DE3638382A1 - Vorrichtung zur erzeugung von ozon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon mit einem Dielektrikumkörper, der auf einer Haupt­ fläche eine Elektrode aufweist und mit einer zweiten Elektrode, die auf der von der ersten Elektrode abgewandten Seite des Dielektrikumkörpers vorgesehen ist und vom Dielektrikumkörpers mittels Abstandshalterungselementen einen Abstand aufweist.

Für Ozon gibt es eine Vielzahl Anwendungsbereiche. Diese Anwendungsbereiche erstrecken sich von der Anwendung des Ozons als "reines" Oxidationsmittel beispielsweise in der Parfümerie- und Arzneimittelindustrie, oder zur Anwendung als Bleich- bzw. Desinfektionsmittel in der Nahrungsmittel­ industrie, sowie zur Anwendung in der Hydrometallurgie von Buntmetallen, wo das Ozon als hochaktives Oxidationsmittel bei der Trennung verschiedener Metalle verwendet wird. Ozon wird auch zur Reinigung und zur Entkeimung von Trinkwasser in städtischen Wasserversorgungsanlagen, sowie zur Reini­ gung von Industrieabwässern angewandt. Ferner wird Ozon bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen bei der Kunst­ faserproduktion, in der Erdölchemie, als aktives Oxidations­ mittel bei der Extraktion von Brom aus Grubenwässern, oder bei der Herstellung reiner chemischer Reaktionsmittel an­ gewandt. In der Zellstoff-, Papier- und Textilindustrie wird Ozon als Bleichmittel verwendet. In verschiedenen Be­ trieben dient Ozon als Oxidationsmittel bei der Entgiftung von Abgasen, welche Dämpfe organischer Verbindungen o. dgl. enthalten. Man kann Ozon auch zum Oxidieren und Entgiften der Abgase von Wärmekraftwerken und zum Entgiften der Ab­ gase von magnetohydrodynamischen Generatoren verwenden.

Bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art besteht der Dielektrikumkörper aus Glas in Rohr- oder Plattenform. Derartige Dielektrikumkörper weisen zwar eine hohe Durchschlagfestigkeit auf, sie müssen jedoch auch mit einer relativ hohen Spannung und einer relativ hohen Leistungs­ dichte betrieben werden, um eine ausreichende Ozonausbeute zu erzielen. Das liegt u. a. auch daran, daß ein erheb­ licher Teil des in einer solchen Vorrichtung erzeugten Ozons unmittelbar nach seiner Erzeugung wieder in Sauer­ stoff zurückgewandelt wird.

Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Ozonausbeute verbessert ist, wobei diese Vorrichtung mit niedrigeren Spannungen und niedrigeren Leistungsdich­ ten betrieben werden kann als eine bekannte Vorrichtung der gattungsgemäßen Art.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Dielektrikumkörper aus einer Typ-I-Keramik oder aus einer Typ-II-Keramik besteht und zur Verhinderung einer Umwandlung von Ozon in Sauerstoff an seiner der zweiten Elektrode zugewandten Oberfläche Inhibitoren aufweist. Durch diese Inhibitoren wird die Umwandlung von Ozon in Sauerstoff innerhalb der Vorrichtung größtenteils vermie­ den, so daß auch bei relativ niedrigen Betriebsspannungen und relativ kleine Leistungsdichten eine bessere Ozonaus­ beute erzielt wird als bei bekannten Vorrichtungen der be­ schriebenen Art, die als Dielektrikumkörper einen Glaskör­ per verwenden.

Anstatt für den Dielektrikumkörper einen Glaskörper zu ver­ wenden, ist aus der DE-OS 31 28 746 ein Dielektrikum für Ozongeneratoren bekannt, bei dem ein Kunststoff homogen mit einem dielektrischen Keramikpulver gefüllt ist. Bei diesem Keramikpulver kann es sich beispielsweise um ein Pulver aus einer Typ-I-Keramik handeln.

Ein ähnliches Dielektrikum für Ozongeneratoren ist aus der DE-OS 34 42 121 bekannt. Keines der beiden zuletzt genann­ ten Dielektrika weist jedoch Inhibitoren auf, so daß die unerwünschte Rückwandlung eines Teiles des erzeugten Ozons in Sauerstoff bei Ozonerzeugern, die derartige Dielektrika anwenden, nicht ausgeschlossen werden kann.

