TEHNOLOGII DE GENERARE A OZONULUI, PRIN DESCARCARI ELECTRICE. APLICATII

TEHNOLOGII DE GENERARE A OZONULUI, PRIN DESCARCARI ELECTRICE. APLICATII

Probleme generale

Daca initial ozonul si-a gasit aplicatii, in special, in domeniul tratarii apelor in scopul purificarii lor pentru a le face potabile, in ultimii ani numeroase domenii noi - cazul chimiei si industriei farmaceutice, industriei usoare si alimentare - solicita echipamente de generare ozon pentru numeroase si importante procese tehnologice.

Ozonul ca gaz

Ozonul este un gaz a carui prezenta se face simtita printr-un miros usor intepator care ofera aerului o tenta de proaspat si de reconfortant. Se formeaza in straturile superioare ale atmosferei in urma actiunii razelor ultraviolete sau a radiatiilor cosmice asupra oxigenului din aer. Ozonul filtreaza si absoarbe razele ultraviolete emise de soare, impiedicandu-le sa ajunga pe pamant si franand astfel, exercitarea unei actiuni periculoase asupra organismelor vii. In compozitia atmosferei exista o anumita cantitate de ozon, cantitate care creste cu inaltimea; la nivelul solului concentratia de ozon este de 0,02 mg/m³, variind in functie de anotimp. Existenta stratului de ozon care actioneaza ca un filtru, nelasand radiatiile ultraviolete sa ajunga pe pamant, explica atentia care se acorda astazi pastrarii intacte a acestuia, prin limitarea printre altele a utilizarii freonului.

Sub actiunea radiatiilor ultraviolete intense sau a descarcarilor corona, se produce o polimerizare a moleculei de oxigen care trece din O₂ O₃. Calculele arata ca trei molecule de oxigen pot trece in doua de ozon, consumand insa o cantitate de energie, de ordinul a 34,5 kcal pentru fiecare mol de O₂. Tinand cont de greutatea moleculara a ozonului, rezulta un consum de energie de 0,82 Wh/g de ozon.

3O₂ 2O₃ - 69 kcal 1)

Cu cat temperatura va fi mai ridicata, cu atat randamentul de producere a ozonului va fi mai scazut.

Proprietatile ozonului sunt deosebite de ale oxigenului. Ozonul este toxic, dar nu mai puternic decat clorul, are un miros caracteristic intepator, o densitate de 1,5 ori mai mare, este solubil in apa. La 270^oC ozonul se descompune instantaneu in oxigen; chiar in cazul unor concentratii mici, ozonul are o mare reactivitate.

Istoria descoperirilor in domeniul ozonului

Dupa Gaia, in 1785 un olandez, Van Marum, observa formarea unui gaz necunoscut in timpul unor descarcari electrice; de abia dupa 72 de ani, in 1857, Werner Von Siemens va produce cantitati mai mari de ozon, utilizand tot descarcarile electrice. Numele de ozon insa se pare ca-l da Schnberg in 1839, (in greceste 'ozein'inseamna a mirosi), iar formula ozonului, O₃, apartine lui J. Soret, care-i si determina densitatea (1863).

Prima utilizare a ozonului pentru dezinfectia apei este mentionata la Nisa in 1907. Interesant ca si-n Romania, la inceputul secolului nostru, au existat instalatii de acest gen la Galati si Sibiu.

Preocupari sustinute in domeniul utilizarii instalatiilor de produs ozon (ozonizor) se mentioneaza in Franta, Canada, SUA, semnalandu-se la nivelul anului 1992 existenta in lume a peste 2000 de instalatii de preparat ozon. Pentru orasul Quebec, spre exemplu, se utilizeaza mai mult de 6000 kg ozon/zi.

Formarea ozonului prin descarcari electrice

Ozonul se formeaza prin descompunerea si recombinarea unor specii ale oxigenului. Reactia de formare a ozonului printr-o descarcare electrica este data de relatiile:

(2)

(3)

unde: M reprezinta moleculele din gaz care pot fi de azot sau alte gaze din amestec.

Electronul, avand o energie minima de 5,1eV reactioneaza cu oxigenul molecular pentru a forma 2 radicali de oxigen care reactioneaza apoi cu molecula de oxigen in prezenta unui al treilea element - M - pentru a forma ozonul.

Din analiza acestor reactii, cateva elemente sunt esentiale pentru ca determina o serie de solutii constructive:

a)      In procesul de generare a ozonului nu exista o singura reactie, ci si altele complementare, cazul azotului care reactioneaza cu electronii si formeaza o serie de oxizi ai sai (NO, NO2). De aici rezulta ca randamentul de generare a ozonului va fi mai ridicat in cazul in care gazul in care are loc descarcarea este oxigenul si nu aerul. Decizia alegerii gazului de lucru este o problema de costuri, in primul caz echipamentul fiind mai complex si mai scump.

b)      Vaporii de apa influenteaza aceste reactii, de aceea se recomanda ca gazul in care va avea loc descarcarea -aerul sau oxigenul- sa fie bine uscat. Aceasta observatie explica preocuparea constructorilor de generatoare de ozon de a utiliza in componenta lor instalatii de uscare a gazului, asa cum se va vedea mai departe.

c)      Descompunerea ozonului este cu atat mai rapida, cu cat temperatura este mai ridicata. Acest lucru impune, racirea corespunzatoare a generatorului de ozon.

Ozonul, neputand fi stocat datorita descompunerii lui in timp, trebuie consumat atunci cand se produce.

Principiul pe care se bazeaza un ozonizor

Ozonul se obtine prin dezvoltarea unor descarcari corona in aer sau oxigen in prealabil uscat si la o presiune usor ridicata fata de cea atmosferica.

Intre doi electrozi (sau grupuri de electrozi) aflati la o diferenta de potential de ordinul kV-lor, se creeaza un camp electric puternic care genereaza descarcari corona ionizand moleculele de aer si permitand ca, prin ionizare sa se formeze molecule de O₃; formarea acestora se face cu absorbirea a 34.500 cal de fiecare molecula de O₂.

