Otsonisaattori - laite otsonin (O 3 ) tuottamiseksi. Otsoni on hapen allotrooppinen muunnos, joka sisältää kolme happiatomia molekyylissä. Useimmissa tapauksissa otsonin synteesin lähtöaine on molekyylihappi (O 2 ), ja itse prosessia kuvaa yhtälö 3O 2 → 2O 3 . Otsonointi on endoterminen ja helposti palautuva reaktio. Siksi käytännössä toteutetaan toimenpiteitä, jotka edistävät sen tasapainon maksimaalista siirtymistä kohdetuotetta kohti.
Otsonia voidaan tuottaa monella eri tavalla.
Synteesi kaasumaisesta hapesta hiljaisen sähköpurkauksen vaikutuksesta. Tätä tarkoitusta varten korkeajännitelähteeseen kytkettyjen elektrodien väliseen rakoon johdetaan ilmaa tai puhdasta happea. Elektrodeihin syötetty jännite vaihtelee yleensä useista tuhansista useisiin kymmeniin tuhansiin voltteihin. Paras suorituskyky saavutetaan käyttämällä puhdasta happea, kaasua alimmassa mahdollisessa lämpötilassa ja pulssittavaa tasavirtaa. Elektrodien välinen rako ja elektrodien tehollinen pinta-ala määräytyvät käyttöjännitteen ja happea sisältävän kaasun virtausnopeuden mukaan. Metallielektrodit voivat katalyyttisesti hajottaa otsonia joutuessaan kosketuksiin niiden kanssa, joten ne sijoitetaan usein ohuen lasikuoren sisään. Joskus putket, jotka on täytetty johtavalla nesteellä, kuten rikkihapolla, toimivat omituisina elektrodeina. Laitteen suorituskyvyn lisäämiseksi elektrodiparit kerätään usein suuriin pakkauksiin, jotka on jäähdytetty juoksevalla vedellä. Otsonipitoisuus tällaisten reaktorien ulostulossa (riippuen niiden rakenteesta ja happipitoisuudesta lähtökaasuseoksessa) ei yleensä ylitä muutamaa prosenttia, ja ilmakehän ilmaa käytettäessä se on vain prosentin murto-osa. Lisäksi ilmakehän ilmasta hiljaisessa purkauksessa saatu otsonia sisältävä kaasuseos sisältää huomattavan määrän erittäin reaktiivisia typen oksideja, mikä ei ole hyväksyttävää monissa teknologisissa prosesseissa. Siksi puhtaan hapen (joka voidaan ottaa talteen ) käyttö otsonisynteesin raaka-aineena on usein kustannustehokkaampaa kuin ilmakehän ilman käyttö.
EstepurkausEstopurkaus - Purkaus kahden eristeen tai eristeen ja metallin välillä vaihtovirtapiirissä on tehokas ja taloudellinen otsonigeneraattori. [1] [2] Sulkupurkauksen voidaan katsoa johtuvan useista purkauskennotyypeistä.
Tilavuus- ja pintasulkupurkauksetOn pinta- ja tilavuussulkupurkauksia. Tilavuuspurkauksessa elektrodit ovat kaksi metallilevyä tai -liuskaa, jotka on erotettu toisistaan purkausraolla. Toinen niistä (tai molemmat) on eristetty raosta dielektrisellä kerroksella. Pintasulkupurkauksella molemmat elektrodit sijoitetaan eristelevyn toiselle puolelle ja purkaus palaa niiden välissä kaasussa eristeen toisella puolella lähellä sen pintaa. Kaasun rikkomiseen käytetään apuelektrodia, joka on myös eristetty kaasusta toisella eristeellä.
Purkaus koplanaarisen geometrian soluissaTämän tyyppinen sulkupurkaus on väliasemassa tilavuus- ja pintapurkausten välillä, ja sitä käytetään laajalti ultraviolettisäteilyn generaattoreina loisteaineiden virittämiseksi plasmapurkauspaneeleissa (plasmatelevisioissa) . Tällaisissa purkauskennoissa elektrodit sijaitsevat pintaa pitkin yhtä etäisyyksillä ja ne on peitetty ylhäältä dielektrisellä kerroksella, jokaiseen elektrodipariin syötetään jännite ja kaikkien vierekkäisten elektrodien välillä tapahtuu purkaus.
