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Produzione dell'ozono

Temperatura acqua di raffreddamento Umidita' dell'aria in ingresso

Purezza gas in ingresso Ingresso di ozono contro ossigeno

A causa del suo tempo di dimezzamento radiattivo relativamente breve, l'ozono viene prodotto sempre sul posto da un generatore di ozono. I due metodi principali di produzione di ozono sono luce-UV e scarica corona. La produzione di ozono per effetto corona è più comune al giorno d'oggi e presenta maggiori vantaggi. Tali vantaggi sono una maggiore sostenibilita' dell'unita', più alta produzione di ozono e maggiore convenienza nei costi.
La radiazione Uv può essere realizzabile dove e' richiesta la produzione di piccole quantita' di ozono (per esempio in laboratori) [3,67]. In questo capitolo verra' descritto soltanto il primo principio accennato.
Un'unità di produzione dell'ozono tramite effetto corona consiste nelle seguenti parti: una sorgente di ossigeno, i filtri antipolvere, essiccatori del gas, generatori di ozono, unita' di contatto e distruzione a torcia [5].
Nel generatore di ozono e' presente l'elemento responsabile dell'effetto corona, che fornisce un carico capacitivo. Qui l'ozono è prodotto dall'ossigeno come risultato diretto della scarica elettrica. Questa scarica elettrica rompe la stabile molecola di ossigeno e forma due radicali ossigeno. Questi radicali si possono combinare con le molecole di ossigeno per formare l'ozono. Controllare e mantenere la scarica elettrica, è presente un dielettrico, contenuto in ceramica o vetro. Il calore eccessivo degli elettrodi è raffreddato spesso da acqua di raffreddamento, o da aria (figura 1) [3].

Figura 1: schema della produzione dell'effetto corona

Per la produzione di ozono, può essere usata aria atmosferica (fornita da un compressore) o ossigeno puro (che puo' essere fornita da un generatore di ossigeno, o a volte in bottiglie di ossigeno). Per condizionare tale aria, sono utilizzati essiccatori di aria e filtri per polvere.
Per distruggere l'ozono restante dopo l'uso sono applicati distruttori di ozono. Il meccanismo di un distruttore dell'ozono può basarsi su principii diversi. Di solito viene applicato un catalizzatore, che accelera la decomposizione dell'ozono in ossigeno (per esempio ossido di magnesio).
La produzione di ozono richiede molta energia, e circa il 90 % dell'alimentazione fornita al generatore è utilizzata per produrre luce, suono e calore primario [1,3]. Importanti fattori che influenzano la produzione di ozono sono: concnetrazione di ossigeno come gas in ingresso, umidità e purezza del gas in ingresso, temperatura dell'acqua di raffreddamento e parametri elettrici. Per minimizzare l'energia usata ad un alto rendimento di ozono è importante ottimizzare tali fattori.

Temperatura dell'acqua di raffreddamento

La prduzione di ozono è accompagnata dalla formazione di calore. Ciò rende importante raffreddare il generatore. Una reazione dell'ozono è reversibile e cio' aumenta quando la temperatura aumenta. Di conseguenza, si formano più molecole di ossigeno:

- ∆T

3O2 ⇌ 2O3

+ ∆T

La figura 2 illustra il rapporto fra la temperatura dell'acqua di raffreddamento ed il rendimento della produzione di ozono. Tale figura mostra che all'aumentare della temperatura dell'acqua di raffreddamento la produzione di ozono diminuisce [1,5]. Per limitare la decomposizione dell'ozono, la temperatura nel buco di scarico non dovrebbe essere superiore ai 25 °C. Il consiglio generale è che l'acqua di raffreddamento può aumentare al massimo da 5°C a 20°C . È importante che la temperatura dell'aria dell'ingresso non sia troppo alta.

Figura 2: infuenza dell'acqua di raffeddamento sull'efficienza di produzione di ozono

Ingresso aria umida

Prima che il gas di alimentazione entri nel generatore di 'ozono, gli essiccatori d'aria dovrebbero asciugare l'aria. L'aria ambiente contiene elevata umidità, che reagisce con l'ozono. Ciò porta ad una riduzione del rendimento dell'ozono per KWh. Un problema supplementare derivante dall'alta umidità è la presenza di reazioni indesiderate nell'unità della corona. Quando sono presenti quantita' elevate di vapore acqueo, si formano maggiori quantità di ossidi di azoto sono quando avviene lo scarico delle scintille. L'ossido di azoto può formare acido nitrico, che può causare la corrosione.
Inoltre, si formano idrossido-radicali che si uniscono con i radicali dell'ossigeno e con l'ozono. Tutte queste reazioni riducono la capacità del generatore di ozono [3,5].

La figura 3 mostra l'influenza dell'umidità sulla capacità del generatore di ozono. Le due linee in discesa illustrano la capacità del generatore: 'ossigeno' per un generatore alimentato ad ossogeno e 'aria' per un generatore alimentato ad aria. Ad un punto di rugiada di -10°C, la capacità del generatore alimentato ad aria è soltanto il 60% della capacita' totale realizzabile. Per i generatori di ozono alimentati con ossigeno, tale capacita' è più alta, circa l'85% [3]

Figura 3: Infuenza dell'umidita' dell'aria in ingresso sull'efficienza di produzione dell'ozono

Per impedire queste reazioni secondarie, l'aria in ingresso passa in una camera di essiccamento prima che venga prodotto ozono. Per l'essiccamento puo' essere usato un composto di alluminio, paragonabile ad un gel di silicio. In un generatore di ozono due o più camere di essiccamento sono usate alternativamente. Quando una camera di essiccamento è usata per un determinato periodo di tempo, l'aria umida è portata all'altra camera di essiccamento, mentre il primo è rigenerato.

Purezza del gas (ingresso)

La presenza di impurità organiche nel gas di alimentazione deve essere evitata, includendo le impurità provenienti dallo scarico del motore, perdite nei gruppi di raffreddamento, o perdite nei sistemi di raffreddamento degli elettrodi. Il gas fornito al generatore deve essere molto pulito. Un esempio è riportato in figura 4, dove la concentrazione degli idrocarburi è collegata al rendimento dell'ozono. Questa figura indica che ad una concentrazione di idrocarburi di circa l'1%, la produzione di ozono si avvicina quasi a zero [5].

Figura 4: Inflenza degli idrocarburi nel tenore di produzione dell'ozono

Quantita' di ozono prodotto in funzione della concentrazione di ossigeno nell'aria di ingesso

L'ozono è prodotto da ossigeno, quindi può essere prodotto da aria ambiente (21 % di ossigeno) o da ossigeno quasi puro (per esempio 95 %). L'ossigeno puro può essere prodotto da aria ambiente da un generatore di ossigeno. La concentrazione di ozono che un generatore di ozono trasporta dipende dal tenore di ossigeno (tra gli altri fattori). Ciò è rappresentato in figura 7, dove è indicata la concentrazione di ossigeno rispetto alla concentrazione di ozono. Le varie linee dimostrano i generatori dell'ozono con uso diverso di energia. Riassumendo, si può affremare che la produzione di ozono aumenta di un fattore compreso tra 1.7 a 2.5 quando e' usato ossigeno puro, a corrente elettrica costante [3,5].

Figura 7: Influenza della concentrazione di ossigeno nella produzione di ozono a diverse correnti elettriche

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