Descarcarea corona sub actiunea careia molecula de oxigen se transforma in ozon conform relatiei (1) poate avea loc direct intre electrozi in aer sau prin introducerea intre acestia a unui dielectric, care face ca descarcarea sa aiba loc de pe intreaga suprafata a dielectricului in regim de 'descarcare linistita'. Acesta este rostul dielectricului din sticla care se utilizeaza in constructia generatoarelor de ozon si care prin suprafata echipotentiala pe care o realizeaza asigura formarea descarcarilor corona sau a celor luminiscente, chiar la diferente mari de potential (15 kV).

Sistemul de electrozi si dielectricii dintre ei ne sugereaza imediat imaginea unui condensator cilindric: dielectricul fiind reprezentat de sticla (3) si fluxul de aer (4) supus descarcarilor electrice ce se vor forma, iar armaturile condensatorului fiind cilindrii metalici 1 si 2 (Fig. 1). Un generator de ozon se va realiza ulterior prin utilizarea unui multiplu de asemenea sisteme.

Fig. 1. Constructia unui tub de generare O₃: 1) tub de metal, dispus la potentialul pamantului in contact cu apa de racire; 2) tub de metal constituind electrodul de inalta tensiune; 3) tub de sticla; 4) aer care se ionizeaza; 5) apa pentru racire si electrod de pamant.

Intr-o geometrie cilindrica (doi cilindri coaxiali), se poate calcula suficient de exact campul critic E_c si tensiunea critica la care incepe o descarcare corona in curent alternativ, utilizand relatiile lui Peek:

(4)

cu d densitatea aerului la presiunea p si temperatura t,

(5)

m, un coeficient de neuniformitate (0,72 - 0,82)

Pentru cazul unui condensator cu un singur dielectric intre armaturi, intensitatea campului electric E, intr-un punct la distanta r, este:

(6)

iar tensiunea de varf critica U_c este data de relatia:

(7)

cu R, raza cilindrului exterior si a, raza conductorului in cm.

Pentru cazul studiat de noi, R = R₂ = 20 mm (diametrul exterior al tubului de sticla) si R₁ = 16 mm (diametrul interior al electrodului de inalta tensiune), se dau in Tab. 1 valorile lui E_c si U_c calculate pentru diverse conditii.

Datele calculate cu aceste relatii corespund cu suficienta exactitate cu cele ridicate experimental, daca se ia pentru coeficientul de neuniformitate valoarea m = 0,4.

Puterea descarcarilor corona se calculeaza cu formula:

(W) (8)

cu: f - frecventa tensiunii aplicate, in Hz; U_s - tensiunea de strapungere a spatiului de aer; U₀ - valoarea de varf a tensiunii pentru descarcarea corona (V); U_c - valoarea tensiunii critice; C_d - capacitatea condensatorului cu dielectric de sticla (F).

Tab. 1. Valorile lui E_c si U_c calculate dupa relatiile lui Peek*.

Circuitul echivalent al tubului de descarcare, pentru un moment inainte de descarcare (a) si la descarcare (b), arata ca Fig. 2.

   
a) b)

Fig. 2. Schema echivalenta a tubului de descarcare cu tubul de sticla si spatiul de aer dintre electrodul de inalta tensiune si sticla, reprezentate prin doua capacitati C_d si C_a legate in serie
C_d - capacitatea tubului de sticla; C_a - capacitatea intervalului de aer dintre electrodul de inalta tensiune si tubul de sticla; L,R - apartin transformatorului

In timpul descarcarilor corona, spatiul de aer se scurtcircuiteaza, C_a dispare, in locul sau ramanand doar o rezistenta finita R_a (Fig. 2.b). Ca descarcarea corona sa aiba loc, trebuie depasita tensiunea de amorsare a descarcarilor.

Tensiunea critica U_c se calculeaza folosind relatia:

(9)

Pentru o geometrie cilindrica:

(10)

si:

(11)

Aceste relatii permit calcularea puterii descarcarilor conform
formulei (8).

Cateva lucruri rezulta, evident, privind puterea disipata in descarcarea corona; ea depinde de spatiul dintre electrozi, de grosimea dielectricului, de frecventa tensiunii aplicate, de tensiunea de strapungere a spatiului U_s. Cazul optim ar fi atunci cand se utilizeaza tuburi de sticla cu pereti cat mai subtiri si cu un interval de aer intre electrodul de inalta tensiune si fata interioara a tubului de sticla cat mai mic (de ordinul a 2-3 mm). Dupa Castle, majoritatea constructorilor utilizeaza intervale de descarcare de 1-3,5 mm.

Utilizand tuburile de descarcare mentionate anterior, s-au obtinut curbele din Fig. 3 si 4, care dau variatia productiei de ozon, in functie de tensiune (Fig. 3) si cantitatea de ozon generata in functie de presiunea absoluta (Fig. 4).

Fig. 3. Cantitatea de ozon produsa intr-un generator de ozon GO-150 in functie de tensiunea de lucru la diverse presiuni de lucru.

Fig. 4.Cantitatea de ozon produsa intr-un generator de ozon GO-150 in functie de presiune pentru diverse tensiuni de lucru.

Din aceste figuri se retin urmatoarele elemente:

a. pentru o aceeasi tensiune si frecventa de 350 Hz, cantitatea de ozon generata este in functie de presiune si anume este cu atat mai mare, cu cat presiunea este mai scazuta;

b. pentru o presiune absoluta constanta si frecventa de 350 Hz, cantitatea de ozon generata depinde de tensiune si anume este cu atat mai mare, cu cat valoarea tensiunii este mai ridicata.

Celule de descarcare si constructia ansamblului

Am vazut in Cap. 3 ca descarcarea electrica ce sta la baza generarii de O₃, se produce intr-un sistem de electrozi carora li se aplica o diferenta de potential, intre ei fiind dispus un tub de sticla si departat de unul din electrozi cu 1-2 mm, pentru ca ozonul format prin efectul descarcarilor electrice asupra O₂ sa poata fi extras din tub.

In cele ce urmeaza se va prezenta o solutie constructiva practicata in ultimul timp care difera de cea teoretica data anterior, prin aceea ca electrodul de inalta tensiune de raza R1 (Fig. 1) nu mai este distantat de tubul de sticla, ci se realizeaza direct prin metalizarea interiorului tubului de sticla, devenind astfel electrod de inalta tensiune. Modificarile, ce vor apare si care vor fi prezentate, sunt numai de natura constructiva si nu de principiu.

