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Dokumentenidentifikation DE69834387T2 12.04.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000965560
Titel Verfahren zur effizienten Herstellung von Ozon
Anmelder Academia Sinica, Taipeh/T'ai-pei, TW
Erfinder Liou, Huei Tarng, Da-An District, Taipei, TW
Vertreter Uexküll & Stolberg, 22607 Hamburg
DE-Aktenzeichen 69834387
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 18.06.1998
EP-Aktenzeichen 982020422
EP-Offenlegungsdatum 22.12.1999
EP date of grant 03.05.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse C01B 13/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Ozon ist ein stark oxidierendes Mittel und ein wirkungsvolles Bakterizid und Virizid. Aufgrund dieser Eigenschaften wurde es bei der Behandlung von Trinkwasser verwendet. Außerdem wird Ozon, im Gegensatz zu anderen oxidierenden Mitteln, wie zum Beispiel Chlor, wird Ozon in Produkte umgewandelt, die für die Umwelt nicht gefährlich sind. Folglich wird Ozon in zunehmendem Umfang bei industriellen Anwendungen verwendet, zum Beispiel zur Beseitigung von Stickstoffoxid aus Abgasen von Kraftwerken für fossile Brennstoffe.

Ein Ozon-Generator beinhaltet normalerweise eine Sauerstoff-Molekül-Quelle, zum Beispiel Luft, und eine Energiequelle, zum Beispiel eine elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden, um Sauerstoff-Moleküle in Sauerstoff-Atome zu dissoziieren, die mit den übrigen Sauerstoff-Molekülen reagieren, um Ozon zu bilden. Die meisten Ozon-Generatoren verwenden eine dielektrische Barrieren-Entladung, auch bekannt als stille Entladung. Solche Ozon-Generatoren beinhalten ein dielektrisches Material, das sich in der Nähe einer ersten Elektrode befindet und von einer zweiten Elektrode beabstandet ist, um eine Entladungszone zwischen dem dielektrischen Material und der zweiten Elektrode zu bilden. Durch das Vorhandensein des dielektrischen Materials wird eine große Anzahl von Mikroentladungen erzeugt, die eine Dauer in der Größenordnung von Nanosekunden haben. Die Mikroentladungen sind räumlich und zeitlich statistisch verteilt und bewirken das Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen, die durch die Sauerstoff-Quelle bereitgestellt werden.

Das US-Patent Nr. 5,366,706 beschreibt ein Verfahren für die Zufuhr von Ozon enthaltendem Gas, das umfasst: (a) Bereitstellen einer Strömung aus einem Sauerstoff enthaltenden Zuführgas mit einer Temperatur von nicht mehr als etwa 50 C° und einem absolutem Druck zwischen etwa 1 und 3 Bar, (b) Bewirken einer elektrischen Entladung in der Strömung des Zuführgases, wodurch ein Teil von dessen Sauerstoffgehalt in Ozon umgewandelt wird, um eine Strömung aus Ozon enthaltendem Gas zu erzeugen, und (c) Komprimieren des Gases bei gleichzeitiger Abkühlung, um eine Strömung aus Gas zu erzeugen, die eine Temperatur von nicht höher als der Temperatur des Zuführgases hat, die einen absoluten Druck von mehr als 3 Bar hat und die einen absoluten Ozon-Partialdruck von zumindest 0,2 Bar hat.

Die EP 0 765 839 beschreibt eine Ozon erzeugende Vorrichtung mit einem Sauerstoff-Atome erzeugenden Bereich zum Dissoziieren eines zugeführten Sauerstoffgases bei einem geringen Druck von nicht mehr als dem atmosphärischen Druck, um so ein erstes Gas zu erzeugen, das Sauerstoff-Atome enthält; einem Ozon erzeugenden Bereich zum Mischen des ersten Gases mit einem zweiten Gas, das Sauerstoff enthält, und zum Ermöglichen, dass das erste und das zweite Gas miteinander reagieren, um Ozon zu erzeugen; und einer Niederdruck-Zuführeinrichtung zum Reduzieren eines Drucks in dem Sauerstoff-Atome erzeugenden Bereich bei einem spezifizierten geringen Wert von nicht mehr als dem atmosphärischen Druck, und zum Zuführen des ersten Gases in den Ozon erzeugenden Bereich in einem Druckreduzierungszustand.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1.

