DE3638401A1 - Vorrichtung zur erzeugung von ozon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon, mit einem ersten Elektrodenkörper, der an einer Hauptfläche mit einer Schicht aus einem dielektrischen Material bedeckt ist, und mit einem zweiten Elektrodenkör­ per aus elektrisch leitendem Material, der der Dielektri­ kumschicht gegenüberliegend angeordnet und vom Trägerkörper für die Dielektrikumschicht mittels Abstandshalterungsele­ menten beabstandet ist, wobei die beiden Elektrodenkörper mit einer Hochspannungsquelle verbindbar sind.

Der Anwendungbereich für Ozon ist groß und in schnellem Anstieg begriffen. Er erstreckt sich von der Anwendung des Ozons als reines Oxidationsmittel in der Parfümerie- und Arzneimittelindustrie, oder als Bleich- und Desinfektions­ mittel in der Nahrungsmittelindustrie, bis zur Anwendung in der Hydrometallurgie beispielsweise der Buntmetalle, wo das Ozon als hochaktives Oxidationsmittel bei der Tren­ nung verschiedener Metalle verwendet wird. Ein weiteres Anwendungsfeld des Ozons besteht in der Reinigung und Ent­ keimung von Trinkwasser in städtischen Wasserversorgungsan­ lagen, sowie zur Reinigung von Industrieabwässern. Ozon wird auch bei der Oxidation von Kohlenwasserstoffen bei der Kunstfaserproduktion, in der Erdölchemie, als aktives Oxidationsmittel bei der Extraktion von Brom aus Gruben­ wässern, oder bei der Herstellung reiner chemischer Reaktions­ mittel angewandt. In der Zellstoff-, Papier- und Textil­ industrie wird das Ozon als Bleichmittel verwendet. In ver­ schiedenen Betrieben dient das Ozon als Oxidationsmittel bei der Entgiftung von Abgasen, welche Dämpfe organischer Verbindungen enthalten. Ozon wird auch zum Oxidieren und Entgiften von Abgasen in Wärmekraftwerken und magnetohydro­ dynamischen Generatoren verwendet.

Bei den Vorrichtungen zur Erzeugung von Ozon ist die pro Einheit der Entladungsfläche gebildete Ozonmenge zu der an die Vorrichtung angelegten elektrischen Leistung direkt proportional.

Aus der DE-OS 31 28 746 ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekannt, bei der das dielektrische Material aus einem mit einem Keramikpulver homogen gemischten Kunst­ stoff besteht.

Aus der DE-OS 34 42 121 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon bekannt, bei welcher das dielektrische Material ebenfalls auf Keramikbasis aufgebaut ist.

Allen diesen bekannten Vorrichtungen ist gemeinsam, daß die zu reinigende Substanz zwischen den beiden Elektroden­ körpern durchgeleitet wird, wobei infolge des zwischen den beiden Elektrodenkörpern befindlichen elektrischen Feldes großer Feldstärke Sauerstoff in Ozon umgewandelt wird. Da das Ozon chemisch instabil ist, wird ein Teil des erzeugten Ozons innerhalb der Vorrichtung wieder in Sauerstoff umge­ wandelt. Um eine ausreichende Ozonausbeute zu erzielen, ist es bei den bekannten Vorrichtungen erforderlich, die­ se mit einer relativ großen Leistung zu betreiben.

Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei gleicher Ozonausbeute mit einer vergleichsweise kleineren Leistung betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die auf dem ersten Elektrodenkörper vorgesehene Dielektri­ kumschicht zur Verhinderung einer Umwandlung von Ozon in Sauerstoff mindestens an der dem zweiten Elektrodenkörper zugewandten Oberfläche Inhibitoren aufweist. Selbstver­ ständlich ist es auch möglich, daß die Inhibitoren nicht nur an der dem zweiten Elektrodenkörper zugewandten Ober­ fläche, sondern auch im Inneren der Dielektrikumschicht vorgesehen sind. Diese Inhibitoren dienen dazu, die Umwand­ lung von in der Vorrichtung erzeugtem Ozon in Sauerstoff bestmöglich zu verhindern, so daß bei Betrieb der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung mit einer Leistung, wie sie der Leistung bekannter Vorrichtungen der gattungsgemäßen Art entspricht, die Ozonausbeute vergrößert ist, bzw. daß die Vorrichtung mit einer vergleichsweise kleineren Leistung betrieben werden kann, wenn die Ozonausbeute gleichgroß sein soll wie bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Art. Infolge der Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer kleineren Leistung zu betreiben, ergeben sich außerdem die Vorteile, daß die Vorrichtung kompakter ausgebildet sein kann, als eine bekannte Vorrichtung, und daß an die Kühlung der Vorrich­ tung keine besonderen Anforderungen gestellt werden müssen. Erfindungsgemäß kann eine Luftkühlung ausreichend sein, wo bei vergleichbaren bekannten Vorrichtungen eine Wasser­ kühlung erforderlich ist. Damit sind jedoch auch die Ab­ dichtungsprobleme und der bauliche Aufwand für Anschluß­ armaturen auf ein Minimum reduziert.

Die Dielektrikumschicht besteht vorzugsweise aus Emaille oder Glaskeramik, und die Inhibitoren bestehen insbeson­ dere aus Metalloxiden. Es hat sich dabei als zweckmäßig erwiesen, daß die Dielektrikumschicht eine Dicke zwischen 0,5 mm und 5 mm aufweist. Die Dielektrikumschicht besitzt eine hohe Durchschlagfestigkeit von größer/gleich 10 kV/mm, bzw. von größer/gleich 15 kV/mm. Sie ist säurebeständig und weist vorzugsweise eine glatte Oberfläche auf. Durch eine derartige glatte Oberfläche der Dielektrikumschicht werden Sprüherscheinungen während des Betriebes der Vor­ richtung vermieden. Der Betrieb der Vorrichtung erfolgt entweder mit Netzfrequenz oder bei mittleren Frequenzen in der Größenordnung zwischen 500 Hz und 600 Hz.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon bestehen die Inhibitoren vorzugsweise aus Oxiden der Metalle Nickel, Kobalt, Titan und/oder Chrom. Selbst­ verständlich können die Inhibitoren auch aus Oxiden ande­ rer Metalle bestehen.

Die Inhibitoren können in einer Dünnschicht angeordnet sein, deren Wanddicke im Bereich einiger Angström bis einiger µm liegt. Die Inhibitoren werden beispielsweise durch chemische Absorption nach Art einer an sich be­ kannten Bekeimung auf die dem zweiten Elektrodenkörper zugewandte Oberfläche der Dielektrikumschicht aufgebracht.

Bei einer Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden Elektrodenkörper koaxial ineinander an­ geordnete Metallrohre. Bei einer anderen Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die beiden Elektroden­ körper als Metallplatten ausgebildet. Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere, einseitig mit einer Dielektri­ kumschicht bedeckte Elektrodenkörper in einem bestimmten Abstand übereinander bzw. koaxial ineinander anzuordnen und benachbarte Elektrodenkörper jeweils auf das eine oder das andere Potential einer Hochspannungsquelle zu legen. Auf diese Weise ergibt sich eine Parallelschaltung der nebeneinander bzw. koaxial ineinander angeordneten Elektrodenkörper, wobei der letzten Dielektrikumschicht ein zweiter Elektrodenkörper gegenüberliegen kann.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon. Es zeigt:

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

Fig. 2 die Abhängigkeit der Ozonausbeute A in Abhängigkeit von der Durchflußmenge D der die Vorrichtung durchströmenden Luft, wobei die an die Vorrichtung angelegte Spannung die Kurvenparameter bildet,

Fig. 3 die Abhängigkeit der Ozonausbeute A pro Stunde in Abhängigkeit von der Durchflußmenge D der die Vor­ richtung durchströmenden Luft, wobei die Betriebs­ spannung die Kurvenparameter bildet, und