Die Typ-I-Keramiken und die Typ-II-Keramiken sind all­ gemein bekannt, so daß darauf nicht näher eingegangen zu werden braucht.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen die Inhibi­ toren vorzugsweise aus Metalloxiden. Es hat sich als zweck­ mäßig erwiesen, daß die Inhibitoren aus Oxiden der Me­ talle Nickel, Kobalt, Titan und/oder Chrom bestehen. Selbst­ verständlich ist es auch möglich, die Inhibitoren aus Oxiden anderer Metalle auszuwählen.

Die Inhibitoren sind vorzugsweise in einer Dünnschicht an­ geordnet, deren Wanddicke im Bereich einiger Angström bis einiger µm liegt. Die Inhibitoren werden beispielsweise durch Aufdampfen oder durch chemische Absorption nach Art einer an sich bekannten Bekeimung auf der der zweiten Elektrode zugewandten Oberfläche des Dielektrikumkörpers aufgebracht.

Der Dielektrikumkörper kann bei einer Weiterbildung der er­ findungsgemäßen Vorrichtung an der der zweiten Elektrode zugewandten Oberfläche zur Glättung derselben mit einer Glasurschicht bedeckt sein. Durch eine solche Glättung wird die Oberflächenrauhigkeit der Dielektrikumschicht erheblich reduziert, wodurch ein unerwünschtes Sprühen vermieden wer­ den kann. Ein derartiges Sprühen kann sich sonst bei Anle­ gen einer Spannung an die Vorrichtung infolge der Spitzen­ wirkung einer rauhen Oberfläche ergeben.

Bei einer Vorrichtung der zuletzt genannten Art kann die Glasurschicht eine Dicke zwischen einigen µm und einigen hundert µm besitzen. Selbstverständlich ist es auch mög­ lich, daß die Inhibitoren nicht nur an der der zweiten Elektrode zugewandten Oberseite der Glasurschicht vorge­ sehen sind, sondern auch im Inneren der Glasurschicht. Entsprechendes gilt auch für einen Dielektrikumkörper ohne Glasurschicht. Auch hier ist es möglich, daß die Inhibito­ ren nicht nur an der der zweiten Elektrode zugewandten Oberseite des Dielektrikumkörpers angeordnet sind, sondern auch im Inneren des Dielektrikumkörpers.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung sind der Dielektrikumkörper und die zweite Elektrode koaxial ineinander angeordnet. Bei einer anderen Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind der Dielektrikum­ körper und die zweite Elektrode plattenförmig ausgebildet. Selbstverständlich ist es auch denkbar, mehrere Dielektri­ kumkörper sandwichartig in bestimmten Abständen übereinan­ der bzw. koaxial ineinander anzuordnen um einen mehrschich­ tigen Ozongenerator auszubilden.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spieles der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung zur Er­ zeugung von Ozon,

Fig. 2 einen Ausschnitt gemäß Fig. 1 durch den Dielektrikumkörper und die zweite Elektrode in einem vergrößerten Maßstab, um auch die gege­ benenfalls vorhandene Glasurschicht und die Inhi­ bitoren schematisch zu verdeutlichen,

Fig. 3 den Zusammenhang zwischen der Ozonausbeute A und der Durchflußmenge an Luft, die durch die Vor­ richtung hindurchgeleitet wird, bei verschiedenen Betriebsspannungen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung im Vergleich zu einer Vorrichtung mit einem Glaskörper als Dielektrikum,

Fig. 4 die Abhängigkeit der Ozonausbeute A pro Zeiteinheit von der Durchflußmenge D bei verschiedenen Be­ triebsspannungen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung im Vergleich zu einer einen Glaskörper verwen­ denden Vorrichtung, und

