DE2539715A1

DE2539715A1 - Vorrichtung zur herstellung von ozon

Info

Publication number: DE2539715A1
Application number: DE19752539715
Authority: DE
Inventors: Pavel Dr Imris
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-09-06
Filing date: 1975-09-06
Publication date: 1977-04-07
Also published as: US4062748A; FI762461A; SE416463B; AT354402B; FR2322826B1; ATA635176A; CH594560A5; FR2322826A1; SE7609522L; BE845451A; NO763033L; DE2539715B2; GB1511816A; NO143019C; DE2539715C3; NL7609819A; NO143019B; JPS5248587A; IT1065361B; CA1067857A

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Ozon

Die Erfindung betrifft eine Torrichtung zur Herstellung von Ozon, wobei Luft oder Sauerstoff durch zwei in einem Gehäuse sich gegenüberstehende Hochspannungselektroden hindurchgeleitet und durch elektrische Entladung in Ozon umgewandelt wird.

Vorrichtungen zur Erzeugung von Ozon sind bekannt. Die Spaltung der- Sauerstoffmoleküle kann durch Zufuhr thermischer Energie erzwungen werden. Diese Methode führt aber nur zu einer geringen Ozonausbeute, da erhöhte Temperatur gleichzeitig den endothermen Zerfall des Ozons begünstigt. So befindet sich selbst bei 2ooo ⁰C erst etwa ein Volumenprozent Ozon im Sauerstoffgleichgewicht, von dem beim raschen Abkühlen nur etwa 1/1 ο # übrig bleibt, weil mit fallender Temperatur der exotherme Gesamtzerfall des Ozons fortschreitet.

Es ist daher zweckmäßiger, die Sauerstoffatome bei niedriger Temperatur durch Zufuhr elektrischer, optischer oder chemischer Energie zu erzeugen und dann weiterreagieren zu lassen, da sich bei niedrigen Temperaturen das Zerfallsgleichgewicht bei Abwesenheit von Katalysatoren nur äußerst langsam einstellt, so daß das

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einmal gebildete Ozon als metastabile Verbindung erhalten bleibt, Die Zufuhr von elektrischer Energie kann bspw. im sogenannten "Siemensschen Ozonisator" erfolgen, der im Prinzip aus zwei ineinander gestellten Glasröhren besteht, deren Außen- bzw. Innenwand mit Wasser gekühlt und mit den Enden eines Induktoriums leitend verbunden ist. In dem engen Ringraum zwischen den Glasröhren treten bei Anlegen der Spannung elektrische Entladungen auf, durch welche ein trockener Sauerstoff- oder Luftstrom geleitet wird. Das den Ozonisator verlassende Gemisch besteht dabei im besten Falle zu 15 $ aus Ozon.

Der mögliche Verwendungsbereich vom Ozon wird bisher deshalb nicht voll genutzt, weil die Kosten der Erzeugung des Ozons zu groß sind. Die heutigen Methoden zur Herstellung des Ozons benötigen zu viel teure Energie, und bei den bekannten Ozonisatoren werden nur fünf bis fünfzehn Prozent der elektrischen Energie für die Herstellung von Ozon ausgenutzt, wobei die restliche Energie in Wärme umgesetzt wird.

Die bekannteste Methode zur Erzeugung von Ozon ist bis heute die der elektrischen Entladung in Luft oder Sauerstoff. Diese Entladung erfolgt im Spalt zwischen zwei isolierten, mit Wechselstrom beaufschlagten Elektrdiden. In der ersten Periode sammeln sich auf der Oberfläche einer Elektrode positive und auf dem gegenüberliegenden Isolator sammeln sich negative Ionen, die sich in der zweiten Periode entladen. Diese gegenwärtig bekannten Ozonisatoren können nicht mit Gleichstrom betrieben werden, weil Gleichstrom nicht durch die Isolatoren durchschlagen kann. Gleichstrom-Ozonisatoren sind zwar auch bekannt, hatten aber bislang aber nur Bedeutung für wissenschaftliche Zwecke. Ein in-

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dustrieXler Einsatz ist nicht erfolgt, obgleich klar war, daß Grleichstrom-Koronaozonisatoren einfacher und wirtschaftlicher zu bauen und zu betreiben sind.