   

Fig. 5. Celula generatorului de ozon: 1 - electrodul de impamantare (tub din otel inoxidabil); 2 - dielectric (tub de sticla); 3 - electrod HV, strat metalic subtire, depus pe partea interioara a tubului de sticla, pentru sistemul conventional si un set de 4 bare de otel, pentru sistemul MEGOS; 4 - conexiuni elastice IT; 5 - gaz de alimentare (S);
6 - gaz ce contine ozon (O); 7 - spatiu de descarcare.

In Fig. 5 este prezentata o asemenea constructie de celula de generare ozon. Electrodul de impamantare (1) este realizat dintr-un tub din otel inoxidabil, care va fi introdus in structura fagure a capacului generatorului de ozon care va contine numarul de tuburi care sa asigure cantitatea de ozon dorita. In acest tub metalic se introduce tubul de sticla 2, care constituie dielectricul condensatorului format intre armaturile metalice 1 si stratul metalizat 3 depus in interiorul tubului de sticla. Tensiunea inalta 4 va fi adusa la electrodul depus printr-un sistem elastic. Gazul de alimentare 5 (aer sau oxigen) va circula intr-un spatiu de 1-2 mm, format intre tubul de sticla 2 si electrodul de impamantare 1. Gazul ce contine ozon dupa aplicarea descarcarilor electrice va fi extras din generator si dirijat spre aplicatia dorita.

Caldura eliberata de electrodul metalic 1 se disipa in apa ce curge in jurul acestuia. Generatorul de ozon este in esenta un vas care contine multe asemenea perechi de electrozi si aparent seamana cu un schimbator de caldura (Fig. 6).

In timpul descarcarii in aer, alaturi de ozon se produce si o serie de alte specii chimice ionizate sau neutre, al caror numar depinde de conditiile in care are loc descarcarea (presiune, umiditate), conditii ce pot influenta esential randamentul cu care se produce ozonul se mai produce o serie de reactii secundare care consuma energie, reactiei pentru producerea ozonului revenindu-i doar 5-6 procente din totalul energiei consumate. Randamentul de generare a ozonului este relativ scazut. Valoarea teoretica calculata cu teoria termochimica este de 1200 g/KWh. Eliasson si colaboratorii au estimat pe baza ecuatiei Boltzman ca pentru oxigenul pur, randamentul de generare a ozonului este de 400 gr/KWh. In practica insa, randamentul de generare a ozonului la o descarcare corona normala si la 60 Hz este de aproximativ 200 gr/KWh la oxigen si aproximativ 90-100 gr/kWh pentru aer.

Fig. 6. Vedere generator ozon.

Preocuparile majore ale constructorilor astazi sunt de a creste randamentele, actionand asupra electrozilor, asupra valorii tensiunii si frecventei de alimentare, pregatirii gazului, spatiului de descarcare, presiunii de lucru, regimurilor de descarcari etc.

Trebuie atrasa atentia asupra pericolului pe care il prezinta ozonul in cantitate mare (puternic oxidant), de unde si interesul pentru controlul generarii sale pentru eliminarea scaparilor de O₃ prin ardere catalitica sau pentru alte procedee (dizolvare in apa spre ex.).

Celule de descarcare MEGOS

Necesitatea de a creste cantitatea de ozon generata prin descarcari corona a condus la dezvoltarea unei solutii noi - Sistemul Megos - a carei constructie este data in Fig. 5.

Fata de sistemul clasic, in tubul de sticla se introduc 4 tije care au rol de electrozi de inalta tensiune, asigurand un spatiu de descarcare mic, iar raza mica de curbura permite obtinerea unor intensitati ridicate ale campului.

Ozonul se produce atat in spatiul dintre tubul de sticla si electrodul de inox pus la pamant, cat si in spatiul dintre ansamblul celor patru tije. In plus fata de crearea unei zone duble de descarcare, curgerea gazului pe langa electrozii de inalta tensiune are un efect de racire, permitand electrozilor sa functioneze la o temperatura mai scazuta decat cea intalnita la sistemele clasice. Consumul de energie este mai scazut, este de ordinul a 10 kWh/kgO₃, mai redus decat la solutiile uzuale.

Elemente componente ale unui echipament de generare a ozonului

Schema de principiu a unei instalatii de acest gen si la care gazul in care are loc descarcarea este aerul arata ca in Fig 7. Echipamentul se compune din:

a.      sursa de aer (poz. 1,2);

b.     agregatul de preparare aer (3-10);

c.      generatorul de ozon (11);

d.     sursa de inalta tensiune (12);

e.      dulapul de comanda (13)

a. Sursa de aer. Aerul necesar procesului tehnologic (transformarea oxigenului in ozon sub influenta descarcarilor) este furnizat de o sursa proprie, compusa dintr-un filtru de aer 1 si un compresor 2. Pentru instalatiile de capacitate 0,1-1 kg O₃/ora sursa este individuala, pentru cele de puteri mai mari se poate realiza o sursa comuna care sa alimenteze mai multe instalatii de producere a ozonului.

b. Agregatul de preparare a aerului. Rolul sau este acela de a filtra aerul uscat primit de la compresor, preparandu-l in vederea ozonificarii. Uscarea se face in doua trepte:

prin condensare (frig);

prin adsorbtie pe substante active (chimic).

Prima treapta de uscare se compune dintr-un schimbator de caldura 3, un agregat frigorific 4 si un ciclon de purjare 5. Frigul produs de agregatul frigorific se transfera in schimbatorul de caldura unde aerul tehnologic este racit, in functie de agregat pana la +5 ^OC. Excesul de umiditate peste concentratia de saturatie se condenseaza pe peretii ciclonului 5 si prin purjare se elimina. Aerul preparat este stocat in rezervorul 6.

Fig. 7. Schema de principiu a unei instalatii de producere a ozonului: 1) filtru;
2) compresor; 3) schimbator de caldura; 4) agregat frigorific; 5) ciclon de purjare;
6) rezervor de aer; 7) filtru de carbune activ; 8) uscator prin adsorbtie; 9) filtru ambiant cu reductor de presiune; 10) debitmetru; 11) generator de ozon; 12) sursa de inalta tensiune;
13) dulap de comanda.

Cea de a doua treapta de uscare cuprinde elementele 7- Aerul rece, cu un eventual continut de umiditate neretinut de prima treapta, este trecut printr-un filtru cu carbune activ 7 si de aici intr-un uscator prin adsorbtie 8, realizat sub forma a doi recipienti ce contin oxid de aluminiu activat sau silicagel. Restul de umiditate se retine aici, ajungandu-se la un punct de roua intre -40 - 50 ^OC.

