מבוא לטכניקות לייצור אוזון – קורונה, UV ואלקטרוכימיה
סימנס פיתחה את מחולל האוזון הראשון, שהתבסס על פריקות קורונה בשנת 1957. כיום האוזון מיוצר בכמה שיטות שונות הן מסחרית והן במעבדה.
יצירת אוזון כרוכה ביצירת ביניים של רדיקלי חמצן אטומיים שיכולים להגיב עם חמצן מולקולרי. כל התהליכים שיכולים לנתק חמצן מולקולרי לרדיקלי חמצן הם בעלי פוטנציאל ליצירת אוזון. מקורות אנרגיה המאפשרים פעולה זו הם אלקטרונים או אנרגיית פוטון. ניתן להשתמש באלקטרונים ממקורות מתח גבוה בפריקת העטרה, ממקורות גרעיניים ומתהליכים אלקטרוליטיים. אנרגיית קוונטית פוטון מתאימה כוללת אור UV באורכי גל נמוכים מ-200 ננומטר וקרני γ.
בטבע, יצירת אוזון מתרחשת כאשר מולקולות חמצן מגיבות בנוכחות פריקות חשמליות, למשל, ברק, ועל ידי פעולה של קרינה אלקטרומגנטית באנרגיה גבוהה. חלק מהציוד החשמלי מייצר בטעות רמות של אוזון שניתן להריח בקלות; זה נכון במיוחד אם יש ניצוץ או מתח גבוה מאוד.
יצירת אוזון על ידי פריקת קורונה
פריקת קורונה בגז תהליך יבש המכיל חמצן היא כיום השיטה הנפוצה ביותר לייצור אוזון לטיפול במים. הקורונה או הפלזמה נוצרים במחולל אוזון על ידי הפעלת מתח גבוה בין שתי אלקטרודות. האוזון נוצר מהתגובות הבאות:
A 1/2 O2 = O חום התגובה A= +59.1 קק"ל
B O + O2 = O3 חום התגובה B = -24.6 קק"ל
AB 3/2 O2 = O3 חום התגובה AB= +34.5 קק"ל
התגובה הכוללת (AB) המייצרת אוזון דורשת אנרגיה והיא תגובה אנדותרמית המשיגה אנרגיה מהפריקה החשמלית. מערכת בסיסית לייצור אוזון מורכבת מהגורמים הבאים: מקור גז (אוויר דחוס או חמצן), מייבשי גז ומחוללי אוזון.
ישנה חשיבות עליונה שגז תהליך יבש יופעל על פריקת הקורונה. הגבלת היווצרות חומצה חנקתית חשובה גם על מנת להגן על הגנרטורים ולהגביר את יעילות תהליך הייצור. בפעולה רגילה של מערכות מתוכננות כהלכה, מתקבלות מקסימום 3 עד 5 גרם חומצה חנקתית לכל קילוגרם אוזון המיוצר עם אוויר. אם קיימות כמויות מוגברות של אדי מים, נוצרות כמויות גדולות יותר של תחמוצות חנקן כאשר מתרחשות פריקות ניצוץ. כמו כן, נוצרים רדיקלי הידרוקסיל שמתחברים עם רדיקלי חמצן וגם אוזון. שתי התגובות מפחיתות את יעילות ייצור האוזון. כתוצאה מכך, היובש של גז התהליך חשוב על מנת להשיג תפוקה טובה של אוזון. יתר על כן, עם אוויר, תחמוצות חנקן יכולות ליצור חומצה חנקתית, שעלולה לגרום לקורוזיה.