Eine Verbesserung hierzu stellt ein Ozonisator nach der DT-PS 2 165 249 dar, der bereits eine wesentliche Erhöhung der Ozonausbeute gewährleistet, allerdings erfordert dieser für die Erzeugung der Korona zwei elektrische Felder, eine Hochspannung von etwa 6o ooo Volt mit entsprechend hohen Anforderungen an das Konstruktionsmaterial und schließlich muß ein Trockner für das umzusetzende gasförmige Medium vorgeschaltet werden, da mit zunehmender Feuchte die Ozonausbeute beachtlich absinkt. Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen, d.h., es soll eine Vorrichtung geschaffen werden, die die Ozonausbeute nooh wesentlich in Bezug auf die G-esamtenergiebilanz verbessert und bei der eine Vortrockunung und ggf. Kühlung nicht mehr erforderlich sind. Diese Aufgabe ist mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Gehäuse als schlankes, beidseitig offenes Rohr aus elektrisch nicht leiten dem Material, wie Hart-PVC o.dgl., ausgebildet ist, wobei zwischen den beiden gegenüberliegend angeordneten, sich etwa über die ganze Rohrinnenlänge erstreckenden Elektroden mindestens eine bipolare, elektrisch zu- und ableitungsfreie, den Rohrinnenraum des Rohres in Entladungskanäle teilende Elektrode angeordnet ist, die aus einer Fläohe, wie Gitter, gelochtes Blech o.dgl·, und aus darauf angeordneten, gegen die geerdete Elektrode gerichtete Entladungsepitzen gebildet ist, und wobei die Entladungselektrode gegen die Pläche der bipolaren Elek-

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trode gerichtet, ebenfalls mit einer Vielzahl angeordneten Etladungsspitzen versehen isto

Diese erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur wesentlich einfacher im Aufbau - abgesehen davon, daß sonst vorzuschaltende Kühl- und Trocknungseinrichtungen entbehrlich werden sie führt auch zu einer wesentlich höheren Ozonausbreite und verlangt keine Vortrocknung der lufto Auf Grund der erreichbaren guten Ausbeute kann daher Ozon als starkes Oxidationsmittel günstiger auf bspw_e folgenden Gebieten in stärkerem Umfang als bisher eingesetzt werden: Trinkwasserbehandlung, industrielle Wasserreinigung, Luftverbesserung, Medizin, Chemie, Lebensmittellagerung uswo Bezüglich der bisherigen Ozonerzeugung würde festgestellt, daß sich bei einer stillen Entladung Ozon im wesentlichen nur in dem Teil der Entladung bildet, der mit einem blau-violetten Lichtbogen leuchtet. Dieser Lichtbogen hat aber nur eine Länge von 2 - 3 mm gegenüber einer Gesamtentladungsstrecke von bspw_e 35 mm. Durch die spezielle Ausbildung der Vorrichtung wird erreicht, daß sich dieser Lichtbogen wesentlich vergrößert, nämlich auf eine Länge von etwa 12-25 mm. Wie erwähnt, sind Trocknung und Kühlung nicht erforderlich» Ein Dielektrikum, wie bei der Vorrichtung nach DT-PS 2 165 249» ist nicht mehr erforderlich,, und die Vorrichtung kommt mit einer Gleichstromquelle mit nur oa. 15 ooo bis 3o ooo Volt aus. Für den Bau der Vorrichtung - abgesehen von einem kleinen Teil (Elektroden) aus bspw. rostfreiem Stahl - kann die Vorrichtung aus preiswertem Material bspw· Hart-PVO erstellt werden·