Fig. 8. Variatia punctului de roua cu umiditatea aerului.

Corelatia dintre punctul de roua (^oC) si continutul de apa in aer (mg/l apa) este data in Fig. 8. Gradul de umiditate pe care trebuie sa-l prezinte aerul in operatia de ozonizare trebuie sa fie mai mic de 1 mg apa/m³ aer.

Dirijarea aerului intre cei doi recipienti se realizeaza cu ajutorul unor electrovalve sau valve electropneumatice.

Ca o inovatie, instalatiile romanesti au recipientii prevazuti si cu incalzitoare electrice care sa permita ridicarea temperaturii la 25-300^oC pentru situatiile in care procesul impune existenta unor temperaturi mai ridicate.

Fig. 9. Variatia productiei de ozon intr-un echipament in functie de punctul de roua.

Dupa aceste operatii, aerul uscat si filtrat ajunge la generatorul de ozon unde este supus ozonizarii.

Productia de ozon creste cu scaderea temperaturii, de unde interesul de a avea temperaturi cat mai scazute, asa cum rezulta din Fig. 9.

Fig. Sectiune printr-un generator de ozon,
din care rezulta dispunerea tuburilor de descarcare.

Stabilirea punctului de roua la -10^oC, asa cum s-a motivat anterior, asigura o productie corespunzatoare de ozon (80% din cea teoretica).

c. Generatorul de ozon. Este un recipient in care sunt dispusi electrozi carora li se aplica o tensiune inalta. Aparitia unor descarcari corona este explicatia ozonizarii aerului la tensiuni aplicate electrodului sub valoarea critica de aparitie a arcului electric, de nedorit in aceasta situatie.

In Fig. 10 se prezinta o sectiune printr-un asemenea generator de ozon in constructie orizontala, iar in Fig. 11 o vedere generala a acestuia.

Fig. 11. Vedere generala a unui generator de ozon; se observa capacul prin a caror orificii se introduc tuburile de descarcare.

Fig.12. Geometria tubului de descarcare.

Un generator de ozon se compune dintr-un recipient, in interiorul caruia sunt asezate tuburile de descarcare. Asezarea acestora poate fi verticala sau orizontala. In locul tuburilor pot fi utilizate in unele constructii si electrozi placa, departati intre ei prin distantoare.

Constructiile de generatoare de ozon realizate de I.C.P.E., GO-150 si
GO-500 au 19 respectiv 85 de tuburi de descarcare asezate pe orizontala si sustinute intre doua flanse dispuse la ambele capete ale recipientului (Fig. 11.).

Tubul de descarcare se compune, in principiu, dintr-un tub de sticla si un electrod de inalta tensiune; in unele variante el poate fi depus direct pe peretele tubului de sticla.

In constructiile I.C.P.E., tuburile de descarcare au dimensiunile din
Fig. 12:

R₁= 16 mm

R₂= 20 mm

R₃= 25 mm

l = 1520 mm

Introducerea oxigenului printr-un capat al tubului de descarcare si supunerea sa sub actiunea descarcarilor, ce se stabilesc intre electrodul de inalta tensiune si peretele recipientului pus la pamant, permite transformarea oxigenului in ozon care va iesi prin celalat capat al tubului. Un generator de ozon poate avea, asa cum am aratat, unul sau mai multe tuburi de descarcare.

Tubul dielectric este realizat din sticla Pirex, dimensionat convenabil pentru a asigura rezistenta mecanica dorita (gros. > 2 mm). Intervalul de aer dintre electrodul de inalta tensiune si peretele interior al tubului de sticla este de ordinul milimetrilor. Electrozii de inalta tensiune sunt executati din tabla perforata cu gauri asezate la o distanta cu pas constant sau in alte constructii sunt dispusi in partea interioara a tubului de sticla. Configuratia aleasa trebuie sa asigure un coeficient convenabil de neuniformitate, incat sistemul sa lucreze cu un randament bun la 15-16 kV. Daca in alte situatii se evita neuniformitatile de distributie a campului, aici ele se cauta.

Asemenea tuburi de descarcare, al caror numar este impus de constructia generatorului de ozon, se introduc in acesta prin gaurile practicate in flansele laterale (Fig. 11).

Se remarca spatiul mic de descarcare in care se produce O₃ - cca. 2 mm - din motive de cinetica chimica si termodinamica. Electrodul de inalta tensiune este in acest caz realizat dintr-un cilindru metalic si nu depus in interiorul tubului de sticla.

d. Sursa de inalta tensiune. Alimentarea in regim sinusoidal, mono- sau trifazat nu este eficienta, avand in vedere fenomenul de generare a descarcarilor corona; conditii mai bune apar la alimentarea cu frecvente mai ridicate sau cu impulsuri de o anumita forma. Frecventa de repetitie poate ajunge pana la valoarea de 1000 Hz. Variatia tensiunii sau frecventei se poate face manual sau automat.

Fig. 13. Schema bloc a unei surse de inalta tensiune pentru o instalatie de producere ozon;
1) transformator de inalta tensiune; 2) redresor trifazat; 3) bloc de comutatie;
4) bloc de comanda pentru blocul de comutatie; 5) generator de ozon.

Schema bloc a unei surse de inalta tensiune arata ca in Fig. 13. Ea contine transformatorul ridicator de tensiune monofazat sau trifazat (1), un redresor (2), blocul de comutatie (3), blocul de comanda a comutatiei (4) si generatorul de ozon (5), caruia i se aplica tensiunea inalta.

Fig. 14. Schema unei surse de inalta tensiune avand ca elemente de comutatie tiratronul: 1) transformator de inalta tensiune; 2) redresor; 3) inductanta;
4,5) tiratroane; 6) generator de ozon; 7) capacitati.

Blocul de comutatie conecteaza electrozii de inalta tensiune a generatoarelor de ozon, succesiv cu o anumita frecventa de repetitie la borna + si - a redresorului. Blocul de comanda (4) se compune dintr-un generator de impulsuri cu frecvente variabile si un circuit basculant care aplica pulsul de deschidere pentru elementele de comutatie, respectiv succesiunea lor.

