Ozonizator - un dispozitiv pentru producerea de ozon (O 3 ). Ozonul este o modificare alotropică a oxigenului care conține trei atomi de oxigen într-o moleculă. În cele mai multe cazuri, substanța inițială pentru sinteza ozonului este oxigenul molecular (O 2 ), iar procesul în sine este descris de ecuația 3O 2 → 2O 3 . Ozonarea este o reacție endotermă și ușor reversibilă. Prin urmare, în practică, se iau măsuri care contribuie la deplasarea maximă a echilibrului său către produsul țintă.
Există multe moduri de a produce ozon.
Sinteza din oxigen gazos sub influența unei descărcări electrice liniștite. În acest scop, aerul sau oxigenul pur este trecut în spațiul dintre electrozii conectați la o sursă de înaltă tensiune. Tensiunea aplicată electrozilor variază de obicei de la câteva mii la câteva zeci de mii de volți. Cele mai bune performanțe sunt obținute folosind oxigen pur, gaz la cea mai scăzută temperatură posibilă și curent continuu pulsatoriu. Distanța dintre electrozi și aria efectivă a electrozilor sunt determinate de tensiunea de funcționare și de debitul gazului care conține oxigen. Electrozii metalici pot descompune catalitic ozonul în contact cu ei, așa că sunt adesea plasați într-un plic subțire de sticlă. Uneori, tuburile umplute cu un lichid conductor, cum ar fi acidul sulfuric, acționează ca electrozi particulari. Pentru a crește performanța aparatului, perechile de electrozi sunt adesea colectate în pachete mari răcite cu apă curentă. Concentrația de ozon la ieșirea unor astfel de reactoare (în funcție de proiectarea lor și de conținutul de oxigen din amestecul de gaz inițial) nu depășește de obicei câteva procente, iar atunci când se folosește aer atmosferic, este doar o fracțiune de procent. În plus, amestecul de gaz care conține ozon, obținut într-o descărcare liniștită din aerul atmosferic conține o cantitate semnificativă de oxizi de azot foarte reactivi, ceea ce este inacceptabil pentru multe procese tehnologice. Prin urmare, utilizarea oxigenului pur (care poate fi ușor recuperat ) ca materie primă pentru sinteza ozonului este adesea mai rentabilă decât utilizarea aerului atmosferic.
Bariera de descărcareDescărcare de barieră - O descărcare între doi dielectrici sau un dielectric și un metal într-un circuit de curent alternativ este un generator de ozon eficient și economic. [1] [2] Mai multe tipuri de celule de descărcare pot fi atribuite descărcării barierei.
Descărcări de barieră de volum și suprafațăExistă descărcări de barieră de suprafață și volum. Într-o descărcare de volum, electrozii sunt două plăci sau benzi metalice separate printr-un spațiu de descărcare. Unul dintre ele (sau ambele) este izolat de gol printr-un strat dielectric. Cu o descărcare de barieră de suprafață, ambii electrozi sunt plasați pe o parte a plăcii dielectrice, iar descărcarea arde între ei într-un gaz pe cealaltă parte a dielectricului lângă suprafața sa. Pentru defalcarea gazului, se folosește un electrod auxiliar, care este, de asemenea, izolat de gaz printr-un alt dielectric.
Descărcare în celule de geometrie coplanarăAcest tip de descărcare de barieră ocupă o poziție intermediară între descărcările de volum și cele de suprafață și este utilizat pe scară largă ca generatoare de radiații ultraviolete pentru a excita fosfor în panourile cu descărcare cu plasmă (televizoare cu plasmă) . În astfel de celule de descărcare, electrozii sunt amplasați de-a lungul suprafeței la distanțe egale și sunt acoperiți cu un strat dielectric de sus, fiecărei perechi de electrozi se aplică o tensiune și are loc o descărcare între toți electrozii adiacenți.