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Der absolute Druck der Gaszuführung zur Vorrichtung kann wesentlich höher sein als bei bekannten Systemen, was ebenfalls vorteilhaft ist, denn trotz des möglichen höheren Druckes produziert die erfindungsgemäße Vorrichtung etwa 1ooo χ weniger nitrose Gase als Wechselstrom-Ozonisatoren. Die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreichbare Ozonausbeute bzw« die Ozon-Volumen-Konzentration ist ca. zweimal größer als bei bekannten Ozonisatoren und dies ohne Vortrocknung und Kühlung der zugeführten Medienο

Da die Vorrichtung ohne Trockner und Kühler auskommt, ist sie einerseits wesentlich weniger raumbeansprüchend und kann außerdem dichter am Ort des Ozonverbrauchs installiert werden.

Bezüglich der erreichbaren besseren Ozonausbeute kann nur vermutet werden, daß durch die Kammeraufteilung des Rohres,mittels der bipolaren Elektrode um die Entladungselektrode gewissermaßen ein Druckraum entsteht, in dem die erzeugten Ionen, die nicht mehr direkt zur angeschlossenen Gegenelektrode gelangen können, die Flamme bzw. den Lichtbogen zusammenpressen. Der schmalere und längere Lichtbogen scheint aber den erzeugten Ozonmolekülen eine größere Chance zu geben, unbeeinträchtigt den Lichtbogenwirkungsbereich passieren zu können, d.h. der sonst unvermeidlich teilweise Zerfall der Ozonmoleküle wird offenbar reduziert, so daß in diesem Bereich eine insgesamt höhere Ozonausbeute erreichbar ist. Im oberen Teil des Vorriohtungsrohres, d„h_o über der hier als bipolar bezeichneten, aber keinerlei elektrische Anschlüsse aufweisenden Elektrode, geht die Ozonerzeugung normal und wie üblich vor sich, d.h. dort findet mit der Erzeugung auch wieder ein gleichzeitiger

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Zerfall von erzeugten Ozonmolekülen statt. Als Bipolarlektrode wird das zwischengeschaltete und das Rohr aufteilende Element deshalb bezeichnet, weil sie an den Spitzen und an der anderen' Fläche, die gegen die Entladungselektrode weist, unterschiedliche Ladungsverhältnisse aufweist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungsmöglichkeiten, werden nachfolgend an Hand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläuterte

Es zeigen schematisch Mg. 1 teilweise im Schnitt und in Ansicht eine einfache

Ausführungsform der Vorrichtung; lig. 2 einen Längsschnitt durch das Rohr der Vorrichtung

gemäß Fig. 1}
Fig. 3 einen Schnitt durch das Rohr ähnlich dem gemäß Fig.

in anderer Ausführungsform; Figo 4 eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung mit

konzentrischer Anordnung der Entladungskanäle j Fig. 5 im Schnitt eine weitere mögliche Ausführungsform

des Rohres;
Fig. 6 im Schnitt die Anordnung mehrerer Entladungs- bzw,

Erzeugerrohre in einem gemeinsamen Gehäuse; Fig. 7 in perspektivischer Darstellung eine besondere Aus-

führungsform der bipolaren Elektroden und Fig. 8 ein Diagramm mit der Ozonausbeute pro KWh über der

Taupunktstemepratur der zugeführten Medien»

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In den Figuren sind bezeichnet mit 1 das die Entladungskanäle 4, 5 enthaltende Gehäuse aus vorzugsweise Hart-PVC, mit 2 die Entladungselektrode, mit 3 die gegenüberliegend angeordnete, geerdete Gegenelektrode, mit 6 die bipolare, von elektrischen Anschlüssen freie Elektrode, mit 7 deren Fläche in Form eines Gitters, mit 8 bzw. 8' die Spitzen der Elektroden 2, 6, mit 9 die die Spitzen tragende Leiste der Elektrode 2 aus vorzugsweise Edelstahl, mit 10 die Schmalseite des Gehäuses und mit 11 dessen Breitseite· 19 ist ein geeigneter Gleichstromhochspannungsgenerator, der über Leitungen 20, 21 mit den Elektroden 2, 3 in Verbindung steht.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die Älektrodenleisten 9, 9¹ und die ebenfalls vorzugsweise gitterartig ausgebildete Elektrode 3 etwas kürzer gehalten sind als die Länge der durch die Elektrode 6 getrennten bzw. gebildeten Entladungskanäle 4, 5· Dies ist insbesondere für den Fall vorgesehen, bei dem mehrere Rohre bzw. Gehäuse 1 zusammengebündelt angeordnet werden, damit kein Stromüberschlag im Anschlußbereich der Leitungen 20, 21 stattfinden kann.

