Способы получения озона
В статье рассмотрены существующие на сегодняшний день способы образования озона. Перечислены их основные преимущества и недостатки.
Основные способы получения озона
Озон образуется в газовой среде, содержащей кислород, если возникнут условия, при которых кислород диссоциирует на атомы. Это возможно во всех формах электрического разряда: тлеющем, дуговом, искровом, коронном, поверхностном, барьерном, безэлектродном и т.д.
Образование озона в барьерном разряде
Барьерный разряд — разряд, возникающий между двумя диэлектриками или диэлектриком и металлов. Из-за того, что электрическая цепь разорвана диэлектриком, питание осуществляется только переменным током. Электропитание генератора озона на барьерном разряде осуществляется высоковольтным трансформатором.
На сегодняшний день, это наиболее эффективная с экономической точки зрения конструкция генератора озона. Технология имеет массовое промышленное применение и является наиболее распространенной на сегодняшний день.
Образование озона в поверхностном разряде
Данный генератор представляет собой диэлектрическую пластину. На одной стороне пластины размещена проволока или металлические полосы, другая сторона покрыта проводящим материалом (прижата металлическая пластина). Между проводниками подведено переменное или импульсное напряжение.
Такие генераторы озона нашли свое применение в производстве озонаторов воздуха.
Образование озона в электрохимической ячейке
При электролизе воды или водных растворов сильных кислот на электродах электрохимической ячейки протекают химические процессы.
На аноде образуется озон и параллельно идет выделение кислорода:
3H₂O → O₃ + 6H+ + 6e;
2H₂O → O₂ + 4H+ + 4e;
На катоде происходит восстановление водорода и восстановление атмосферного кислорода на пористых каталитических электродах:
2H+ + 2e → H₂;
O₂ + 4H+ + 4e → H₂O;
Возможны два способа введения озона в воду:
- Озон из анодного пространства может быть растворен в воде. При этом возможна работа под давлением и получение высоких концентраций растворенного в воде озона. Способ может быть реализован в промышленном масштабе;
- Получение озона с воздушным катодом и тетрафторбористой кислотой в качестве электролита. Способ может быть реализован в промышленном масштабе;
Озонаторы на электрохимической ячейки имеют определенные преимущества перед озонаторами на барьерном разряде:
- В электрохимических озонаторах существует строгая связь между количеством озона и током. Этом позволяет точно регулировать количество озона;
- Озон растворяется в воде в процессе образования и не требует специального оборудования для ввода газообразного озона в воду;
- Озон образуется из кислорода, который возникает при диссоциации воды. Не требуется генератор кислорода.
Основным недостатком являются очень высокие энергетические затраты, порядка 10 г/Квт*ч.
Фотохимическое образование озона
Образование озона в фотохимических генераторах происходит под действием фотонов, с энергией достаточной для диссоциации кислорода.
Виды фотохимических генераторов озона:
- ртутная лампа низкого давления;
- эксимерные лампы на основе барьерного разряда;
Ввиду технических сложностей, данный тип генератора озона пока не нашел массового применения в промышленности.
Специфические способы получения озона
Образование озона в коронном разряде
Отличительной чертой коронного разряда является существование коронирующего слоя — особой святящейся зоны, в которой происходит ионизация. Вне коронирующего слоя ионизации не происходит, свободных электронов нет, и ток осуществляется переносом положительных и отрицательных ионов. Эта область называется “внешней областью” коронного разряда.
В генераторах озона коронирующим является один электрод и во внешней области существуют ионы только одного знака. Для поддержания тока не требуется ионизатор, коронный разряд является самостоятельным разрядом.
Наиболее распространенными являются две конфигурации:
- игла – плоскость;
- цилиндр с коронирующим центральным электродом в виде нити.
Данный тип генератор имеет следующие преимущества:
- Простота конструкции;
- Неограниченность разрядного промежутка. Газ можно прокачать например, по широкой трубе с проволокой вдоль оси.
Помимо этого, существуют экспериментальные данные о возможности получения озона в дуговом разряде при помощи плазмотрона.
Ввиду технических сложностей, данный тип генератора озона пока не нашел применения в промышленности.
Образование озона в потоке частиц
В таких генераторах озон образуется при воздействии на кислород потоков частиц: электронов, рентгеновских лучей, альфа-частиц, гамма-квантов. Данный способ в настоящее время является экспериментальным. Связано это со сложностью аппаратуры, низким энергетическим выходом и образованием побочных веществ при воздействии на воздух частиц высокой энергии.
Список источников
- Физическая химия озона: монография / В.В. Лунин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко. – 2-е изд., испр. и доп. – Москва: МАКС Пресс, 2019. – 540 с.
- Способы получения озона и современные конструкции озонаторов / Лунин В.В., Карягин Н.В., Самойлович В.Г. – М.: МАКС Пресс, 2008. – 150 с.