Fig. 4 die Abhängigkeit der spezifischen Leistung N bezo­ gen auf die Ozonausbeute in Abhängigkeit von der Durchflußmenge D der die Vorrichtung durchströmen­ den Luft, wobei auch in dieser Figur wie in den Fig. 2 und 3 die Betriebsspannung die Kurven­ parameter bildet.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon, die einen ersten Elektrodenkörper 10 und einen zweiten Elektrodenkörper 12 aufweist, die voneinander einen Abstand aufweisen. Der Abstand zwischen den beiden Elektrodenkörpern 10 und 12 wird durch Ab­ standshalterungselemente 14 festgelegt, an denen die Elektrodenkörper 10 und 12 angeordnet sind. Der Elek­ trodenkörper 10 ist an der dem Elektrodenkörper 12 zu­ gewandten Hauptfläche mit einer Schicht 16 aus einem dielektrischen Material bedeckt. Die Dielektrikumschicht 16 besteht aus Emaille oder aus Glaskeramik. In der nachfolgenden Tabelle ist eine Zusammensetzung eines über die Dielektrikumschicht 16 zur Anwendung gelangenden Emailles beschrieben, wobei es selbstverständlich ist, daß die Erfindung nicht auf diese Zusammensetzung des Emailles beschränkt ist.
Na₂O14 Al₂O₃2 SiO₂60 K₂O1 CaO0,0 TiO₂7 ZnO5 MnO1,5 BaO1 Fe₂O₃1 Co0,5 Ni0,5

Bei diesen Anteilen handelt es sich um Gewichtsprozente.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Dielektrikum­ schicht 16 aus folgendem Bereich der möglichen Zusammen­ setzungen auszuwählen:
Na₂O7-15 K₂O0-5 SiO₂50-65 Al₂O₃1-10 CuO0-5 TiO₂3-10 ZnO0-10 MuO0,5-4 BaO0-5 Fe₂O₃0-2 B₂O₃0-30 Co₂O₃0,1-5 NiO0,1-5 Cr₂O₃0,1-5

Auch bei diesen Zahlenangaben handelt es sich um Gewichts­ prozent.

Die auf dem ersten Elektrodenkörper 10 vorgesehene Dielektrikumschicht 16 weist zur Verhinderung einer Um­ wandlung von Ozon in Sauerstoff mindestens an der dem zweiten Elektrodenkörper 12 zugewandten Oberfläche Inhibi­ toren 18 auf. Die Inhibitoren 18 sind in dieser Figur durch eine strichlierte Linie angedeutet. Die Inhibitoren bestehen aus Metalloxiden, insbesondere aus Oxiden der Metalle Nickel, Kobalt, Titan und/oder Chrom. Die Inhibi­ toren 18 sind in einer Dünnschicht angeordnet, deren Wanddicke einige Angström bis einige µm be­ trägt. Die Inhibitoren werden auf die Dielektrikumschicht 16 aufgedampft oder auf chemischem Wege nach Art einer an sich bekannten Bekeimung aufgebracht.

Die Elektrodenkörper 10 und 12 rohrförmiger, plattenförmi­ ger oder beliebiger anderer Gestalt bestehen aus Metall, vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl, oder aus Kupfer, Aluminium o. dgl. Die Dielektrikumschicht 16 weist eine Wanddicke im Bereich zwischen 0,5 mm und 3 mm auf. Mit der Bezugsziffer 20 sind Anschlußelemente bezeichnet, die schematisch dargestellt sind und die mit den Elektro­ denkörpern 10 bzw. 12 elektrisch leitend kontaktiert sind. An diese Anschlußelemente 20 wird zum Betrieb der Vorrich­ tung eine (nicht dargestellte) Hochspannungsquelle angelegt. Diese Hochspannungsquelle kann mit Netzfrequenz oder mit Frequenzen im Bereich um 500 bis 600 Hz betrieben werden.

Die Abstandshalterungselemente 14 sind mit Durchgangsöff­ nungen 22 ausgebildet, die in den Raum 24 zwischen den beiden Elektrodenkörpern 10 und 12 einmünden. Mit dem in Fig. 1 links dargestellten Pfeil 26 ist eine Luftzufuhr zur Vorrichtung schematisch angedeutet. Der Pfeil 28 deutet die mit Ozon angereicherte Luftabfuhr an.