Allgemein verwendet die Erfindung gemäß einem Aspekt ein Ozon erzeugendes System mit: einem Gehäuse, das ein Paar Elektroden umschließt, die durch ein dielektrisches Material getrennt sind, zum Beispiel Pyrex-Glas, wobei das dielektrische Material und eine der Elektroden voneinander beabstandet sind, um eine Kammer zu bilden, wobei die Elektroden, wenn sie durch eine Energiequelle gespeist werden, in der Kammer Sauerstoff-Moleküle in Sauerstoff-Atome dissoziieren; einem Einlass zum Einleiten von Sauerstoff-Molekülen in die Kammer; einer Rohrleitung, zum Beispiel ein Edelstahlrohr, die mit dem Gehäuse verbunden ist und einen abgedichteten Pfad von der Kammer zu einem Auslass bildet, um Ozon auszulassen, das in dem System erzeugt wurde; und einer Pumpe, beispielsweise eine Kolbenpumpe, die betrieben werden kann, um Gase aus der Kammer in ein Gebiet der Rohreitung abzusaugen und um einen Druck in dem Gebiet zu erzeugen, der größer ist als der Druck in der Kammer.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des in dem Verfahren verwendeten Systems können irgendwelche der nachfolgenden Merkmale haben. Die Pumpe kann betrieben werden, um in der Kammer einen Druck von weniger als 1 über der Atmosphäre zu erzeugen, zum Beispiel weniger als etwa 0,65 atm (500 torr), oder in einem Bereich von etwa 0,26 atm (200 torr) bis 0,53 atm (400 torr). Außerdem kann die Pumpe betrieben werden, um in dem Gebiet der Rohrleitung einen Druck zu erzeugen, der größer ist als etwa 1 Atmosphäre. Außerdem können das dielektrische Material und die Elektrode, wodurch die Kammer gebildet wird, voneinander mit einem Abstand im Bereich von etwa 5 mm bis 12 mm, beispielsweise im Bereich von etwa 8 mm bis 10 mm, beabstandet sein.

Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung allgemein einen Prozess unter Verwendung eines Ozon erzeugenden Systems, mit: einem Gehäuse, das eine Kammer und eine Vorrichtung umschließt, um in der Kammer Sauerstoff-Moleküle in Sauerstoff-Atome dissoziieren; einem Einlass zum Einleiten von Sauerstoff-Molekülen in die Kammer; einer Rohrleitung, zum Beispiel ein Edelstahlrohr, die mit dem Gehäuse verbunden ist und einen abgedichteten Pfad von der Kammer zu einem Auslass bildet, um Ozon auszulassen, das in dem System erzeugt wurde; und einer Pumpe, beispielsweise eine Kolbenpumpe, die betrieben werden kann, um Gase aus der Kammer in ein Gebiet der Rohreitung abzusaugen und um einen Druck in dem Gebiet zu erzeugen, der größer ist als der Druck in der Kammer.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens können irgendwelche der nachfolgenden Merkmale haben. Die Vorrichtung kann Sauerstoff-Moleküle durch die elektrische Barrieren-Entladung, Lichtbogen-Entladung, Glimm-Entladung, elektrische Ungleichgewichts-Entladung, Mikrowellen-Entladung, thermische Entladung oder ultraviolette Photodissoziation dissoziieren. Außerdem kann die Pumpe betrieben werden, um in der Kammer einen Druck von weniger als etwa 1 Atmosphäre zu erzeugen, zum Beispiel weniger als etwa 0,65 atm (500 torr), oder in einem Bereich von etwa 0,26 atm (200 torr) bis 0, 53 atm (400 torr). Außerdem kann die Pumpe betrieben werden, um in dem Gebiet der Rohrleitung einen Druck zu erzeugen, der größer ist als etwa 1 Atmosphäre.

