luft@chemist.com; +48 44 307 07 33   plen

Co to jest ozonator (generator ozonu)?

Ozonator (generator ozonu) - urządzenie służące do wytwarzania ozonu

Co to jest ozonator?

Ozonator to urządzenie, aparat elektryczno-mechaniczny służący do wytwarzania, generowania ozonu. Ozon to trójatomowa cząsteczka tlenu; tlen atmosferyczny to cząsteczka dwuatomowa. Odkryty przez Schoenbeina w 1840 roku był użyty do odkażania rzeki Marny już w 1896. W górnych warstwach atmosfery wytwarza się dzięki promieniowaniu UV, w dolnych – wyładowaniom elektrycznych. Jest gazem o przenikliwym zapachu, o 50% lepiej rozpuszczalnym w wodzie niż tlen dwuatomowy.

Budowa cząsteczki ozonu

Cząsteczka o budowie trójkąta równoramiennego ma dwa wiązania sigma i jeden orbital pi rozciągający się na wszystkie trzy atomy. Każdy atom ma hybrydyzację sp2. Nie posiada właściwości paramagnetycznych, wszystkie elektrony są sparowane. Hybryda rezonansowa o kącie 127 stopni i długości wiązań 0.126 nm to budowa cząsteczki ozonu.

Zastosowania ozonu

Ozon posiada dwie szczególne i bardzo ważne pod względem chemicznym, technicznym, a w końcu ekonomicznym cechy: silne właściwości utleniające i nietrwałość  – szczególnie pod wpływem wilgoci i zanieczyszczeń. Ozon jest jednym z najskuteczniejszych znanych środków dezynfekcyjnych. Działanie bakteriobójcze wykazuje w stężeniu ok. 13µg/dm3. Działanie bakteriobójcze ozonu jest około 50 razy skuteczniejsze i 3000 razy szybsze niż chloru. Zabija wirusy, bakterie, grzyby i przetrwalniki; jest gazem biobójczym. Generatory ozonu są stosowane do celów naukowych do różnego typu ozonoliz jak również zmian struktury powierzchni tworzyw sztucznych, degradacji matryc pestycydów i innych. Ozon utlenia większość zanieczyszczeń w roztworach. Powoduje rozpad związków wielocząsteczkowych do niskocząsteczkowych, które są już biodegradowalne i nietoksyczne. Dzięki temu jest możliwy rozpad amin, kwasów karboksylowych, związków siarki, odbarwianie roztworów. Wpływa na przekształcanie się ChZT w BZT5. Trzy mechanizmy opisują te działania: oddawanie atomu tlenu, dołączanie się do cząsteczki utlenianej – ozonoliza oraz katalityczne działanie ozonu w mieszaninie powietrzno-ozonowej. Pierwsza reakcja jest szybka, podobna do reakcji innych utleniaczy. Druga to tworzenie ozonków w wyniku rozbicia podwójnego wiązania oraz trzecia – powodująca rozpad ozonu do tlenu dwuatomowego, cząsteczkowego.

Metody otrzymywania ozonu

Skala przemysłowa to otrzymywanie ozonu:

  • metodą elektryczną pola cichych wyładowań, w większości zimnej plazmy wyładowań koronowych,
  • metodą elektrochemiczną poprzez elektrolizę zdemineralizowanej wody,
  • falą o długości 185 nm napromieniowującą tlen, powietrze oraz wodę pitną,
  • radiacyjno-chemiczną – napromieniowywanie wody promieniami X i φ,
  • termiczną, wysokotemperaturową – promienie UV i IR wzbudzające wodę.

Ozon tworzy się podczas wyładowań atmosferycznych pod wpływem promieni UV.

Najpowszechniejszą metodą produkcji ozonu, najtańszą i niezbyt skomplikowaną są wyładowania elektryczne.

Producenci ozonatorów – w tym nasza firma wykorzystują tę technikę.