La tensiunile de lucru de 15-20 kV si frecvente pana la 1000 Hz, elementele de comutatie sunt tiratroane, iar la tensiuni mici sunt tiristoare. In Fig. 14 este prezentata schema unei surse de alimentare a generatorului cu tiratroane. Un transformator de inalta tensiune (1) alimenteaza un redresor trifazat (2). Generatorul de ozon (5) primeste tensiunea de la tiratronul (3-4). Condensatoarele (6) au rolul de acumulatoare de energie.

In situatia in care in locul tiratroanelor se utilizeaza tiristoare, schema
isi pastreaza structura principiala,intre bornele K-L dispunandu-se blocul din Fig. 15.

Fig. 15. Sursa de inalta tensiune cu tiristoare pentru alimentarea generatorului de ozon
1,7 idem in Fig. 14.

Sursa de alimentare pentru generatoarele construite in ICPE lucreaza cu pulsuri de frecventa variabila (200-400 Hz). Constructia transformatorului la frecvente de 400Hz nu pune probleme deosebite.

S-a aratat anterior ca tubul de descarcare corona este "modelat" prin doua capacitati C_a si C_d; C_a dispare dupa ce va incepe descarcarea corona. In momentul inceperii descarcarii corona, se va incarca si condensatorul C_d, incetarea descarcarii avand loc atunci cand C_d este complet incarcat.

In acest moment, elementul de comutatie deconecteaza generatorul de ozon de la borna + a redresorului si al doilea element de comutatie al schemei leaga generatorul de ozon la borna - a redresorului.

Frecventa de repetitie a generatorului de impulsuri f este determinata de durata de incarcare _i , din ultima relatie in expresia lui f, relatia pentru cazul optim:

(12)

Perioada de schimbare a polaritatii la bornele generatorului de ozon va fi T = 2 _i , intrucat perioada de incarcare a capacitatii si cea de descarcare sunt egale. Intre frecventa de repetitie a generatorului f si perioada lui , relatia pentru cazul optim este:

(13)

Fig. 16. Variatia cantitatii de ozon, in functie de frecventa de lucru.

Frecventa f, asa cum arata si relatia 8 determina puterea disipata in descarcarea corona, deci producerea de ozon se poate schimba comod, actionand asupra frecventei. In Fig. 16 este data o curba de variatie a cantitatii de ozon generata de o instalatie GO-150, in functie de frecventa. Se sesizeaza existenta unui maxim la o frecventa de 300-350 Hz.

e. Dulapul de comanda. Trebuie sa asigure actionarea, controlul si respectarea tehnologiei impuse de proces. Gradul de automatizare a echipamentului depinde de importanta obiectivului, mergand pana la conducerea prin microprocesor.

Fig. 17. Schema logica de comanda a unui generator de produs ozon.

Parametrii de functionare ce trebuie controlati sunt:

presiunea, temperatura, debitul si umiditatea aerului;

temperatura apei de racire din generatorul de ozon;

tensiunea de alimentare a generatorului de ozon;

frecventa tensiunii de alimentare;

productia de ozon;

concentratia de ozon in atmosfera spatiului unde este montata instalatia de producere a ozonului.

O schema logica de comanda arata ca in Fig. 17.

Secventa comenzilor este urmatoarea:

se alimenteaza schema de comanda;

se porneste agregatul frigorific al treptei I de uscare, daca temperatura ajunge la + 5^oC;

se porneste compresorul (daca temperatura nu a ajuns, compresorul nu porneste pana nu-i satisfacuta aceasta conditie. Ea se va opri doar cand presiunea ajunge la valoarea nominala);

electrovalvele treptei a II-a se deschid dupa ce presiunea a ajuns la valoarea prestabilita;

se porneste ventilatorul;

se porneste sursa de inalta tensiune. Ea nu functioneaza daca conditia initiala - ventilator pornit - nu este realizata;

se regleaza automat frecventa si tensiunea, in functie de necesitati;

se deconecteaza sursa de inalta tensiune atunci cand curentul de descarcare depaseste o valoare impusa.

Schema bloc a unui echipament de generare ozon

Schema bloc a unui generator de produs ozon (ozonizor) arata ca in
Fig. 18.

De la o retea trifazata (1) se alimenteaza un redresor 2 ce asigura un curent proportional cu valoarea de referinta. Acest curent va fi transformat de un convertizor de frecventa (3), in impulsuri rectangulare cu frecventa de 300-1000 Hz. Un transformator de inalta tensiune (4) ridica tensiunea la valoarea de exploatare prescrisa de generatorul de ozon (7). Intre redresorul trifazat (2) si invertorul (3) este dispusa o bobina de egalizare (5) a carui rol este de a separa cele doua circuite electrice avand atat functie de filtru, cat si de acumulator de energie. O serie de traductoare (6) dau informatii privind reglarea parametrilor si actioneaza asupra circuitului de comanda conform programului propus.

Fig. 18. Schema bloc a unui generator de produs ozon: 1) alimentarea trifazata;
2) redresor; 3) convertizor de frecventa; 4) transformator de inalta tensiune;
5) bobina de egalizare; 6) traductoare si elemente de comanda; 7) generator de ozon.

Materiale utilizate

Ozonul fiind un gaz foarte agresiv, se impune utilizarea unor materiale speciale si anume:

oteluri inoxidabile pentru recipienti si robineti;

PVC-uri pentru flanse, piulite, robineti;

aluminiu pentru electrozii de inalta tensiune;

cauciucuri clorosulfurate pentru garnituri;

otel carbon, acoperiri cu email rezistent la ozon pentru recipienti.

Aplicatii

In toate aplicatiile trebuie sa se tina seama, ca-n doze mari O₃ poate fi toxic. Pentru aceasta se recomanda, sa se acorde o mare atentie etansarilor, iar ca masuri de protectie sa se dispuna in apropierea generatoarelor de ozon mijloace sigure de ventilatie (concentratia maxim permisa in aer este de
0,3 mg/m³).

9.1. Tratarea apei

Ozonul este un agent principal pentru tratarea apei in oricare faza a ciclului de utilizare si anume: pentru apa potabila, de proces, de racire, reziduala. Dintre efectele mai semnificative ale ozonului in procesul de tratare a apei mentionam:

degradarea substantelor organice;

actiunea bactericida;

dezactivarea virusilor;

calitati organoleptice;

decolorare;

eliminarea fierului si manganului;

distrugerea substantelor toxice.