On erittäin houkuttelevaa käyttää tällaisia purkauskennoja niissä olevan otsonin synteesiin, varsinkin kun otetaan huomioon vakiintunut purkauspaneelien luomistekniikka, mutta koplanaarinen kaasupurkauspaneeli luotiin toimimaan inertissä väliaineessa, joten kennoa voidaan käyttää. hapella tai ilmakehän ilmalla, joka on täytetty vain alennetussa paineessa. Yritys saada aikaan vakaa purkaus ilmakehän paineessa johtaa dielektrisen pinnoitteen hajoamiseen. Kokeellisessa asetelmassa yllä kuvatussa purkauskennossa otsonipitoisuudet saatiin jopa 25 mg/l paineissa 0,2 - 0,5 bar. [3]
Koplanaarisen geometrian solujen käytännön soveltaminen otsonointiaineina on kyseenalainen, vaikka otsonin saanto on melko korkea. Nämä kennot ovat erittäin kalliita, eivät tarpeeksi vahvoja ja pystyvät toimimaan vain alennetussa paineessa.
ValokaaripurkausOtsonia hankittaessa on myös mahdollista käyttää kaaripurkausta . Molekyylien terminen dissosiaatio lisääntyy jyrkästi lämpötilan noustessa. Siten, kun T=3000 K, atomihappipitoisuus on ~10 %. Tällaisia lämpötiloja (useita tuhansia asteita) voidaan saavuttaa ilmakehän paineen kaaripurkauksessa. O 3 :n muodostuminen ei kuitenkaan ole mahdollista korkeissa lämpötiloissa, koska otsoni hajoaa nopeammin kuin molekyylihappi, mutta voidaan luoda epätasapainoisia olosuhteita: lämmitä kaasu korkean lämpötilan kammiossa ja jäähdytä sitten voimakkaasti. Tämä mahdollistaa otsonin supertasapainon muodostumisen. Otsonia saadaan välituotteena O 2 + O -seoksen siirtymisen aikana molekyylihapeksi. O 3 :n maksimipitoisuus tässä plasmapolttimen versiossa saavuttaa 1%, se on varsin riittävä moniin teollisiin tarkoituksiin, ja lisäksi sen arvo on verrattavissa hiljaisella purkauksella (useimmiten sulku) otsonointilaitteissa saatuun. . Tämän menetelmän ilmeisiä haittoja ovat epävakaa purkauspoltto, ylikuumeneminen, ylipaine, suuri virrankulutus ja siihen perustuvien asennusten suuret mitat. [4] [5]
KoronapurkausKoronapurkaus muodostuu, kun sähkökenttä johtimen ympärillä on erittäin epähomogeeninen, ilmassa tapahtuu ionisaatiota, johon liittyy hehkua, kun taas johdinta ympäröi ikään kuin korona. Koronan hehku ei saavuta vastakkaista elektrodia, vaan se häipyy ympäröivässä kaasussa. Koronaelektrodista riippuen erotetaan negatiivinen ja positiivinen korona ja virransyöttötavasta riippuen tasa- ja vaihtovirta, pulssi jne. Koronapurkauksessa muodostuvan otsonin määrä vaihtelee välillä 15-25 g per kWh. Koronapurkaukseen perustuvien otsonointilaitteiden etuna on ennen kaikkea suunnittelun yksinkertaisuus ja "purkausraon" äärettömyys. Kaasu voidaan pumpata ilman lisävastusta, esimerkiksi leveän putken läpi, jossa on lanka akselia pitkin. Koronapurkaukseen perustuvia otsonoijia käytetään yleisimmin ilmanvaihtorakenteissa. Otsonin energiatuotto koronapurkauksessa voi nousta jopa 200-250 g O 3 :a kWh:ta käytettäessä lyhyillä pulsseilla jyrkän jännitteen nousun rintamalla. [6] Tällaisten monimutkaisten sähkögeneraattoreiden (jotka vaativat nanosekunnin pulssipurkauksen) käyttö on kuitenkin kallis komplikaatio otsonintuotantojärjestelmässä.