Synteza ozonu w ozonatorach

Do elektrod, walców współosiowych oddzielonych dielektrykiem przykładane jest wysokie napięcie. Kanały mikrowyładowań – strimery zapełniają szczelinę z przepływającym gazem z tlenem. Natężenia, amplituda i częstotliwość prądu zależą od wielkości szczeliny, ciśnienia gazu, składu, wilgotności i temperatury. Synteza ozonu następuje w trzech fazach:

  1. Wyładowania w gazie: liczne wyładowania podczas których pod wpływem zderzenia z wysokoenergetycznymi elektronami następuje przekroczenie energii dysocjacji, następuje rozpad cząsteczek tlenu na tlen atomowy – to proces zamiany energii elektrycznej na chemiczną
  2. Fazę reakcji podczas której następuje synteza ozonu w wyniku zderzeń tlenu atomowego z cząsteczkowym
  3. Posiadające nadmiar energii cząsteczki ozonu zderzają się z atomami lub cząsteczkami „trzecimi”, niereaktywnymi oddając nadmiar energii – jest to proces równoważenia energetycznego reakcji egzotermicznej

Proces produkcji ozonu to elegancki przykład do zrozumienia równań cząstkowych wielkości molowych.

Energia swobodna, entropia, entalpia, energia wewnętrzna, potencjał chemiczny, ciepło właściwe i tak dalej, ich zależności są opisane trywialnymi równaniami i cytowanie ich uważamy za zbędne.

Ozonatory powszechnie sprzedawane

Konstruktorzy i producenci ozonatorów powietrza stosują najczęściej płytki ceramiczne z nadrukowaną ścieżką metalową. Te elektrody produkują ozon, ale też porównywalne ilości wielotlenków azotu. Często powodują one białą mgłę w pomieszczeniu gdzie działa generator ozonu. Mierniki stężenia ozonu pokazują sumaryczną ilość ozonu i wielotlenków azotu. Tak niestety są skonstruowane – wielotlenki i ozon absorbują tę samą długość fali. Zatem nie można, przy określaniu wydajności takich ozonatorów kierować się wskazaniami miernika – wyniki są nieraz kilkakrotnie zawyżone.

Wracając do czasów trwania faz powstawania ozonu:

  • czas powstawania mikrowyładowań – w przybliżeniu 10÷30·10-9 s
  • czas fazy reakcji – w przybliżeniu 3·10-6 s
  • czas dyfuzji ozonu z kanału mikrowyładowania – w przybliżeniu 6·10-3 s
  • czas przebywania ozonu w sferze wyładowań – w przybliżeniu 4 s

Zasygnalizowany proces produkcji wielotlenków azotu przebiegający jednocześnie z wytwarzaniem ozonu jest niepożądanym derywatem ozonatorów wytwarzających ozon z powietrza czyli ozonatorów „przedmuchowych”.

Proces dysocjacji tlenu jest znacznie szybszy niż proces syntezy ozonu. Proces syntezy w kanale mikrowyładowań jest już zakończony gdy startuje proces dyfuzji ozonu z przestrzeni o dużym jego stężeniu do reszty fazy gazowej, do przepływającego tlenu lub powietrza (mieszaniny). Część ozonu jest dysproporcjonowana w reakcji z jonami, cząsteczkami lub atomami tlenu. Pozostała energia, niezużyta w kanale mikrowyładowań jest emitowana w postaci ciepła. Dlatego należy przyłożyć wagę do zrozumienia procesu przenikania ciepła, chłodzenia lampy z zewnątrz, jak również strumieniem gazu płynącym wewnątrz niej.

Ilość i stężenie otrzymanego ozonu, czyli parametry najbardziej istotne zarówno dla konstruktora jak i dla nabywcy zależą od wielu parametrów. Najważniejszymi przy konstruowaniu ozonatorów są ciśnienie i objętość strumienia gazu, jego czystość, wilgotność, temperatura oraz skład.

Temperatura wpływa na szybkość rozkładu wytworzonego ozonu i powinna być jak najniższa. Gazem zasilającym ozonatory może być tlen z butli, koncentratora opartego na sicie molekularnym lub powietrze.