Gemäß Fig. 3 können auch mehrere Elektroden 6 zwischengeordnet werden, wodurch sich gewissermaßen eine Entladungskaskade ergibt.

Wie aus Fig. 2 erkennbar, ergeben sich im Entladungskanal 4 an den Spitzen 8 relativ lange und schmale Lichtbögen, während im Entladungskanal 5 an den Elektrodenspitzen 8¹ eine normale Entladung mit kurzem blau-violetten Lichtbogen 22 auftritt, der nur zur normalen und bisher üblichen Ozonausbeute führt, wobei im angedeuteten Streubereioh 23 der abstrahlenden Elek-

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tronen die Wahrscheinlichkeit des Zerfalls bzw. der Zerstörung der gebildeten Ozonmoleküle weitaus größer ist als im Bereich der schlanken Lichtbogenflämmen 24 an den Spitzen 8· Die Luft oder der Sauerstoff treten weder besonders gekühlt noch getrocknet linns in das Rohr und rechts wird der gebildete Ozon abgezogen bzw« ausgeblasen.

Bei ca. 2o ooo Volt beginnt an den Spitzen 8 im Entladungskanal 4 die Koronaentladung, wobei sich nach weiterer Spannungserhöhung die langen, schlanken Lichtbögen 24 ergeben, während sich an den Spitzen 8' im Entladungskanal 5 eine stille Entladung ergibt, die zu einer etwa fünffach kleineren Ozonausbeute führt.

Die Fläche 7 der bipolaren Elektrode 6 kann aus einer Metallplatte gebildet sein, die gelocht sein kann,oder sie kann vorzugsweise gitterförmig ausgebildet sein. Die Leiste 9¹ wird bspw. punktverschweist auf der Fläche 7 senkrecht fixiert, während die Leiste 9 in eine geeignet ausgebildete Nut 13 des Gehäuses eingeschoben wird. Für die Fixierung der Fläche 7 -and der Elektrode 3, für die ebenfalls vorzugsweise ein Metallgitter benutzt wird, sind ebenfalls Hüten 13 an entsprechenden Stellen der G-ehäus©wandungen vorgesehen. Die Spitzen 8 bzw. 8¹ können sägezahnartig oder, wie rechts in Fig. 2 angedeutet, nadelartig ausgebildet sein.

Aus herstellungstechnischen Gründen ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spitzen 8' einheitlich mit der Fläche 7 derart hergestellt werden, daß die Fläche 7 mit mindestens einer Flächenfaltung 26 im Sinne der Fig. 7 versehen wird, wobei im Bereich der Flächenfaltung 26 Öffnungen 27 vorgesehen sind·

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Vorteilhaft wird an die Elektrode 2 die Pluspolarität angelegt, was die beste Ausbeute an Ozon erbringt.

Der Abstand zwischen den Spitzen 8 bzw. 8'und der bipolaren Elektrode 6 bzw. der Elektrode 3 wird vorzugsweise auf etwa 25 mm bemessen. Der öffnungswinkel (Fig.1) des Gehäuses mißt

vorzugsweise etwa 6o°.

Eohre nach den Fig. 1-3 lassen sich ohne weiteres als Einzelrohre im Kreisverband bündeln(nicht dargestellt) oder die Entladungskanäle 4,5 lassen sich auch im Sinne der Fig. 4 konzentrisch in einem Außenrohr 24 mit radialen Zwischenwänden 12 ausbilden. Falls dabei die Elektrode 2 durch ein Metallrohr, wie dargestellt, gebildet wird, ist dieses an seinen Enden verschlossen.