Das Ozon erzeugende Verfahren hat viele Vorteile. Durch das Ozon erzeugende Verfahren wird die Wirksamkeit der Ozon-Erzeugung im Vergleich mit herkömmlichen Ozon-Generatoren wesentlich erhöht. Das System, das in dem Verfahren verwendet wird, ist außerdem leicht zu montieren. Insbesondere können die Pumpe und die Auslass-Rohrleitung auf einfacher Weise zu einem herkömmlichen Ozon-Generator hinzugefügt werden, um das Ozon erzeugende System herzustellen. Außerdem wird der Energieverbrauch des Ozon erzeugenden Systems reduziert, und zwar aufgrund der verbesserten Effizienz.

Weitere Merkmale und Vorteile der Beschreibung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich, und zwar anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:

1 eine Querschnittsansicht von einem herkömmlichen Ozon-Generator entlang seiner Länge ist.

2 eine Querschnittsansicht des herkömmlichen Ozon-Generators aus 1 entlang seiner Breite ist.

3 eine schematische Darstellung von einem Ozon erzeugenden System ist, das in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und zwar unter Verwendung des herkömmlichen Ozon-Generators, der in 1 und 2 gezeigt ist.

4 eine Graphik ist, die die Verbesserungen hinsichtlich der Effizienz bei der Ozon-Produktion für das Ozon erzeugende System zeigt, das in 3 gezeigt ist und das unter den folgenden Bedingungen arbeitet: Druck in dem Kollisionszonengebiet = 1,04 atm (790 torr); Auslassströmungsrate = 3 SCFH; und angelegte Spannung = 7000 Volt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Ozon, durch welches mit erhöhter Effizienz Ozon erzeugt wird. Das System beinhaltet eine Pumpe, eine abgedichtete Auslass-Rohrleitung, die an einer elektrischen Entladungskammer angebracht ist, die ähnlich der eines herkömmlichen Ozon-Generators ist. Durch einen Einlassanschluss werden Sauerstoff-Moleküle in die Entladungskammer eingeleitet, in der, wenn sie mit Energie gespeist wird, einige der Sauerstoff-Moleküle in Sauerstoff-Atome dissoziiert werden. Die Pumpe saugt die Sauerstoff-Atome und die verbliebenen Sauerstoff-Moleküle aus der Entladungskammer und in die abgedichtete Auslass-Rohrleitung, um einen Druck in der Entladungskammer zu erzeugen, der geringer ist als eine Atmosphäre, zum Beispiel ein Druck von etwa 0,49 atm (370 torr), und um einen Druck in der abgedichteten Auslass-Rohrleitung zu erzeugen, der größer ist als der in der Entladungskammer, zum Beispiel etwa oder etwas mehr als eine Atmosphäre. Der Anstieg der Effizienz basiert auf der Entdeckung, dass ein limitierender Faktor bei der Ozon-Erzeugung das Quenschen von Sauerstoff-Molekülen in angeregten elektronischen Zuständen ist, was zu einem Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen und eine Sauerstoff-Atom-Formation führt, insbesondere das Quenschen von Sauerstoff-Molekülen in dem B3&Sgr;Fu erregten elektronischen Zustand. Durch das Reduzieren des Drucks in der Entladungskammer wird ein solches Quenschen reduziert und dadurch die Produktion von Sauerstoff-Atomen erhöht. Wenn die Pumpe die Sauerstoff-Atome und die verbliebenen Sauerstoff-Moleküle in die abgedichtete Auslass-Rohrleitung saugt, dann reagieren sie miteinander, um Ozon zu bilden. Durch den größeren Druck in der Auslass-Rohrleitung wird die Reaktionsrate zwischen den Sauerstoff-Atomen und den Sauerstoff-Molekülen erhöht. Die Auslass-Rohrleitung ist abgedichtet, um ein Vermischen von Sauerstoff-Atomen und Sauerstoff-Molekülen mit Gasen von Quellen zu verhindern, die andere sind als die Entladungskammer. Das in der abgedichteten Auslass-Rohrleitung gebildete Ozon tritt durch ein Auslassventil an dem Ende der Auslass-Rohrleitung aus, das gegenüber der Entladungskammer liegt.