Durch die mindestens an der dem zweiten Elektrodenkörper 12 zugewandten Oberfläche vorgesehenen Inhibitoren 18 wird eine unerwünschte Rückwandlung von Ozon in Sauerstoff im elektrischen Hochspannungsfeld zwischen den beiden Elektro­ denkörpern 10 und 12 vermieden, so daß - wie auch aus der nachfolgenden Beschreibung der Fig. 2 bis 4 ersichtlich wird - die an die Vorrichtung anzulegende Energie kleiner sein kann als bei bekannten Vorrichtungen der gattungsge­ mäßen Art.

Fig. 2 zeigt die Abhängigkeit der Ozonausbeute A pro m³ als Funktion der Durchflußmenge D an Luft, wobei die an die Vorrichtung angelegte Spannung die Kurvenparameter bil­ det. Die Ozonausbeute A wird in g Ozon gemessen. Die Durch­ flußmenge D ist die Anzahl m³ pro Stunde, die durch die Vorrichtung durchströmen. Die Kurve 30 zeigt den Zusammen­ hang zwischen der Ozonausbeute in Abhängigkeit von der Durchflußmenge Luft bei einer Spannung von 5,0 kV bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Kurve 32 zeigt den gleichen Zusammenhang, wenn an die erfindungsgemä­ ße Vorrichtung eine Spannung von 6,0 kV angelegt wird. Die Kurve 34 zeigt schließlich den Zusammenhang zwi­ schen der Ozonausbeute und der Durchflußmenge, wenn an die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Spannung von 7,5 kV angelegt wird. Wird an die erfindungsgemäße Vor­ richtung eine größere Spannung angelegt, so nimmt die Ausbeute A/m³ in Abhängigkeit von der Durchflußmenge D wieder ab. Die strichlierten Linien 36 und 38 zeigen die Abhängigkeit der Ozonausbeute A/m³ von der Durch­ flußmenge D einer bekannten Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon, bei der als dielektrisches Material ein Glas­ körper zur Anwendung gelangt. Wird eine derartige be­ kannte Vorrichtung mit einer Spannung von 13,5 kV be­ trieben, so ergibt sich eine Ozonausbeute A in Abhängig­ keit von der Durchflußmenge D gemäß Linie 36. Wird die Spannung auf 14,3 kV erhöht, so ergibt sich bei einer derartigen bekannten Vorrichtung ein Zusammenhang zwi­ schen der Ozonausbeute A und der Durchflußmenge D ent­ sprechend der Linie 36.

Aus Fig. 2 ist also ersichtlich, daß bei einer bekann­ ten Vorrichtung der beschriebenen Art die an die Vorrich­ tung anzulegende Spannung quasi doppelt so groß sein muß wie bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, um annähernd die gleichen Ozonausbeuten zu erzielen.

Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Ozonausbeute A pro Zeiteinheit, d. h. pro Stunde, als Funktion der Durch­ flußmenge D der die Vorrichtung durchströmenden Luft, wobei auch in dieser Figur die an die Vorrichtung ange­ legten Spannungen die Kurvenparameter bilden. Die Kurve 30′ zeigt die Ozonausbeute A pro Stunde in Abhängigkeit von der Durchflußmenge D, wenn an die erfindungsgemäße Vorrich­ tung eine Spannung von 5,0 kV angelegt wird. Die Kurve 32′ entspricht einer an die erfindungsgemäße Vorrichtung an­ gelegten Spannung von 6,0 kV. Die Kurve 34′ entspricht einer an die erfindungsgemäße Vorrichtung angelegten Spannung von 7,5 kV. Die strichlierten Linien 36′ und 38′ zeigen wiederum die Abhängigkeit der Ozonausbeute A pro Zeitein­ heit als Funktion der Durchflußmenge D bei einer bekann­ ten Vorrichtung mit einem Glaskörper als dielektrischem Material. Die Kurve 36′ zeigt die Abhängigkeit der Ozonaus­ beute A pro Zeiteinheit als Funktion der Durchflußmenge bei einer bekannten Vorrichtung der zuletzt genannten Art, wenn an diese Vorrichtung eine Spannung von 13,5 kV ange­ legt wird. Die Kurve 38′ zeigt den Zusammenhang zwischen Ozonausbeute und Durchflußmenge der bekannten Vorrichtung bei Anlegen einer Spannung von 14,3 kV. Aus dieser Figur ist ersichtlich, daß bei einer bekannten Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon, die als Dielektrikumkörper einen Glas­ körper verwendet, die Ozonausbeute A pro Stunde auch bei der maximalen Betriebsspannung von 14,3 kV wesentlich niedriger ist als bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wenn diese mit ihrer Maximalspannung von 7,5 kV betrieben wird.

Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen der Leistung pro Masser erzeugten Ozons und der Durchflußmenge D an Luft, die durch die Vorrichtung hindurchgeleitet wird, wobei wiederum die an die Vorrichtung angelegte Spannung die Kurvenparameter bildet. Die Kurve 30′′ zeigt den zuletzt genannten Zusammenhang bei einer Betriebsspannung von 5,0 kV, die Kurve 32′′ zeigt diesen Zusammenhang bei einer Betriebs­ spannung von 6,0 kV und die Kurve 34′′ zeigt diesen Zusammen­ hang bei einer maximalen Betriebsspannung von 7,5 kV. Die Kurven 30′′, 32′′ und 34′′ zeigen auch in dieser Figur die Abhängigkeit der Leistung pro erzeugter Ozonmenge als Funktion der Durchflußmenge bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, während die Kurven 36′′ und 38′′ den ent­ sprechenden funktionellen Zusammenhang bei einer bekannten Vorrichtung zeigen, bei der als dielektrisches Material ein Glaskörper zur Anwendung kommt. Die Kurve 36′′ zeigt die Abhängigkeit der spezifischen Leistung N von der Durchflußmenge D bei einer Betriebsspannung von 13,5 kV und die Kurve 38′′ zeigt diesen Zusammenhang bei der maximalen Betriebsspannung von 14,3 kV. Aus dieser Figur ist zu erkennen, daß bei einer bekannten Vorrichtung der genannten Art die spezifische Leistung N größenordnungs­ mäßig doppelt so groß sein muß, wie bei einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann also nicht nur mit einer quasi nur halb so großen Spannung betrieben werden, sondern sie benötigt auch nur ca. 50% der Energie einer bekannten Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon.

Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich also die weiteren Vorteile, daß die zu ihrem Betrieb benötigten Transformatoren aus einer kleineren Nennspan­ nungsreihe ausgewählt werden können, daß die elektri­ schen Anlagen kompakter und preisgünstiger sind, und daß vor allem das Kühlproblem erheblich vereinfacht wird. In­ folge der wesentlich geringeren spezifischen Leistung N pro erzeugter Ozonmenge kann es oftmals ausreichend sein, die Vorrichtung luftgekühlt auszubilden und nicht mit einer Wasserkühlung zu versehen, wodurch auch der In­ stallationsaufwand wesentlich verkleinert wird. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind auch die Betriebs­ kosten infolge des geringeren Energieverbrauchs wesentlich erniedrigt.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon, mit einem ersten Elektrodenkörper (10), der an einer Hauptfläche mit einer Schicht (16) aus einem dielektrischen Material bedeckt ist, und mit einem zweiten Elektrodenkörper (12) aus elektrisch leitendem Material, der der Dielektrikumschicht (16) gegenüberliegend angeordnet und vom Trägerkörper (10) für die Dielektrikum­ schicht (16) mittels Abstandshalterungselementen (14) beabstandet ist, wobei die beiden Elektrodenkörper (10, 12) mit einer Hochspannungsquelle verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem ersten Elektrodenkörper (10) vorge­ sehene Dielektrikumschicht (16) zur Verhinderung einer Umwandlung von Ozon in Sauerstoff mindestens an der dem zweiten Elektrodenkörper (12) zugewandten Ober­ fläche Inhibitoren (18) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrikumschicht (16) aus Emaille oder Glaskeramik besteht, und daß die Inhibitoren (18) aus Metalloxiden bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dielektrikumschicht (16) eine Dicke zwi­ schen 0,5 mm und 5 mm aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Inhibitoren (18) aus Oxiden der Metalle Nickel, Kobalt, Titan und/oder Chrom bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Inhibitoren (18) in einer Dünnschicht angeordnet sind, deren Wanddicke im Bereich einiger Angström bis einiger µm liegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektrodenkörper (10, 12) koaxial ineinander angeordnete Metallrohre sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektrodenkörper (10, 12) Metallplatten sind.