O linie pentru tratarea apelor reziduale cu ajutorul ozonului este prezentata in Fig. 19.

Fig. 19. Linie pentru tratarea apelor reziduale cu ajutorul ozonului:
Wu, apa netratata; 1,2, dozare chimica (clor, sulfat de Al); 3, amestecatoare rapide;
4, decantoare; 5, filtru cu nisip; 6, filtru cu carbune activat; 7, generator de radiatii UV;
8, camera de amestec ozon-apa; Go, generator de ozon; 9, bazin cu apa tratata; Wa, apa tratata pentru distributie in localitate

9.2. Aplicatii industriale

Industria chimica

oxidarea acizilor grasi nesaturati si productia pe scara industriala a unor acizi utilizati la fabricatia plastifiantilor, polimerilor cu caracteristici speciale;

fabricarea de nylon si poliesteri;

albirea uleiurilor si a plastifiantilor;

producerea de steroizi, hormoni si vitamine.

Industria alimentara

tratarea apei pentru prepararea berii si a bauturilor racoritoare;

sterilizarea sticlelor, ambalajelor, containerelor;

prepararea de fermenti din solutii de sulfit rezultate la prelucrarea celulozei.

Industria celulozei si textilelor

agent de albire in industria celulozei in locul clorului toxic si poluant;

imbunatatirea caracteristicilor tehnice ale celulozei prin actiunea ozonului;

tratarea cu ozon face ca lana sa nu mai intre la apa.

Evaluari economice

Calculele tehnico-economice facute arata ca utilizarea ozonului pentru diverse aplicatii tehnologice nu asigura doar performante superioare, ci in majoritatea cazurilor ea este chiar eficienta. Spre exemplu, pentru pregatirea apei potabile este nevoie de 1-5gr ozon/mc apa in functie de gradul de poluare a acesteia. Cu un debit de ozon de 1 kg/h se poate trata in acest caz in mod eficient, un debit de apa de cca. 200-500 mc/h. Cu o productie de 100gr/kWh pentru a produce 1 kg de ozon se consuma 10kWh, ceea ce la un pret ipotetic de 3000 lei/kWh ar conduce la un cost de 30000 lei pentru a produce 1kg de ozon care in cazul cel mai defavorabil permite tratarea a 200mc/h revenind deci cca. 1500 lei mc/h care reprezinta costul suplimentar al tratarii apei cu ozon in vederea inlocuirii clorului. Mentionam ca exemplul dat este pentru cazul cel mai defavorabil, in realitate doza de tratare fiind uzuala in prima jumatate a intervalului 0,2-5 gr/mc.

Cifra poate fi apreciata ca acceptabila dat fiind ca prin alte mijloace, curatirea apei nu mai poate fi asigurata. Aceasta cifra este amplificata evident cu recuperarea investitiei prin amortizarile ce se stabilesc, dar apropiate costurilor ce revin daca se utilizeaza alte tehnologii care necesita la randul lor amenajari si dotari.

In Romania cercetarile dezvoltate la Institutul de Cercetari Electro-tehnice - Divizia Electrostatica - s-au finalizat prin conceperea unei serii de generatoare de ozon de dimensiuni mici-medii (sute de gr - zeci de kg), preluate in fabricatie la RAAL Bistrita. Au fost realizate o serie de instalatii pentru tratarea apelor in orasele Husi, Lugoj, Timisoara, in Delta Dunarii la Mila 23 si se prevede o extindere a aplicatiilor pentru tratarea apelor. Pentru alte scopuri se mentioneaza albirea panzelor, sterilizari si inlocuirea unor oxidanti pe baza de clor in industria chimica.

Bibliografie

GAIA, F.: L'ozono e la sue applicazioni. L'Electrotecnica, 1982 (vol.LXIX), nr.5, p.439-443.

HOSSELET, L.M.: Ozonbildung mittels elektrischer. Entladungen. Doktorat Theses, Eindhoven, 1971.

ARNOLD, D.L.B.: Chemical oxidation of odours by ozone. Chemistry and Industry, 1974, 16 Nov., p.69-74.

GRUNBEIN: Ozonisierung von Abwasser. Chemie Ingenieur Technik, 46 (1974), nr.8, p.339

DIAPER, E.W.P.: Ozone-Practical Aspects of its Generatoren and Use Chem.Techn., 1972, June, p.369-375.

FABYAN, Cr.: Die Reinigung galvanischer und anderer Abwsser nach dem Ozonisier-Verfahren. Galvanotechnik, 66 (1975), nr.2, p.100-107.

GERBER, K.H.: Emploi de l'ozone dans l'puration des eaux usees et prparation de l'eau potable. Rev.Brown Boveri, 1977, nr.3, p.171-175.

TOFAUTE, K.: Gnrateur d'ozone pour une eau potable saine. Rev.Brown Boveri, 1980, nr.6, p.368-382.

CRAMARIUC, R. si GLANZ, G.: Electrostatica in sprijinul gospodaririi apelor. Studiu intern, ICPE, 024.52-1987.

HOSSELET, L.M.: Increased Efficiency of Ozone-Production by Electrical Discharges. Electrohimica acta, 1973, vol.18, p.1033-1011

MAJUMDAR, S.B.: A Physical and Mathematical Model of Poliovirus Inactivation; Water, by Ozoniation Technique, Ph.D., Thesis, University of Maine, Orono

GLANTZ, G.: Instalatie de produs ozon. G.O. 150, Doc.int., 414, 1979.

DUTKAI,E.P.: Coloane cu umplutura in tehnologia chimica, Bucuresti, Ed.Tehnica, 1977.

POLIBROWADE, A.: Absorbtia-Adsorbtia. Bucuresti, Ed.Tehnica, 1967.

GHEORGHE, G.: Masurarea debitelor in fluide. Bucuresti, Ed. Tehnica, 1980.

DILLON, J.: Gaseus conductors. New York, Inc. Press 1957.

KAPTOV, V.: Fenomene electrice in gaze si vid. Bucuresti, Ed.Tehnica, 1955.

x x x: Instalatii complexe pentru producerea ozonului.

Prospect ICPE, 1988.

Y.FAES: Ozoneurs: Leur theorie et application des techniques nouvelles a semi-conducteurs et leur alimentation. Rev. gen.Electr. 1975, 84(1) p.13-23.