Fig. 5 den Funktionszusammenhang zwischen der spezifischen Leistung N pro erzeugter Ozonmenge und der Durch­ flußmenge D bei verschiedenen Betriebsspannungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu einer Vorrichtung mit einem Glaskörper als Dielektrikum.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon, die einen Dielektrikumkörper 10 aus einer Typ-I-Keramik oder aus einer Typ-II-Keramik aufweist. Der Dielektrikumkörper 10 ist an einer Hauptfläche mit einer Elektrode 12 versehen. Diese Elektrode 12 wird beispielsweise als sog. Dickschicht auf den Dielektrikumkörper 10 aufgestrichen, aufgepinselt, aufgewalzt oder aufgedruckt und in einem Einbrennvorgang mit dem Dielektrikumkörper 10 festhaftend verbunden. Die Vor­ richtung zur Erzeugung von Ozon weist außerdem eine zweite Elektrode 14 auf, die als selbsttragender Körper aus elektrisch leitendem Material besteht. Die zweite Elektrode 14 kann aus nichtrostendem Stahl, Kupfer, Aluminium, o. dgl. bestehen. Die zweite Elektrode 14 ist auf der von der ersten Elektrode 12 abgewandten Seite des Dielektrikumkörpers 10 in einem bestimmten Abstand vom Dielektrikumkörper 10 ange­ ordnet. Zu diesem Zweck sind Abstandshalterungselemente 16 vorgesehen, an denen der Dielektrikumkörper 10 mit der ersten Elektrode 12 sowie die zweite Elektrode 14 angeord­ net sind. Die Abstandshalterungselemente 16 sind mit Durch­ gangsöffnungen 18 ausgebildet, so daß es möglich ist, durch den zwischen dem Dielektrikumkörper 10 und der zweiten Elektrode 14 festgelegten Raum 20 Luft hindurchzuleiten. Wird an die beiden Elektroden 12 und 14, die mit schematisch angedeuteten Anschlußelementen 22 elektrisch leitend kon­ taktiert sind, eine Hochspannung angelegt, so entsteht zwischen den beiden Elektroden 12 und 14 ein elektrisches Feld, dessen Feldstärke insbesondere im Raum 20 konzen­ triert ist. In diesem elektrischen Feld kann ein erheb­ licher Teil des in der den Raum 20 durchströmenden Luft vorhandenen Sauerstoffs in Ozon umgewandelt werden. Ein großer Teil des im Raum 20 erzeugten Ozons neigt dazu, sich unmittelbar wieder in Sauerstoff zurückzuverwandeln. Um diese unerwünschte Rückwandlung zu vermeiden, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Inhibitoren 24 ausgebil­ det, die in Fig. 1 durch eine strichlierte Linie schema­ tisch angedeutet sind. Die Inhibitoren 24 sind insbeson­ dere an der der zweiten Elektrode 14 zugewandten Oberfläche des Dielektrikumkörpers 10 vorgesehen. Bei diesen Inhibi­ toren 24 handelt es sich um Oxide von Metallen, insbesondere um Oxide der Metalle Nickel, Kobalt, Titan und/oder Chrom, die als sog. Dünnschicht auf die der zweiten Elektrode 14 zugewandte Oberfläche des Dielektrikumkörpers 10 aufgebracht sind. Die Inhibitoren 24 bilden selbstverständlich keine durchgehende elektrisch leitende Schicht, sondern nur klei­ ne Inseln, wie sie sich bei einer an sich bekannten Bekei­ mung einer elektrisch isolierenden Fläche ergeben.

Fig. 2 zeigt in einer vergrößerten Darstellung einen Ab­ schnitt des Dielektrikumkörpers 10 , der auf einer Haupt­ fläche mit einer die erste Elektrode 12 bildenden Schicht bedeckt ist. Bei dieser Schicht für die erste Elektrode 12 handelt es sich beispielsweise um eine Silber-, Palladium/ Silber- oder um eine beliebige andere Dickschicht. Selbst­ verständlich wäre es auch möglich, die erste Elektrode 12 als sog. Dünnschicht auszubilden. Von Wichtigkeit ist nur, daß die Schicht der ersten Elektrode 12 mit dem Dielektri­ kumkörper 10 großflächig und lückenlos festhaftend verbun­ den ist. Mit der Bezugsziffer 26 ist in dieser Figur eine Glasurschicht bezeichnet, mit deren Hilfe die der zweiten Elektrode 14 zugewandte Oberfläche des Dielektrikumkörpers 10 geglättet wird. Mit der Bezugsziffer 24 sind auch in dieser Figur die als strichlierte Linie angedeuteten Inhibi­ toren bezeichnet, die auf der der zweiten Elektrode 14 zu­ gewandten Oberfläche der Glasurschicht 26 vorgesehen sind. Die Inhibitoren 24 können selbstverständlich auch im Inneren der Glasurschicht 26 sowie im Inneren des Dielektrikumkör­ pers 10 anteilig vorhanden sein. Die beste Wirkung wird je­ doch mit an der der zweiten Elektrode 14 zugewandten Ober­ fläche des Körpers 10 bzw. 26 erzielt. Mit diesen Inhibi­ toren 24 wird die unerwünschte Rückwandlung von Ozon in Sauerstoff im Inneren der Vorrichtung, d. h. im Raum 20 größtenteils verhindert, so daß die Ozonausbeute wesent­ lich besser ist als bei einer Vorrichtung mit einem Glas­ körper als Dielektrikum, wie sich aus der nachfolgenden Be­ schreibung der Fig. 3 bis 5 ergibt.

Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Ozonausbeute A von der Durchflußmenge D der durch die Vorrichtung durchströmenden Luft bei verschiedenen an die Vorrichtung angelegten Be­ triebsspannungen. Die Kurve 28 zeigt den Zusammenhang zwi­ schen der Ozonausbeute A und der Durchflußmenge D bei einer an die erfindungsgemäße Vorrichtung angelegten Betriebs­ spannung von 5,0 kV, die Kurve 30 bei einer Spannung von 6,0 kV und die Kurve 32 bei einer Spannung von 7,5 kV. Die Kurven 28 bis 32 gelten für eine erfindungsgemäße Vorrich­ tung. Im Vergleich dazu sind in den strichlierten Kurven 34 und 36 die Abhängigkeit der Ozonausbeute A von der Durch­ flußmenge D bei einem bekannten Ozonerzeuger dargestellt, der als Dielektrikum einen Glaskörper benutzt. Die Kurve 34 zeigt den Zusammenhang zwischen der Ozonausbeute A und der Durchflußmenge D bei einer an die bekannte Vorrichtung der zuletzt genannten Art angelegten Spannung von 13,5 kV und die Kurve 36 zeigt diesen Zusammenhang bei einer an die be­ kannte Vorrichtung angelegten Spannung von 14,3 kV. Wird bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Spannung über 7,5 kV bzw. bei einer ein Glasdielektrikum benutzenden be­ kannten Vorrichtung die Spannung über 14,3 kV erhöht, so nimmt die Ozonausbeute A wieder ab.

Aus Fig. 3 ist ohne weiteres ersichtlich, daß bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Betriebsspannung um die Hälfte reduziert sein kann, um dennoch eine höhere Ozon­ ausbeute A zu erzielen als bei einer bekannten, einen Glas­ körper benutzenden Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon.

Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der spezifischen Ozonausbeute A pro Zeiteinheit von der Durchflußmenge D bei verschiede­ nen Betriebsspannungen im Vergleich mit der spezifischen Ausbeute A pro Zeiteinheit einer bekannten Vorrichtung mit einem Glaskörper als Dielektrikum. Die Kurve 28′ zeigt die Abhängigkeit der Ozonausbeute A pro Stunde in Abhängigkeit von der Durchflußmenge der die Vorrichtung durchströmenden Luft bei einer Betriebsspannung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung von 5,0 kV. Die Kurve 30′ zeigt den entsprechenden Zusammenhang bei einer an die erfindungsgemäße Vorrichtung angelegten Spannung von 6,0 kV und die Kurve 32′ zeigt die­ sen Zusammenhang bei einer an die erfindungsgemäße Vor­ richtung angelegten Spannung von 7,5 kV. Im Vergleich dazu zeigen die strichlierten Kurven 34′ und 36′ den Zusammenhang zwischen der spezifischen Ozonausbeute pro Zeiteinheit und der Durchflußmenge bei einer bekannten, einen Glaskörper als Dielektrikum verwendenden Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon bei einer Betriebsspannung von 13,5 kV (siehe Kurve 34′) und bei einer Betriebsspannung von 14,3 kV (siehe Kurve 36′). Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß die spezifische Ozonausbeute A pro Stunde bei einer erfindungsgemäßen Vor­ richtung bei Anlegen einer etwa halb so großen Betriebs­ spannung (Kurve 30′) ungefähr der Ausbeute eines bekannten Ozonerzeugers mit einem Glaskörper entspricht, der mit 13,5 kV (siehe Kurve 34′) betrieben wird. Aus dieser Figur ist außerdem ersichtlich, daß die spezifische Ozonaus­ beute A pro Stunde im Vergleich zu je einer bekannten Vorrich­ tung der zuletzt genannten Art wesentlich verbessert wer­ den kann, wenn die Betriebsspannung von 6,0 kV auf 7,5 kV erhöht wird. Auch die zuletzt genannte Betriebsspannung liegt noch erheblich unter der maximalen Betriebsspannung einer bekannten Vorrichtung der beschriebenen Art.

Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen der spezifischen Leistung N pro erzeugter Ozonmenge und der Durchflußmenge der durch die Vorrichtung durchgeleiteten Luftmenge bei verschiedenen Betriebsspannungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung (durchgezogene Kurven 28′′, 30′′ und 32′′) im Vergleich zur spezifischen Leistung einer bekannten Vor­ richtung mit einem Glasdielektrikum (siehe Kurven 34′′ und 36′′). Die Kurve 28′′ entspricht einer Betriebsspannung von 5,0 kV, die Kurve 30′′ entspricht einer Betriebsspannung von 6,0 kV und die Kurve 32′′ entspricht einer Betriebs­ spannung von 7,5 kV bei einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung. Die Kurve 34′′ entspricht einer Betriebsspannung von 13,5 kV und die Kurve 36′′ entspricht einer Betriebsspan­ nung von 14,3 kV bei einer Vorrichtung mit einem Dielektri­ kumkörper aus Glas, wobei die Vorrichtungen quasi dieselben Abmessungen besitzen, damit vergleich­ bare Verhältnisse vorliegen. Wie aus dieser Figur ersicht­ lich ist, ist die spezifische Leistung pro erzeugter Ozon­ menge bei den verschiedenen Durchflußmengen bei der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung nur etwa halb so groß wie bei einer bekannten Vorrichtung der genannten Art, bzw. noch wesentlich geringer. Daraus ergibt sich, daß die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung nicht nur mit einem Transformator einer kleineren Spannungsreihe betrieben werden kann, son­ dern daß insbesondere auch die Kühlung der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung wesentlich einfacher möglich ist als die Kühlung einer bekannten Vorrichtung mit einem Glaskör­ per als Dielektrikum. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann mit einer Luftkühlung anstelle einer Wasserkühlung ausgebildet sein, so daß auch die sonst erforderlichen Anschlußarmaturen entfallen können. Wie ohne weiteres er­ sichtlich ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung we­ sentlich kompakter ausgebildet sein als eine bekannte Vor­ richtung der genannten Art, wenn gleiche Ozonausbeuten wie bei einer bekannten Vorrichtung erzielt werden sollen.

Nachfolgend wird Analyse einer Typ-I-Keramik und die Analyse einer Typ-II-Keramik angegeben, wie sie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon als Dielektrikumkörper zur Anwendung gelangen können. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die nach­ folgend beschriebenen Analysen beschränkt.

Tabelle I

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon, mit einem Dielektrikumkörper (10), der auf einer Hauptfläche eine Elektrode (12) aufweist, und mit einer zweiten Elektrode (14), die auf der von der ersten Elektrode (12) abgewandten Seite des Dielektrikumkörpers (10) vorgesehen ist und vom Dielektrikumkörper (10) mittels Abstandshalterungselementen ( 16) einen Abstand auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß der Dielektrikumkörper (10) aus einer Typ-I- Keramik oder aus einer Typ-II-Keramik besteht und zur Verhinderung einer Umwandlung von Ozon in Sauer­ stoff an seiner der zweiten Elektrode (14) zugewandten Oberfläche Inhibitoren (24) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhibitoren (24) aus Metalloxiden bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Inhibitoren (24) aus Oxiden der Metalle Nickel, Kobalt, Titan und/oder Chrom bestehen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhibitoren (24) in einer Dünnschicht angeordnet sind, deren Wanddicke im Bereich einiger Angström bis einiger µm liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dielektrikumkörper (10) an der der zweiten Elektrode (14) zugewandten Ober­ fläche zur Glättung derselben mit einer Glasurschicht (26) bedeckt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasurschicht (26) eine Dicke zwischen einigen µm und einigen hundert µm besitzt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dielektrikumkörper (10 ) und die zweite Elektrode (14) koaxial ineinander angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dielektrikumkörper (10) und die zweite Elektrode (14) plattenförmig ausgebildet sind.