Die dargestellte Dreiecksform ist zwar vorteilhaft, aber nicht unbedingt bindend . Vorrichtungsformen bzw. Rohrquerschnitte im "Sinne der Fig. 5 sind auch ohne weiteres anwendbar, ebenso wie eine Trapezform(gestrichelt in Fig.5 angedeutet). Am Bau- und Funktionsprinzip ändert sich dabei nichts. Gemäß Fig. 6 können mehrere Einzelrohre oder gebündelte Anordnungen im Sinne der Fig. 4 in einem Gehäuse 16 zwischen Halteelementen 17,18 angeordnet werden, wobei das gasförmige Medium mit einem Gebläse 25 eingeblasen wird. Gebildetes Ozon fließt bei Anschluß 15 ab zur Verbraucherstelle.

Fig.8 ist ein Diagramm, das die Ozon-Produktionsleistung pro Kwh abhängig von der absoluten Luftfeuchtigkeit zeigt, die definiert ist mit der Taupunktstemperatur in Grad Celsius. Kurve I zeigt die Ozon-Produktionsleistung von bekannten Wechselstrom-Ozonisatoren, bei Zufuhr von Luft. Aus dieser Kurve ist

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ersichtlich, daß "bei einer Taupunktstemperatur von +2o ⁰O die Ozonisatoren nur ca 2o g 0-,/Kwh erzeugen. Kurven II und III zeigen demgegenüber die Ozon-Produktionsleistung der beschriebenen Vorrichtung. Bei Taupunktstemperatür 0 ⁰C ist diese höher, wenn die Gaseinführung Luft ist. Kurve III zeigt die Leistung, wenn die Gaseinfuhr aus einem Gemisch von 9o$ Sauerstoff und 1o $ Stickstoff besteht. Alle drei Kurven machen deutlich, daß die Ozonausbeute von der Feuchtigkeit abhängig ist. Der wesentliche Vorteil der beschriebenen Vorrichtung besteht darin, daß dieser Ozonisator bei höherer Feuchtigkeit zwei- bis dreimal mehr Ozon/Kwh erzeugt als die bekannten Ozonisatoren, was bedeutet, daß die beschriebene Vorrichtung im Gegensatz zu den bekannten Systemen überhaupt keinen teuren Lufttrockner benötigt.

Die beiliegende Tabelle macht weitere Vorteile deutlich: Zum Bsp. kann der absolute Druck des einzuführenden Gases vielfach höher sein als bei bekannten Ozonisatoren. Bei bekannten Ozonisatoren wird bei höheren Drücken nitroses Gas erzeugt, das bei der beschriebenen Vorrichtung in ca 1ooo mal geringerem Umfang produziert wird.

Zu weiteren Resultaten gehören die elektrischen Eigenschaften der Korona in den verschiedenen Kaskaden. Ein wichtiger elektrischer Parameter ist die Spannungsverteilung durch die Länge der Elektroden. Die Spannungsverteilung im Kanal 4 ist 75o V pro Millimeter Länge. Im Kanal 5 beträgt diese 4oo V pro Millimeter der Länge(Abstand zwischen den Elektroden), d.h., die untere Kaskade hat bei der Koronaentladung ca zweimal mehr Energie als die obere Kaskade. Dadurch ist es möglich, daß die Ozon-

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Produktionsleistung in der unteren Kaskade mit der höhren Spannung größer ist als in der oberen, ohne daß dabei, offenbar bedingt auch, durch den schlanken Lichtbogen, ein gleichzeitiger entsprechender Ozonmolekülzerfall auftritt.

