Ozonizador - un dispositivo para producir ozono (O 3 ). El ozono es una modificación alotrópica del oxígeno que contiene tres átomos de oxígeno en una molécula. En la mayoría de los casos, la sustancia inicial para la síntesis del ozono es el oxígeno molecular (O 2 ), y el proceso mismo se describe mediante la ecuación 3O 2 → 2O 3 . La ozonización es una reacción endotérmica y fácilmente reversible. Por lo tanto, en la práctica, se toman medidas que contribuyen al máximo desplazamiento de su equilibrio hacia el producto objetivo.
Hay muchas formas de producir ozono.
Síntesis a partir de oxígeno gaseoso bajo la influencia de una descarga eléctrica silenciosa. Para este propósito, se pasa aire u oxígeno puro al espacio entre los electrodos conectados a una fuente de alto voltaje. El voltaje aplicado a los electrodos suele oscilar entre varios miles y varias decenas de miles de voltios. El mejor rendimiento se logra utilizando oxígeno puro, gas a la temperatura más baja posible y corriente continua pulsante. El espacio entre los electrodos y el área efectiva de los electrodos están determinados por el voltaje de operación y el caudal del gas que contiene oxígeno. Los electrodos de metal pueden descomponer catalíticamente el ozono en contacto con ellos, por lo que a menudo se colocan dentro de una fina envoltura de vidrio. A veces, los tubos llenos de un líquido conductor, como el ácido sulfúrico, actúan como electrodos peculiares. Para aumentar el rendimiento del aparato, los pares de electrodos a menudo se recogen en grandes paquetes enfriados por agua corriente. La concentración de ozono a la salida de tales reactores (dependiendo de su diseño y del contenido de oxígeno en la mezcla gaseosa inicial) no suele exceder un pequeño porcentaje, y cuando se utiliza aire atmosférico, es solo una fracción de uno por ciento. Además, la mezcla de gases que contienen ozono obtenida en una descarga tranquila del aire atmosférico contiene una cantidad significativa de óxidos de nitrógeno altamente reactivos, lo que es inaceptable para muchos procesos tecnológicos. Por lo tanto, el uso de oxígeno puro (que se puede recuperar fácilmente) como materia prima para la síntesis de ozono suele ser más rentable que el uso de aire atmosférico.
Descarga de barreraDescarga de barrera: una descarga entre dos dieléctricos o un dieléctrico y un metal en un circuito de CA es un generador de ozono eficiente y económico. [1] [2] Se pueden atribuir varios tipos de celdas de descarga a la descarga de barrera.
Descargas volumétricas y superficiales de barreraHay descargas de barrera de superficie y de volumen. En una descarga de volumen, los electrodos son dos placas o tiras de metal separadas por un espacio de descarga. Uno de ellos (o ambos) está aislado del hueco por una capa dieléctrica. Con una descarga de barrera superficial, ambos electrodos se colocan en un lado de la placa dieléctrica y la descarga se quema entre ellos en un gas en el otro lado del dieléctrico cerca de su superficie. Para la ruptura del gas se utiliza un electrodo auxiliar, que también está aislado del gas por otro dieléctrico.
Descarga en celdas de geometría coplanarEste tipo de barrera de descarga ocupa una posición intermedia entre las descargas volumétricas y superficiales y se utiliza ampliamente como generadores de radiación ultravioleta para excitar fósforos en paneles de descarga de plasma (TV de plasma) . En tales celdas de descarga, los electrodos están ubicados a lo largo de la superficie a distancias iguales y están cubiertos con una capa dieléctrica desde arriba, se aplica un voltaje a cada par de electrodos y se produce una descarga entre todos los electrodos adyacentes.
Es muy tentador usar este tipo de celdas de descarga para la síntesis de ozono en ellas, especialmente considerando la tecnología bien establecida para crear paneles de descarga, sin embargo, se creó un panel de descarga de gas coplanar para operar en medios inertes, por lo que la celda puede ser operada con oxígeno o aire atmosférico lleno sólo a presión reducida. Un intento de obtener una descarga estable a la presión atmosférica conduce a la ruptura del revestimiento dieléctrico. En el montaje experimental, en la celda de descarga descrita anteriormente, se obtuvieron concentraciones de ozono de hasta 25 mg/l a presiones de 0,2 a 0,5 bar. [3]
La aplicación práctica de celdas de geometría coplanar como ozonizadores es dudosa, a pesar del alto rendimiento de ozono. Estas celdas son muy costosas, no lo suficientemente fuertes y solo pueden operar bajo presión reducida.