Ozonatory przedmuchowe

Tutaj powrócimy do problemu produkcji wielotlenków azotu w generatorach ozonu opartych na płytkach ceramicznych, często niskiej jakości, wyprodukowanych w Chinach, bardzo powszechnie stosowanych i tanich. Stosując powietrze, a nie ma innej możliwości w ozonatorach „przedmuchowych”, należy zwrócić uwagę, że azot łączy się z tlenem tworząc wspomniane tlenki. Energetycznie ujmując – przy syntezie ozonu z powietrza zawierającego 21% tlenu, energia potrzebna do syntezy jest 5 razy większa niż przy użyciu samego tlenu. Azot, będąc gazem inertnym, bierze udział w syntezie ozonu w wyniku dysocjacji cząsteczek tlenu w zderzeniach z wysokoenergetycznymi atomami azotu. Największy stopień przereagowania tlenu otrzymuje się stosując mieszaninę zasilającą reaktor: 40% tlenu+ 60% azotu, a nie przy czystym tlenie. Nawet kilkuprocentowy dodatek azotu do tlenu zwiększa wydajność ozonatora, jednakowoż zwiększa zapotrzebowanie energetyczne. Syntezując ozon z powietrza udział tlenków i wielotlenków azotu powodują spadek wydajności i wzrost zapotrzebowania energetycznego. Analizując zmiany stosunku azotu, ozonu i wielotlenków w stosunku do gęstości energii w szczelinie wyładowczej explicite otrzymujemy wynik, że równolegle do procesu syntezy ozonu przebiega proces syntezy i rozkładu tlenków azotu. Znaczna część tych procesów przebiega poza ozonatorem, w strumieniu gazu opuszczającym jak również później, podczas przebywania gazu w pomieszczeniu. Zatem stosowanie tanich technologii prowadzi do zwiększenia zapotrzebowania energetycznego i skutkuje, jak już wspomniałem, produkcją niepożądanych, szkodliwych dla otoczenia, jak również dla ludzi wielotlenków azotu. Nasza firma, stosując elektrody platynowe obniża zapotrzebowanie na prąd ozonatora, zmniejsza produkcję wielotlenków azotu i podwyższa trwałość elektrod. Dlatego udzielamy długiej gwarancji na produkowane przez naszą firmę urządzenia mając na uwadze technologię produkcji, materiały, poprawną konstrukcję. To wynik pracy we własnym laboratorium.

Ozonator – budowa

Budowa ozonatorów jest nieskomplikowana pod względem inżynieryjnym. Składają się z obudowy, najczęściej stalowej, wentylatorów odprowadzających ciepło i zasilających powietrzem reaktor przy aparatach „przedmuchowych”, przetwornicy wysokiego napięcia, lampy ozonującej oraz rotametrów, regulacji stężenia ozonu, timerów, liczników czasu pracy według potrzeb i wymagań klienta. Przy konstruowanie trzeba zwrócić uwagę na:

  1. właściwy dobór ilości, temperatury, składu gazu zasilającego reaktor plazmowy
  2. właściwe chłodzenie układu
  3. jakość stosowanych materiałów na płytę główną, jakość połączeń elektrycznych (wysokie napięcie)

Stosowanie plastikowych obudów to już naprawdę inżynieryjne nieporozumienie.

O ozonatorach – podsumowanie

Podsumowując. Generatory ozonu ciągle bazują na technologii twórcy pierwszego ozonatora Wernera von Siemensa w 1856 roku. To technika wyładowań cichych. Zmieniły się materiały, podniosła wydajność reaktorów wyładowań koronowych, zrozumieliśmy mechanizmy tego zjawiska (chociaż nie do końca). Zmalało także zapotrzebowanie energetyczne ozonatorów. Jednak ciągle popełniane i powielane są już omówione błędy inżynieryjne. Wynikają one z braku zrozumienia procesu, a także chęci oszczędności na materiałach, niechęci do własnych badań. Wiele firm, chociaż nie wszystkie obudowują tanie, awaryjne materiały w coraz to bardziej wymyślne obudowy, naszpikowane zbędnymi miernikami i gadżetami.

 

Nasi partnerzy

WordPress Lightbox Plugin