Ultraviolettisäteilyn vaikutuksen alainen synteesi on helpompi toteuttaa, mutta paljon vähemmän tuottava. Se koostuu siitä, että happea sisältävä kaasu johdetaan jäähdytetyn ja ultraviolettisäteilylle läpinäkyvän (esimerkiksi kvartsi) reaktorin läpi, joka on säteilytetty ultraviolettisäteilylähteellä, jolla on sopiva spektri. Kaasuna käytetään yleensä puhdasta happea. Kotitekoisten laitteiden lähteenä korkeapaineelohopealamput (kuten DRL) ilman sylinteriä ovat käteviä. Otsonin saanto UV-asennuksia käytettäessä on alhainen, joten tätä menetelmää ei pääsääntöisesti käytetä teollisesti valmistetuissa laitteissa.
Matalapaineamalgaamilamppujen käyttö voi lisätä otsonin saantoa.
Otsonia voidaan tuottaa elektrolyysillä . Elektrolyyttinä voidaan käyttää esimerkiksi vahvaa perkloorihapon liuosta. Prosessi pyritään toteuttamaan mahdollisimman alhaisessa lämpötilassa, mikä lisää merkittävästi otsonilaitteiston tuottavuutta. Elektrolyysillä on mahdollista saada happi-otsoniseos, jonka otsonipitoisuus on erittäin korkea (kymmeniä prosenttia). Elektrolyyttisten menetelmien haittana on yleensä jalometalleista valmistettujen elektrolyyttien ja elektrodien korkea hinta.
Otsonia voi muodostua merkittäviä määriä tiettyjen aineiden hapettumisen aikana. Tunnetuin esimerkki tämäntyyppisestä reaktiosta on pineenin ( tärpätin pääkomponentin ) hapetus ilmakehän hapella, mikä johtaa huomattavan määrän otsonia muodostumiseen. Tämän reaktion aikana vapautuvaa otsonia voidaan käyttää muiden aineiden hapettamiseen joko suoraan tärpätin seoksessa tai sen erottamisen jälkeen. Tällä menetelmällä on kuitenkin erittäin rajallinen käyttökohde johtuen raaka-aineiden korkeista kustannuksista ja reaktiotuotteiden erotteluongelmista.
Toistuvasti on yritetty luoda otsonointilaitteita, jotka perustuvat hapen säteilytykseen energiasäteillä. Tällaisissa laitteissa otsonia muodostuu, kun happi altistuu erilaisille hiukkasvirroille: elektroneille, röntgensäteille ja säteilyvirroille: α-hiukkasille, γ-kvanteille jne. Otsonia muodostuu tällöin monokromaattisen elektronin energiasta alkaen. ~6 eV säde, mikä vastaa O 2 -molekyylin dissosiaatiota . Tämä vahvistaa tällä hetkellä hyväksytyn otsonin muodostumismekanismin. Näiden menetelmien yleisiä haittoja ovat laitteiston monimutkaisuus, alhainen energian tuotto, ei-toivottu työskentely suurienergisten säteiden kanssa ja laaja valikoima aineita, joita muodostuu, kun ilma altistuu korkeaenergisille hiukkasille. Tämän periaatteen mukaan rakennetut otsonaattorit eivät menneet laboratorioiden ulkopuolelle, eivätkä ne löytäneet käyttöä teollisuudessa. [7] [8]
Otsonointilaitteita ei pidä sekoittaa ionisaattoreihin (kuten Chizhevskyn kattokruunu ). Nämä ovat erilaisia laitteita. Ionisaattorit antavat ylimääräisen negatiivisen sähkövarauksen ilmamolekyyleihin, eivätkä ne saa tuottaa otsonia, jos ne on säädetty oikein. Otsoni on erittäin voimakas hapetin ja erittäin myrkyllinen pieninäkin pitoisuuksina. Sitä käytetään rajoitetusti teollisessa synteesissä (esimerkiksi meripihkahapon valmistuksessa kumituotteista ja jätetuotteista), terapiassa (ns. otsonihoito ). Joskus sitä käytetään juomaveden (esim. jokialuksilla) ja joidenkin helposti hapettuvaa orgaanista ainetta sisältävien teollisuuden jätevesien [9] puhdistamiseen ja desinfiointiin , kun perinteisempien hapettimien käyttö ei syystä tai toisesta ole toivottavaa. Kuitenkin tässä ominaisuudessa se on paljon vähemmän tehokas ja paljon kalliimpi kuin ne ovat. Otsonointilaitteita käytetään myös lääketieteellisten instrumenttien sterilointiin.