היווצרות אוזון באמצעות פריקה חשמלית בגז תהליך מבוססת על פריקת קורונה באוויר או בחמצן. במחולל אוזון כאן ישנן פריקות מיקרו חשמליות מבוזרות רבות (קשת או פלזמה) שבאמצעותן האוזון נוצר ביעילות. נראה שכל פריקה מיקרו בודדת נמשכת רק כמה ננו-שניות. צפיפות הזרם נעה בין 100 ל-1000 אמפר/סמ"ר. על ידי שימוש בחמצן או העשרת אוויר התהליך בחמצן, ניתן להגדיל את יכולת הייצור של מחולל אוזון נתון בגורם שנע בין 1.7 ל-2.5 לעומת אוויר בלבד. בין אם שימוש באוויר או באנרגיה של הזנת חמצן אובדת בצורה של חום, קירור גז התהליך חשוב מאוד. במערכות קטנות יותר זה מופחת לרוב על ידי שימוש באוויר הסביבה לקירור אחת מהאלקטרודות או שתיהן. במערכות גדולות יותר הקירור נעשה בדרך כלל עם מים בדרך כלל על האלקטרודה הארקה.
שיטות אחרות לייצור אוזון כוללות:
יצירת אוזון פוטוכימי
היווצרות אוזון מחמצן שנחשף לאור UV ב-140-190 ננומטר דווחה לראשונה על ידי לנארד בשנת 1900 והוערכה במלואה על ידי גולדשטיין בשנת 1903. עד מהרה הוכר כי אורכי הגל הפעילים לייצור טכני הם מתחת ל-200 ננומטר. לאור הטכנולוגיות הנוכחיות עם מנורות פליטת UV מבוססות כספית, אורך הגל של 254 ננומטר מועבר יחד עם אורך הגל של 185 ננומטר, כך שהרס האוזון מתרחש במקביל ליצירתו. יתרה מכך, עוצמת הפליטה היחסית גבוהה פי 5 עד 10 ב-254 ננומטר בהשוואה לאורך הגל של 185 ננומטר. כך ניתן לייצר רק כמות קטנה של אוזון.
ניסיונות להגיע למצב צילום נייח מתאים של היווצרות אוזון עם מנורות כספית כשלו. הסיבה העיקרית לכשל זה היא שהפירוק התרמי מלווה ביצירת אוזון. למעט שימושים בקנה מידה קטן או השפעות סינרגטיות, היצור הפוטוכימי UV של אוזון לא מצא שימוש נרחב.
ייצור אוזון אלקטרוליטי
לייצור אלקטרוליטי של אוזון יש חשיבות היסטורית מכיוון שאוזון סינתטי התגלה לראשונה על ידי Schönbein בשנת 1840 על ידי אלקטרוליזה של חומצה גופרתית. הפשטות של הציוד יכולה להפוך תהליך זה לאטרקטיבי עבור משתמשים בקנה מידה קטן או משתמשים באזורים מרוחקים.
יתרונות פוטנציאליים רבים קשורים לייצור אלקטרוליטי, כולל שימוש בזרם DC במתח נמוך, ללא הכנת גז הזנה, גודל ציוד מופחת, יצירה אפשרית של אוזון בריכוזים גבוהים, וייצור במים, ביטול המגע בין האוזון למים. תהליכים. הבעיות והחסרונות של השיטה כוללים: קורוזיה ושחיקה של האלקטרודות, עומס תרמי עקב מתח-יתר אנודי וצפיפות זרם גבוהה, צורך באלקטרוליטים מיוחדים או מים בעלי מוליכות נמוכה, ועם תהליך היצירה באתר, הצטברויות ומשקעים. נוצרים על האלקטרודות, והפקת כלור חופשי היא אינהרנטית לתהליך כאשר יוני כלוריד נמצאים במים או באלקטרוליט המשמש.
ייצור אוזון רדיוכימי
קרינה באנרגיה גבוהה של חמצן על ידי קרניים רדיואקטיביות יכולה לקדם את היווצרות אוזון. אפילו עם התשואה התרמודינמית החיובית של התהליך והשימוש המעניין באיזוטופים של ביקוע פסולת, תהליך יצירת האוזון הכימי-גרעיני עדיין לא הפך ליישום משמעותי בטיפול במים או בשפכים בשל דרישות התהליך המסובכות שלו.