Das Ozon erzeugende System, das in dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann einfach hergestellt werden, indem die Pumpe und die abgedichtete Auslass-Rohrleitung an der Entladungskammer eines herkömmlichen Ozon-Generators angeschlossen werden. Außerdem kann die Entladungskammer des herkömmlichen Ozon-Generators rekonfiguriert werden, um das Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen bei verminderten Drücken von weniger als einer Atmosphäre zu optimieren. Außerdem kann der Spaltabstand zwischen den Elektroden der Entladungskammer und die über den Elektroden anliegende Spannung optimiert werden, um das Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen zu erhöhen, während ein Spannungsdurchschlag verhindert wird, zum Beispiel Lichtbögen zwischen den Elektroden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Ozon erzeugende System außerdem eine Kammer zum Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen aufweisen, die von einer elektrischen Entladungskammer verschieden ist, wie zum Beispiel eine Mikrowellen-Entladungskammer oder eine Kammer, die ultravioletter Strahlung ausgesetzt ist. Auch in diesen Fällen saugt die Pumpe die Sauerstoff-Atome, die in der Kammer zum Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen gebildet wurden, und die übrigen Sauerstoff-Moleküle in die abgedichtete Auslass-Rohrleitung, so dass der Druck in der Kammer zum Dissoziieren von Sauerstoff geringer als eine Atmosphäre ist, zum Beispiel 0,49 atm (370 torr), und der Druck in der abgedichteten Auslass-Rohrleitung größer ist als der in der Kammer, beispielsweise etwa oder etwas größer als eine Atmosphäre.

1 und 2 zeigen schematische Querschnittsansichten eines herkömmlichen Ozon-Generators 20, der auf dielektrischer Barrieren-Entladung basiert und ein äußeres Gehäuse 21 sowie eine innere Entladungskammer 22 aufweist. 2 ist eine Querschnittsansicht von dem Ozon-Generator 20 entlang einer Ebene, die senkrecht zu der Ebene aus 1 ist und die in 1 gezeigte Achse A-A enthält. Der Ozon-Generator 20 enthält innere und äußere, konzentrische Edelstahlrohre, die Elektroden 34 bzw. 36 bilden. In anderen Ausführungsbeispielen können die Elektroden aus konduktiven Materialien hergestellt sein, die andere sind als Edelstahl. Um die innere Elektrode 34 herum ist ein zylindrisches dielektrisches Rohr 38 angeordnet, das aus einem geeigneten dielektrischen Material hergestellt ist, zum Beispiel Pyrex-Glas. Durch den Raum zwischen der äußeren Elektrode 36 und dem dielektrischen Rohr 38 ist die Entladungskammer 22 gebildet. Sauerstoff-Moleküle von einer Sauerstoff-Quelle strömen durch einen Sauerstoff-Einlassanschluss 24 in die Entladungskammer 22. Der Abstand zwischen dem dielektrischen Rohr 38 und der äußeren Elektrode 36 ist als die Entladungsspaltdicke bekannt.

Die Elektroden 34 und 36 sind über Drähte 45 bzw. 47 mit einer Wechselspannungsquelle 46 verbunden. Wenn die Elektroden 34 und 36 durch die Spannungsquelle 46 gespeist werden, dann erzeugen die Elektroden zwischen der dielektrischen Platte 38 und der Elektrode 36 Mikroentladungen. Die Mikroentladungen bewirken ein Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen in der Entladungskammer 22, um Sauerstoff-Atome zu bilden. Die Sauerstoff-Atome reagieren dann mit nicht-dissoziierten Sauerstoff-Molekülen, um Ozon zu bilden. Das Ozon verlässt die Kammer 22 durch einen Auslassanschluss 48, durch den das Ozon in eine Aufbewahrungskammer oder Verarbeitungskammer geleitet wird, die Ozon benötigt.

Der Ozon-Generator 20 enthält außerdem einen Kühlwasser-Strömungspfad 40, der in thermischem Kontakt mit der Elektrode 36 steht, wodurch eine Überhitzung des Ozon-Generators verhindert wird. Durch ein Kühlwasser-Reservoir 32 (gezeigt in 3) wird das Wasser für den Strömungspfad 40 zur Verfügung gestellt.

Ein geeigneter Bereich von Spannungen und Frequenzen für die Spannungsquelle 46 sowie eine geeignete Entladungsspaltdicke sind in der Technik bekannt und hängen von der gewünschten Rate der Ozon-Bildung ab. Siehe zum Beispiel Ph. Lecci und J.E. Petitimbert (Proceedings of the 8th Ozone World Congress, 1:A41–A48, 1987) oder B. Elliasson et al. (J. Phys. D: Appl. Phys., 20:1421–1437, 1987). Typische Werte sind beispielsweise: 10.000 Volt bei 60 Hz und eine Entladungsspaltdicke von 3 mm.