Este foarte tentant să folosiți astfel de celule de descărcare pentru sinteza ozonului în ele, mai ales având în vedere tehnologia bine consacrată de creare a panourilor de descărcare, totuși, a fost creat un panou de descărcare de gaze coplanare pentru a funcționa în medii inerte, astfel încât celula să poată fi operată. cu oxigen sau aer atmosferic umplut numai la presiune redusă. O încercare de a obține o descărcare stabilă la presiunea atmosferică duce la defectarea învelișului dielectric. În configurația experimentală, pe celula de descărcare descrisă mai sus, s-au obținut concentrații de ozon de până la 25 mg/l la presiuni de la 0,2 la 0,5 bar. [3]
Aplicarea practică a celulelor cu geometrie coplanară ca ozonizatoare este îndoielnică, în ciuda randamentului destul de mare de ozon. Aceste celule sunt foarte scumpe, nu sunt suficient de puternice și pot funcționa doar sub presiune redusă.
Arc DescărcareLa obținerea ozonului, este posibil să utilizați și o descărcare cu arc . Disocierea termică a moleculelor crește brusc odată cu creșterea temperaturii. Astfel, la T=3000 K, conținutul de oxigen atomic este de ~10%. Astfel de temperaturi (câteva mii de grade) pot fi obținute într-o descărcare cu arc de presiune atmosferică. Cu toate acestea, formarea de O 3 nu este fezabilă la temperaturi ridicate, deoarece ozonul se descompune mai repede decât oxigenul molecular, dar pot fi create condiții de neechilibru: încălziți gazul într-o cameră cu temperatură ridicată și apoi răciți-l brusc. Acest lucru permite formarea super-echilibru a ozonului. Ozonul se obține ca produs intermediar în timpul tranziției unui amestec de O 2 + O la oxigenul molecular. Concentrația maximă de O 3 în această versiune a pistoletului cu plasmă ajunge la 1%, este destul de suficientă pentru multe scopuri industriale și, în plus, este comparabilă ca valoare cu cea obținută în ozonizatoare folosind o descărcare silențioasă (cel mai adesea una barieră) . Dezavantajele evidente ale acestei metode includ arderea cu descărcare instabilă, supraîncălzirea, suprapresiunea, consumul mare de energie și dimensiunile mari ale instalațiilor bazate pe aceasta. [4] [5]
Descărcare coronaO descărcare corona se formează atunci când câmpul electric din jurul conductorului este foarte neomogen, ionizarea are loc în aer, însoțită de o strălucire, în timp ce conductorul este înconjurat, parcă, de o coroană. Strălucirea coronei nu ajunge la electrodul opus, estompându-se în gazul din jur. În funcție de electrodul corona, se disting o coroană negativă și una pozitivă, iar în funcție de metoda de alimentare, o coroană de curent continuu și alternativ, în impulsuri etc. Cantitatea de ozon formată într-o descărcare corona variază de la 15 la 25 g per kWh. Avantajul ozonizatoarelor bazate pe descărcarea corona este, în primul rând, simplitatea designului și infinitatea „decalajului de descărcare”. Gazul poate fi pompat fără rezistență suplimentară, de exemplu, printr-o țeavă largă cu sârmă de-a lungul axei. Ozonizatoarele pe bază de descărcare corona sunt cele mai des folosite în structurile de ventilație. Randamentul energetic al ozonului într-o descărcare corona poate ajunge până la 200-250 g O 3 per kWh atunci când se utilizează sursa de alimentare cu impulsuri scurte, cu o creștere abruptă a tensiunii frontale. [6] Cu toate acestea, utilizarea unor astfel de generatoare de energie complexe (care necesită o descărcare pulsată în nanosecunde) este o complicație costisitoare a sistemului de generare a ozonului.
