Introduction aux techniques de génération d’ozone – Corona, UV et électrochimie

Introduction aux techniques de génération d’ozone – Corona, UV et électrochimie

12 novembre 2022 Non Par Bricolage Plus

Siemens a développé le premier générateur d’ozone, qui était basé sur les décharges corona en 1957. Aujourd’hui, l’ozone est produit par plusieurs méthodes différentes à la fois commercialement et en laboratoire.

La génération d’ozone implique la formation intermédiaire de radicaux d’oxygène atomique qui peuvent réagir avec l’oxygène moléculaire. Tous les processus qui peuvent dissocier l’oxygène moléculaire en radicaux d’oxygène ont le potentiel de générer de l’ozone. Les sources d’énergie qui rendent cette action possible sont les électrons ou l’énergie des photons. Les électrons peuvent être utilisés à partir de sources à haute tension dans la décharge corona, à partir de sources nucléaires et à partir de processus électrolytiques. L’énergie quantique photonique appropriée comprend la lumière UV de longueurs d’onde inférieures à 200 nm et les rayons y.

Dans la nature, la génération d’ozone se produit lorsque les molécules d’oxygène réagissent en présence de décharges électriques, par exemple la foudre, et par l’action d’un rayonnement électromagnétique de haute énergie. Certains équipements électriques génèrent par inadvertance des niveaux d’ozone qui peuvent être facilement sentis ; cela est particulièrement vrai s’il y a une étincelle ou une très haute tension.

Génération d’ozone par décharge Corona

La décharge corona dans un gaz de procédé sec contenant de l’oxygène est actuellement la méthode de génération d’ozone la plus largement utilisée pour le traitement de l’eau. La couronne ou le plasma est créé dans un générateur d’ozone en appliquant une haute tension entre deux électrodes. L’ozone est formé par les réactions suivantes :

A 1/2 O2 = O Chaleur de réaction A= +59,1 Kcal

B O + O2 = O3 Chaleur de réaction B = -24,6 Kcal

AB 3/2 O2 = O3 Chaleur de réaction AB= +34,5 Kcal

La réaction globale (AB) qui produit de l’ozone nécessite de l’énergie et est une réaction endothermique qui obtient de l’énergie à partir de la décharge électrique. Un système de génération d’ozone de base est composé des éléments suivants : une source de gaz (air comprimé ou oxygène), des sécheurs de gaz et des générateurs d’ozone.

Il est de la plus haute importance qu’un gaz de procédé sec soit appliqué à la décharge corona. Limiter la formation d’acide nitrique est également important afin de protéger les générateurs et d’augmenter l’efficacité du processus de génération. En fonctionnement normal de systèmes correctement conçus, un maximum de 3 à 5 g d’acide nitrique est obtenu par kilogramme d’ozone produit avec de l’air. Si des quantités accrues de vapeur d’eau sont présentes, de plus grandes quantités d’oxydes d’azote se forment lorsque des décharges d’étincelles se produisent. En outre, des radicaux hydroxyle se forment qui se combinent avec des radicaux oxygène et également avec de l’ozone. Les deux réactions réduisent l’efficacité de génération d’ozone. Par conséquent, la siccité du gaz de procédé est importante pour obtenir un bon rendement en ozone. De plus, avec l’air, les oxydes d’azote peuvent former de l’acide nitrique, ce qui peut provoquer de la corrosion.

La formation d’ozone par décharge électrique dans un gaz de procédé est basée sur la décharge corona dans l’air ou l’oxygène. Dans un générateur d’ozone, il existe de nombreuses micro décharges électriques distribuées (arc ou plasma) par lesquelles l’ozone est efficacement généré. Il apparaît que chaque micro décharge individuelle ne dure que quelques nanosecondes. La densité de courant varie entre 100 et 1000 Amps/cm2. En utilisant de l’oxygène ou en enrichissant l’air de procédé en oxygène, la capacité de génération d’un générateur d’ozone donné peut être augmentée d’un facteur allant de 1,7 à 2,5 par rapport à l’air seul. Que l’on utilise de l’air ou de l’oxygène, l’énergie est perdue sous forme de chaleur, le refroidissement du gaz de procédé est très important. Dans les systèmes plus petits, cela est souvent réduit en utilisant l’air ambiant pour refroidir une ou les deux électrodes. Dans les grands systèmes, le refroidissement se fait généralement avec de l’eau généralement sur l’électrode de masse.

D’autres méthodes de génération d’ozone comprennent:

Génération photochimique d’ozone

La formation d’ozone à partir d’oxygène exposé à la lumière UV à 140-190 nm a été signalée pour la première fois par Lenard en 1900 et entièrement évaluée par Goldstein en 1903. Il a rapidement été reconnu que les longueurs d’onde actives pour la génération technique sont inférieures à 200 nm. Compte tenu des technologies actuelles avec des lampes à émission UV à base de mercure, la longueur d’onde de 254 nm est transmise avec la longueur d’onde de 185 nm, de sorte que la destruction de l’ozone se produit simultanément avec sa génération. De plus, l’intensité d’émission relative est 5 à 10 fois plus élevée à 254 nm par rapport à la longueur d’onde de 185 nm. Ainsi, seule une petite quantité d’ozone peut être produite.

Les tentatives pour atteindre un état photostationnaire approprié de formation d’ozone avec des lampes au mercure ont échoué. La raison principale de cet échec est que la décomposition thermique est concomitante avec la formation d’ozone. À l’exception des utilisations à petite échelle ou des effets synergiques, la génération photochimique UV d’ozone n’a pas été largement utilisée.

Génération d’ozone électrolytique

La génération électrolytique d’ozone a une importance historique car l’ozone synthétique a été découvert pour la première fois par Schönbein en 1840 par l’électrolyse de l’acide sulfurique. La simplicité de l’équipement peut rendre ce processus attrayant pour les utilisateurs à petite échelle ou les utilisateurs dans des zones reculées.

De nombreux avantages potentiels sont associés à la génération électrolytique, notamment l’utilisation d’un courant continu basse tension, l’absence de préparation de gaz d’alimentation, la taille réduite de l’équipement, la génération possible d’ozone à des concentrations élevées et la génération dans l’eau, éliminant ainsi le contact ozone-eau. processus. Les problèmes et inconvénients de la méthode comprennent : la corrosion et l’érosion des électrodes, la surcharge thermique due à la surtension anodique et aux densités de courant élevées, le besoin d’électrolytes spéciaux ou d’eau à faible conductivité, et avec le processus de génération sur site, les incrustations et les dépôts se forment sur les électrodes et la production de chlore libre est inhérente au procédé lorsque des ions chlorures sont présents dans l’eau ou l’électrolyte utilisé.

Génération radiochimique d’ozone

L’irradiation à haute énergie de l’oxygène par des rayons radioactifs peut favoriser la formation d’ozone. Même avec le rendement thermodynamique favorable du procédé et l’utilisation intéressante des isotopes de fission des déchets, le procédé de génération d’ozone chimionucléaire n’est pas encore devenu une application significative dans le traitement de l’eau ou des eaux usées en raison de ses exigences de procédé compliquées.