TANASESCU Fl.T., R.CRAMARIUC, I. VELISAR (1988): Industrial ozon, Electrotehnica, Electronica si Automatica, Electrotehnica,88, 3, p.95-100.

GAIA, F. and A. MENTH (1981): Nouveaux generateurs d'ozon de grande puissance et leur applications dans l'industrie, Rev.Brown Boveri, 10/11, p.411-415.

ELIASSON, B. and U. KOGELSCHTZ (1981): Ozone production in an oxygen discharge: The rate of electron impact dissociation of O₂ and O₃, in Proceedings XV, Int.Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Minsk, USSR, p. 301-302.

KLEIN, H.P. (1990): Commercial-scale generation and use of ozone, Rev. Brown Boveri, 1, p.11-17.

BRAUN DIETER (1990: Zum Wirkungsgrand von ozonerzeugern. Dissertationen, Aachen University of Technologym Germany.

BRAUN DIETER, ULRICH KUCHLER and GERHARD PIETSCH (1989): Aspects of ozone generation from air, in: Proceedings, Ninth ozone World Congress, New York,
p 23-25.

PIERSON, S. SHAUN (1989): High concentration ozone production with MEGOS Generators, in Proceedings. Ninth Ozone World Congress, New York, p 26-36.

SIESVERDA, PAUL (1989): A review of ozone applications in public aquaria, in Proceedings, Ninth Ozone World Congress, New York, p 246-250.

CARD, R.TOM si RAGER L.PURDON (1989): Ozone demand and decay (natural and hydrogen peroxide assisted) in upper Columbia river water, in Proceedings, Ninth Ozone World Congress, New York, pp 281-295.

STEINBRANCHEL, A.R.RICE, si R. SPANGENBERG (1989): First year operation report of the corona discharge ozone swimming pool water treatment systems at the Peck aquatic facility, Milwankee, Wisconsin, in Proceedings Ninth ozone World Congress, New York,
p 461-475.

NEBEL CARL (1989): Ozone and pools in Proceedings, Ninth Ozone World Congress, New York, p 475-486.

NOMOTA, Y, TOSHIKAZU OHKUBA, SEIJI KANAZOWA si TAKAYOSHI ADACHI (1995):Improvment of ozone Yield by a silent-surface hybrid discharge ozonizer, in IEEE Transaitions on Industry Applications, 31,6, p 1458-1462.

TANASESCU, Fl.T. si R.CRAMARIUC (1995): The evolution of the ICPE Researches in the Electrostatics Field, in Proceedings of the 45 th. Anniversary of ICPE, Bucharest, 25-30, october.

TANASESCU, Fl.T., R.CRAMARIUC, I. VELISAR si V.MILEVSCHI (1995) Ozone facility in the Mila 23 Filtration Plant, in Proceedings of the 45 th Anniversary of ICPE, Bucharest, 30-31 october.

TANASESCU, Fl.T., R.CRAMARIUC si G.MARIN (1995): Pilot Station for Materials Processing by Iradiation with Accelerated Electrons, in Proceedings of the Radiation Curing Conference, November 20-24, Guilin, China, p. 481-486.

ILIES PAUL (1995): Product Catalog of RAAL S.A. Bistrita.

TANASESCU, Fl.T.si R.CRAMARIUC: Water Depollution using Ozone Technologies in Densely Populated Urban Areas. Achievements.

Scientific and Technological Achievements Related to the Development of European Cities. NATO ASI Series, Science and Technology Policy, vol.9, Kluwer Academic Publishers, 1997, p.169-199.

Kaste, G.S.: Ozone generators. In: The Modern Problems of Electrostatics With Applications in Environment Protection. Ed Kluver, Boston, London, 1998, p.253-263.

Leitzke, O: Applications of ozone in Water Treatment. In: The Modern Problems of Electrostatics With Applications in Environment Protection. Ed Kluver, Boston, London, 1998, p.265-303.

Inculet, F.T. Tanasescu, Radu Cramariuc. The Modern Problems of Electrostics with applications in Environnment Protection. Ed. Kluver, Boston, London, 1998, p.313-340.

Tanasescu F.T., Radu Cramariuc, M.Bologa: Electrotehnologii Ed Academiei Romane, Bucuresti, vol.1, 1999.

TEHNOLOGII DE GENERARE A OZONULUI PRIN DESCARCARI ELECTRICE. APLICATII TEHNOLOGICE

in imagini si date semnificative

Istoria descoperirilor in domeniul ozonului (O₃)

1785, Van Marum observa formarea unui gaz necunoscut in timpul descarcarilor electrice;

1839, Schnberg denumeste acest gaz Ozon;

1857, Werner von Siemens produce cantitati industriale de O₃, utilizand descarcari electrice;

1863, J.Soret stabileste formula ozonului si-i determina densitatea;

1907, prima utilizare a ozonului pentru dezinfectarea apei, la Nisa.

Caracteristici ale O₃

O₃ + 2KI + H₂O = I₂ + 2KOH +O₂

3O₂ 2O₃ - 69 kcal

Miros specific, toxic, densitate mai mare de 1,5 ori decat a O₂, puternic oxidant;

De zece ori mai solubil in apa decat O₂;

Mare reactivitate, chiar in cazul unor concentratii mici;

Produce reactii instantanee cu substante oxidabile.

3 molecule de oxigen pot trece in doua de ozon consumand o energie de ordinul a 34,5 kcal pentru fiecare mol de O₂;

instabil, cu tendinta de a trece in O₂ (la caldura, in jur de 270^oC).

3O₂ 2O₃ - 2 x 34500 cal

Ozonul se obtine prin dezvoltarea unor descarcari corona in aer sau oxigen in prealabil uscat si la o presiune mai ridicata decat cea atmosferica.

Intre 2 electrozi (sau grupuri de electrozi) aflati la o diferenta de potential inalta (10-20 kV) se creeaza un camp electric puternic ce genereaza descarcari corona care ionizeaza moleculele de aer si permite prin ionizare formarea moleculelor de O₃. Formarea unor molecule de O₃ se face cu absorbirea a 34500 calorii.

(V)

Relatiile lui Peek pentru mecanismele de stabilire a descarcarilor sunt suficient de exacte in calculul regimurilor de descarcare, utilizandu-se relatiile stabilite pentru :

campul electric critic: E_c;

tensiunea de varf critica: U_c;

puterea descarcarilor corona: P.