Sinteza sub influența radiațiilor ultraviolete este mai ușor de implementat, dar mult mai puțin productivă. Constă în faptul că un gaz care conține oxigen este trecut printr-un reactor răcit și transparent la radiații ultraviolete (de exemplu, cuarț), iradiat cu o sursă de radiații ultraviolete având un spectru adecvat. De regulă, oxigenul pur este folosit ca gaz. Ca sursă pentru dispozitive de casă, lămpile cu mercur de înaltă presiune (cum ar fi DRL) fără cilindru sunt convenabile. Randamentul de ozon la utilizarea instalațiilor UV este scăzut; prin urmare, această metodă, de regulă, nu este implementată în dispozitivele produse industrial.
Utilizarea lămpilor cu amalgam de joasă presiune poate crește randamentul de ozon.
Ozonul poate fi produs prin electroliză . Ca electrolit, de exemplu, se poate folosi o soluție puternică de acid percloric. Procesul este încercat să fie efectuat la cea mai scăzută temperatură posibilă, ceea ce crește semnificativ productivitatea aparatului pentru ozon. Prin electroliză este posibil să se obțină un amestec oxigen-ozon cu un conținut foarte mare (zeci de procente) de ozon. Dezavantajul metodelor electrolitice este costul ridicat al electroliților și electrozilor, care sunt de obicei fabricați din metale nobile.
Ozonul se poate forma în cantități semnificative în timpul oxidării anumitor substanțe. Cel mai faimos exemplu al acestui tip de reacție este oxidarea pinenului (componenta principală a terebentinei ) cu oxigenul atmosferic, care are ca rezultat formarea unei cantități vizibile de ozon. Ozonul eliberat în timpul acestei reacții poate fi folosit pentru a oxida alte substanțe, fie direct în amestec cu terebentină, fie după separarea acesteia. Cu toate acestea, această metodă are o aplicație extrem de limitată din cauza costului ridicat al materiilor prime și a problemelor legate de separarea produselor de reacție.
Au fost făcute încercări repetate de a crea ozonizatoare bazate pe iradierea oxigenului cu fascicule de energie. În astfel de dispozitive, ozonul se formează atunci când oxigenul este expus la diferite fluxuri de particule: electroni, raze X și fluxuri de radiații: particule α, γ-quanta etc. Ozonul se formează în acest caz, pornind de la energia unui electron monocromatic. fascicul de ~6 eV, care corespunde disocierii moleculei de O 2 . Acest lucru confirmă mecanismul acceptat în prezent de formare a ozonului. Dezavantajele comune ale acestor metode sunt complexitatea echipamentului, randamentul energetic scăzut, nedorirea lucrului cu fascicule de înaltă energie și o gamă largă de substanțe formate atunci când aerul este expus la particule de înaltă energie. Ozonizatoarele construite după acest principiu nu au depășit laboratoarele și nu și-au găsit aplicație în industrie. [7] [8]
Ozonizatoarele nu trebuie confundate cu ionizatoarele (cum ar fi candelabru lui Chizhevsky ). Acestea sunt dispozitive diferite. Ionizatoarele conferă o încărcătură electrică negativă suplimentară moleculelor de aer și nu ar trebui să genereze ozon dacă sunt configurate corespunzător. Ozonul este un agent oxidant foarte puternic și extrem de toxic chiar și la concentrații scăzute. Își găsește o utilizare limitată în sinteza industrială (de exemplu, în producția de acid succinic din produse din cauciuc și deșeuri), în terapie (așa-numita terapie cu ozon ). Uneori este folosit pentru purificarea și dezinfectarea apei potabile (de exemplu, pe vasele fluviale) și a unor efluenți industriali [9] care conțin substanțe organice ușor oxidabile, când utilizarea unor oxidanți mai tradiționali nu este de dorit dintr-un motiv sau altul. Cu toate acestea, în această calitate, este mult mai puțin eficient și mult mai scump decât ei. Ozonizatoarele sunt, de asemenea, folosite pentru sterilizarea instrumentelor medicale.