Die Verwendung der beschriebenen Vorrichtung ist zwar insbesondere für die Ozongewinnung bestimmt, was aber andere Einsatzmöglichkeiten nicht ausschließt. So kann die Vorrichtung auch für andere elektrochemische Synthesen zum Einsatz kommen, bspw. für die Synthese des Amoniums nach der Formel:

1/2 N₂ + 3/2 H₂ + Energie = BH-

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TABELLE

	Erzeugung von Ozon	Vertikaler Tuben-Osonator	Maximum	Vertikaler Platt en-Ozonator	Maximum	Beschriebene	Maximum	Vorrichtung	Maximum
Parameter	Luft	1	Luft	1	Luft	1.8	Sauerstoff	1,8
Gaseinführung	Minimum	-43	Minimum	-43	Minimum	+45	Minimum	+45
Minimum und Maximum Daten	0,7	20	0,7	20	0,7	38	0,7	55
Absoluter Druck (Atm)	-60	1,65	-60	1,67	-30	2,8	-20	4,2
Luftfeuchtigkeit Taupunkt (G⁰)	15	62	15	55	7	140	11	250
Ozon-Volumen Konz. (mgOj/l)	1,25	5,2	1,25	4,6	0,6	11,6	0,8	20,8
Ozon-Gewient Prozent (wt#)	' 56	49	80	150
Ozon-Produktions leistung (gOyKty&td	4,6	4,0	*6_f6*	12,5
Prozent O3 von theoretisch. Einheit ($)

cn co co

Leerseite

Claims

Patentansprüche :

1. Vorrichtung zur Herstellung von Ozon, wobei Luft oder Sauerstoff durch zwei in einem Gehäuse sich gegenüberstehende Hochspannungselektroden hindurchgeleitet und durch elektrische Entladung in Ozon umgewandelt wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß das Gehäuse (1) als schlankes, beidseitig offenes Rohr aus elektrisch nicht leitendem Material, wie Hart-PVC od. dgl. ausgebildet ist, wobei zwischen den beiden, sich etwa über die ganze Rohrinnenlänge erstreckenden Elektroden (2,3) mindestens eine bipolare, elektrisch zu- und ableitungsfreie, den Rohrinnenraum in Entladungskanäle (4-,5) teilende Elektrode (6) angeordnet ist, die aus einer Fläche, wie Gitter, Blech, gelochtes Blech od. dgl. und aus darauf angeordneten, gegen die geerdete Elektrode (3) gerichteten Entladungsspitzen (8) gebildet ist und wobei die Entladungselektrode (2), gegen die Fläche (7) der bipolaren Elektrode (6) gerichtet, ebenfalls mit einer Vielzahl von Entladungsspitzen (8) versehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Rohr im Querschnitt keilförmig ausgebildet ist, wobei die Entladungselektrode (2) längs der Schmalseite (10) und die Fläche (7) der bipolaren Elektrode (6) parallel zueinander und parallel zur Breitseite (11) des Gehäuses (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der Gehäuse (1) im Kreisverband angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Entladungskanäle (4,5) konzentrisch und durch radiale Zwischenwände (12) getrennt um eine zentrale Elektrode angeordnet sind, an der die Entladungsspitzen (8) in

Zuordnung zu den einzelnen Entladungskanälen (4) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet ,

daß die Wandungen des die Entladungskanäle (4,5) umschliessenden Eohres zur Fixierung der Elektroden (2,3»6) mit entsprechenden Nuten (13) versehen sind.

6. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 3-51 dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2,2^3,6) in ihrer Gesamtlänge etwas kurzer gehalten sind als die Länge der Rohre "bzw. Entladungskanäle (4,5).

7. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche (7) der bipolaren Elektrode (6) zur Ausbildung der Spitzen (8^A) mit mindestens einer Flächenfaltung (26) versehen ist, wobei im Bereich der Flächenfaltung öffnungen (27) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach jedem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß in einem mit Luft- bzw. Sauerstoffzu- und Ozonabführungsanschlüssen (14, 15) versehenem Gehäuse (16), zwischen zwei Halteelementen (17,18) fixiert, mehrere Gehäuse (1) angeordnet sind.

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