Constructia de principiu a unei "celule" de generare ozon

1, apa de racire; 2, tuburile de otel;
3, interstitiu de descarcare (2-3 mm); 4, tub de sticla.

Generatorul de ozon este un recipient (el seamana cu un schimbator de caldura) in care sunt dispuse celulele de generare ozon, sisteme de electrozi carora li se aplica o tensiune inalta de 15-16 kV si intre care apar descarcari corona.

Numarul de celule poate fi variabil, el determinand volumul de ozon generat. Ozonul format va circula in interiorul tubului de sticla si anume intre acesta si electrodul de inalta tensiune.

Tuburile dielectrice sunt realizate din sticla Pirex, rezistente la socuri termice.

1 - apa racire; 2 - tub de otel; 3 - interstitiu de descarcare; 4 - tub de sticla.

Generatorul poate fi realizat in constructie verticala sau orizontala.

Introducerea oxigenului sau aerului se face printr-un capat al recipientului, prin celalalt colectandu-se ozonul.

Pentru a elimina caldura care se naste in cadrul procesului, se prevede o circulatie de apa intre tuburile de descarcare introduse in tuburile de metal printre care circula apa, in acelasi timp electrod la potential zero.

Conditiile in care are loc descarcarea (presiune, umiditate etc.) determina randamentul. Reactia pentru producerea ozonului reprezinta doar 5-6% din totalul energiei consumate.

Fazele procesului ce se desfasoara la tratarea cu O₃ a apelor reziduale

Gazul de alimentare (aer sau O₂) trebuie sa fie de mare puritate, motiv pentru care se trateaza.

Desi utilizarea O₂ ofera randamente mai ridicate, complicatiile tehnologice motiveaza utilizarea aerului la majoritatea constructiilor de echipamente.

Producerea O₃ se face in generatoare de tipul celor descrise la 6.

Reactia ozonului cu apa de tratat (ozonarea) se face in incinte speciale care sa permita interactia optima intre ozon si substante.

In functie de gradul de murdarie a apelor, dozele de tratare variaza de la 0,5 - 5 g/m³ apa.

Ozonul rezidual se face prin diluare cu aer sau prin distrugere catalitica, a doua metoda fiind mai frecvent folosita.

Experienta de utilizare a peste 1200 instalatii aflate in functiune in lume arata ca utilizarea ozonului in tratarea apelor asigura distrugerea virusilor si a bacteriilor, dezinfecteaza apa, elimina fenolii, nu afecteaza gustul initial, este economica.

Schema bloc a unui generator de produs ozon

1, retea si intrerupatorul principal I; 2, grup trafo-redresor; 3, convertizor de frecventa,
4, transformator inalta tensiune, 5, bobina de egalizare; 6, sisteme de traductoare;
7, generatorul de ozon.

Cercetarile au dovedit ca randamentul sistemului este optim la alimentarea electrozilor de inalta tensiune din generatorul de ozon cu curent pulsatoriu, de unde necesitatea de a prevedea in schema un convertizor care sa dea o frecventa de 300-1000 Hz.

Sistemul de traductoare (6) asigura mentinerea parametrilor impusi, corectiile ce se impun la abaterea de la regim, protectiile la degenerarea descarcarilor electrice in arc electric etc.

Cantitatea de ozon produsa de un generator, in functie
de tensiunea aplicata

Experimentarile efectuate au aratat ca frecventa optima a tensiunii de alimentare a electrozilor este de 350 Hz.

Curbele arata evident ca pentru o aceeasi tensiune, cantitatea de ozon este in functie de presiune; ea este cu atat mai mare, cu cat presiunea este mai scazuta.

Cantitatea de ozon produsa de un generator in functie
de presiunea absoluta

Pentru o presiune absoluta constanta si frecventa de 350 Hz, cantitatea de O₃ generata depinde de tensiune si anume este cu atat mai mare, cu cat valoarea tensiunii este mai ridicata.

Aplicatii generale ale ozonului

Tratarea apelor in oricare faza a ciclului de utilizare: apa potabila, de proces, de racire, apa reziduala.

In industria chimica permite oxidarea acizilor grasi, flocularea unor substante si separarea lor, albirea uleiurilor si plastifiantilor, producerea aromelor [se aplica si-n industria farmaceutica].

Tratarea apelor reziduale din agricultura si procese industriale se face in excelente conditii, eliminand sau reducand clorul.

In industria alimentara asigura productia de fermenti, de conservare si dezinfectie alimente.

Industria celulozei si a caolinei utilizeaza ozonul pentru albirea tesaturilor si a maselor ceramice, industria textila il utilizeaza la imbunatatirea caracteristicilor lanii si a bumbacului.

Pentru protectia mediului, ozonul asigura tratarea apei si conservarea, distrugerea de bacterii, de virusi, sterilizeaza si elimina fierul si manganul din suspensii, distruge o serie de substante nocive pentru mediu.

Generatoare de ozon concepute si realizate in Romania

In Romania cercetarea generatoarelor de ozon a fost dezvoltata inca din anul 1975 de institutele de cercetari, ICPE si ICPE-Electrostatica, care au dezvoltat si primele echipamente pe baza unor brevete proprii.

Fabricarea acestor generatoare se face la Intreprinderea RAAL - Bistrita (1000-2750-5500-11000 gr/ora) si ICPE -Electrostatica (50-100-2500-15000 gr/ora), Romania fiind printre putinele tari care fabrica asemenea generatoare.

Utilizarile cele mai reprezentative au fost : echipamente de mare capacitate (mii de gr./ora) pentru tratarea apelor in mari aglomerari (Husi, Dej, Braila) si mici pentru scopuri speciale (tratari de ape in locuri izolate, Delta Dunarii, industria chimica, textila, alimentara, zootehnie, pentru tratarea apelor uzate).

INTREBARI RECAPITULATIVE

Care este principiul ce sta la baza generarii ozonului ?

Cum arata constructia unui generator de ozon ?

Care sunt factorii care influenteaza productia de ozon a unui generator ?

Prezentati fazele proceselor ce au loc la tratarea cu O₃ a apelor uzate (reziduale) !

Descrieti principalele domenii in care tehnologiile de tratare cu ozon isi gasesc loc!

Ce avantaje prezinta O₃, fata de alti oxidanti ?