Descarga de arcoA la hora de obtener ozono, también es posible utilizar una descarga de arco . La disociación térmica de las moléculas aumenta bruscamente con el aumento de la temperatura. Así, a T=3000 K, el contenido de oxígeno atómico es ~10%. Tales temperaturas (varios miles de grados) se pueden obtener en una descarga de arco a presión atmosférica. Sin embargo, la formación de O 3 no es factible a altas temperaturas, ya que el ozono se descompone más rápido que el oxígeno molecular, pero se pueden crear condiciones de desequilibrio: calentar el gas en una cámara de alta temperatura y luego enfriarlo bruscamente. Esto permite la formación de ozono en superequilibrio. El ozono se obtiene como producto intermedio durante la transición de una mezcla de O 2 + O a oxígeno molecular. La concentración máxima de O 3 en esta versión de la antorcha de plasma alcanza el 1%, es bastante suficiente para muchos fines industriales y, además, es comparable en valor a la obtenida en ozonizadores que utilizan una descarga silenciosa (la mayoría de las veces de barrera). . Las desventajas obvias de este método incluyen combustión de descarga inestable, sobrecalentamiento, sobrepresión, alto consumo de energía y grandes dimensiones de las instalaciones basadas en él. [4] [5]
Descarga de coronaUna descarga de corona se forma cuando el campo eléctrico alrededor del conductor es muy poco homogéneo, se produce ionización en el aire, acompañada de un resplandor, mientras que el conductor está rodeado, por así decirlo, por una corona. El resplandor de la corona no llega al electrodo opuesto, desvaneciéndose en el gas circundante. Según el electrodo de corona, se distinguen una corona negativa y una positiva, y según el método de alimentación, una corona de corriente continua, alterna, pulsada, etc. La cantidad de ozono que se forma en una descarga de corona oscila entre 15 y 25 g por kWh. La ventaja de los ozonizadores basados en descarga corona es, en primer lugar, la simplicidad del diseño y la infinidad del "hueco de descarga". El gas se puede bombear sin resistencia adicional, por ejemplo, a través de una tubería ancha con cable a lo largo del eje. Los ozonizadores basados en descarga de corona se utilizan con mayor frecuencia en instalaciones de ventilación. El rendimiento energético del ozono en una descarga de corona puede alcanzar hasta 200-250 g O 3 por kWh cuando se utiliza una fuente de alimentación con pulsos cortos, con un frente de aumento de voltaje pronunciado. [6] Sin embargo, el uso de generadores de energía tan complejos (que requieren una descarga pulsada de nanosegundos) es una complicación costosa del sistema de producción de ozono.
La síntesis bajo la influencia de la radiación ultravioleta es más fácil de implementar, pero mucho menos productiva. Consiste en hacer pasar un gas que contiene oxígeno a través de un reactor enfriado y transparente a la radiación ultravioleta (por ejemplo, cuarzo), irradiado con una fuente de radiación ultravioleta que tiene un espectro adecuado. Por regla general, se utiliza oxígeno puro como gas. Como fuente para dispositivos caseros, son convenientes las lámparas de mercurio de alta presión (como DRL) sin cilindro. El rendimiento de ozono cuando se usan instalaciones UV es bajo, por lo tanto, este método, por regla general, no se implementa en dispositivos producidos industrialmente.
El uso de lámparas de amalgama de baja presión puede aumentar la producción de ozono.
El ozono puede ser producido por electrólisis . Como electrolito, por ejemplo, se puede usar una solución fuerte de ácido perclórico. Se intenta que el proceso se realice a la menor temperatura posible, lo que aumenta significativamente la productividad del aparato para ozono. Por electrólisis, es posible obtener una mezcla de oxígeno y ozono con un contenido de ozono muy alto (decenas de por ciento). La desventaja de los métodos electrolíticos es el alto costo de los electrolitos y electrodos, que generalmente están hechos de metales nobles.
El ozono se puede formar en cantidades significativas durante la oxidación de ciertas sustancias. El ejemplo más famoso de este tipo de reacción es la oxidación del pineno (el componente principal de la trementina ) con oxígeno atmosférico, lo que da como resultado la formación de una cantidad notable de ozono. El ozono liberado durante esta reacción se puede utilizar para oxidar otras sustancias, ya sea directamente en una mezcla con trementina o después de su separación. Sin embargo, este método tiene una aplicación extremadamente limitada debido al alto costo de las materias primas y los problemas con la separación de los productos de reacción.
Se han hecho repetidos intentos para crear ozonizadores basados en la irradiación de oxígeno con haces de energía. En tales dispositivos, el ozono se forma cuando el oxígeno se expone a varios flujos de partículas: electrones, rayos X y flujos de radiación: partículas α, cuantos γ, etc. El ozono se forma en este caso a partir de la energía de un electrón monocromático. haz de ~6 eV, que corresponde a la disociación de la molécula de O 2 . Esto confirma el mecanismo actualmente aceptado de formación de ozono. Las desventajas comunes de estos métodos son la complejidad del equipo, el bajo rendimiento energético, la indeseabilidad de trabajar con haces de alta energía y una amplia gama de sustancias que se forman cuando el aire se expone a partículas de alta energía. Los ozonizadores construidos según este principio no fueron más allá de los laboratorios y no encontraron aplicación en la industria. [7] [8]
Los ozonizadores no deben confundirse con los ionizadores (como el candelabro de Chizhevsky ). Estos son diferentes dispositivos. Los ionizadores imparten una carga eléctrica negativa adicional a las moléculas de aire y no deberían generar ozono si se ajustan correctamente. El ozono es un agente oxidante muy fuerte y extremadamente tóxico incluso en bajas concentraciones. Encuentra un uso limitado en síntesis industrial (por ejemplo, en la producción de ácido succínico a partir de productos de caucho y productos de desecho), en terapia (la llamada ozonoterapia ). En ocasiones se utiliza para depurar y desinfectar agua potable (por ejemplo, en embarcaciones fluviales) y algunos efluentes industriales [9] que contienen compuestos orgánicos fácilmente oxidables, cuando por una u otra razón no es deseable el uso de oxidantes más tradicionales. Sin embargo, en esta capacidad, es mucho menos eficaz y mucho más caro que ellos. Los ozonizadores también se utilizan para la esterilización de instrumentos médicos.