Ampere / cm2. Durch die Verwendung von Sauerstoff oder die Anreicherung der Prozessluft mit Sauerstoff kann die Erzeugungskapazität eines bestimmten Ozongenerators gegenüber Luft allein um einen Faktor im Bereich von 1,7 bis 2,5 erhöht werden. Unabhängig davon, ob die Verwendung von Luft oder Sauerstoff in Form von Wärme verloren geht, ist die Kühlung des Prozessgases sehr wichtig. In kleineren Systemen ist dies häufig der Fall, wenn Umgebungsluft zum Kühlen einer oder beider Elektroden verwendet wird. In größeren Systemen erfolgt die Kühlung typischerweise mit Wasser, normalerweise an der Masseelektrode.
Andere Methoden zur Ozonerzeugung umfassen:
Photochemische Ozonerzeugung
Die Bildung von Ozon aus Sauerstoff, der UV-Licht bei 140-190 nm ausgesetzt war, wurde erstmals 1900 von Lenard berichtet und 1903 von Goldstein vollständig bewertet. Es wurde bald erkannt, dass die aktiven Wellenlängen für die technische Erzeugung unter 200 nm liegen. In Anbetracht der gegenwärtigen Technologien mit UV-Emissionslampen auf Quecksilberbasis wird die Wellenlänge von 254 nm zusammen mit der Wellenlänge von 185 nm übertragen, so dass die Zerstörung von Ozon gleichzeitig mit seiner Erzeugung erfolgt. Darüber hinaus ist die relative Emissionsintensität bei 254 nm 5- bis 10-mal höher als bei der Wellenlänge von 185 nm. Somit kann nur eine geringe Menge Ozon erzeugt werden.
Versuche, mit Quecksilberlampen einen geeigneten photostationären Zustand der Ozonbildung zu erreichen, sind gescheitert. Der Hauptgrund für dieses Versagen ist, dass die thermische Zersetzung mit der Ozonbildung einhergeht. Mit Ausnahme von Anwendungen im kleinen Maßstab oder synergistischen Effekten hat die UV-photochemische Erzeugung von Ozon keine weit verbreitete Verwendung gefunden.
Elektrolytische Ozonerzeugung
Die elektrolytische Erzeugung von Ozon hat historische Bedeutung, da synthetisches Ozon erstmals 1840 von Schönbein durch Elektrolyse von Schwefelsäure entdeckt wurde. Die Einfachheit der Ausrüstung kann diesen Prozess für kleine Benutzer oder Benutzer in abgelegenen Gebieten attraktiv machen.
Mit der Elektrolyseerzeugung sind viele potenzielle Vorteile verbunden, einschließlich der Verwendung von Niederspannungsgleichstrom, keiner Speisegasaufbereitung, reduzierter Gerätegröße, möglicher Erzeugung von Ozon in hohen Konzentrationen und Erzeugung im Wasser, wodurch der Kontakt von Ozon zu Wasser beseitigt wird Prozesse. Zu den Problemen und Nachteilen des Verfahrens gehören: Korrosion und Erosion der Elektroden, thermische Überlastung aufgrund anodischer Überspannung und hoher Stromdichten, Bedarf an speziellen Elektrolyten oder Wasser mit geringer Leitfähigkeit sowie beim Erzeugungsprozess vor Ort, Inkrustationen und Ablagerungen werden an den Elektroden gebildet, und die Produktion von freiem Chlor ist dem Prozess inhärent, wenn Chloridionen im Wasser oder im verwendeten Elektrolyten vorhanden sind.
Radiochemische Ozonerzeugung
Eine energiereiche Bestrahlung von Sauerstoff mit radioaktiven Strahlen kann die Bildung von Ozon fördern. Trotz der günstigen thermodynamischen Ausbeute des Verfahrens und der interessanten Verwendung von Abfallspaltungsisotopen ist das Verfahren zur Erzeugung von cheminukleärem Ozon aufgrund seiner komplizierten Prozessanforderungen noch keine bedeutende Anwendung in der Wasser- oder Abwasserbehandlung geworden.