3 zeigt eine schematische Darstellung von einem Ozon erzeugenden System 10, das in einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird und das den in 1 und 2 gezeigten herkömmlichen Ozon-Generator 20 benutzt.

Sauerstoff-Moleküle von einer Sauerstoff-Quelle 26 strömen durch den Sauerstoff-Einlassanschluss 24 in die Kammer 22 in dem Gehäuse 21. Mit Hilfe eines Einlassventils 27 wird die Einlass-Strömungsrate des Sauerstoffs eingestellt, die mit einem Strömungsmessgerät 28 gemessen wird. Die Sauerstoff-Quelle 26 kann abhängig von dem bestimmten Ausführungsbeispiel abgewandelt werden, zum Beispiel kann die Sauerstoff-Quelle 26 die normale Umgebung, aus der Luft in die Kammer 22 strömt, oder eine unter Druck stehende Quelle mit relativ reinem Sauerstoff.

Das System 10 kann außerdem eine Kolbenpumpe 60 aufweisen, die mit dem Auslassanschluss 48 verbunden ist. Die Kolbenpumpe 60 saugt die Gase aus der Kammer 22 an und drückt sie in das Innere von einer abgedichteten Auslass-Rohrleitung 50, zum Beispiel ein Edelstahlrohr. Daher wird durch das Innere der Auslass-Rohrleitung ein Kollisionszonengebiet 62 gebildet, in dem die Pumpe 60 einen Druck erzeigt, der größer ist als der Druck der Kammer 22. Ein Zwischenventil 64, das zwischen dem Auslassanschluss 48 und der Kolbenpumpe 50 angeordnet ist, wird verwendet, um den Druck in der Kammer 22 einzustellen. Mit Hilfe von Druckmessgeräten 66 und 68 wird der Druck in der Kammer 22 beziehungsweise in dem Kollisionszonengebiet 62 gemessen.

Wenn die Kolbenpumpe 60 aktiviert ist, kann die Einlass-Strömungsrate der Sauerstoff-Moleküle und der Druck in der Kammer 22 gesteuert werden, indem das Einlassventil 27 und das Zwischenventil 64 eingestellt werden. Durch Reduzieren des Drucks in der Kammer 22 auf weniger als eine Atmosphäre, zum Beispiel in dem Bereich von etwa 0,26 atm (200 torr) bis 0,79 atm (600 torr) oder noch spezieller in dem Bereich von etwa 0,26 atm (200 torr) bis 0,53 atm (400 torr) wird das Quenschen von Sauerstoff-Molekülen in erregten elektronischen Zuständen reduziert, was zum Dissoziieren von Sauerstoff führt, wodurch die Bildung von Sauerstoff-Atomen erhöht wird. Die Kolbenpumpe 60 saugt die Sauerstoff-Atome und die nicht-dissoziierten Sauerstoff-Moleküle sowie auch Ozon, das durch die Reaktion der Sauerstoff-Atome und der Sauerstoff-Moleküle gebildet wurde, in das Kollisionszonengebiet 62 der Auslass-Rohrleitung 50. Wegen der Kolbenpumpe 60 ist der Druck in dem Kollisionszonengebiet 62 größer als der Druck in der Kammer 22 und beträgt normalerweise mehr als eine Atmosphäre. Der Druck in dem Kollisionszonengebiet 62 kann durch das Auslassventil 52 eingestellt werden, durch das außerdem die Auslass-Strömungsrate gesteuert wird. Ein zweites Strömungsmessgerät 54 misst die Auslass-Strömungsrate. Durch den größeren Druck in dem Kollisionszonengebiet 62 wird die Reaktionsrate zwischen den aus der Kammer 22 gesaugten Sauerstoff-Atomen und den Sauerstoff-Molekülen erhöht, die miteinander reagieren, um Ozon zu bilden. Außerdem können Sauerstoff-Atome, die in der Gasströmung hinter dem Auslassventil 52 verbleiben, weiterhin mit den Sauerstoff-Molekülen reagieren, um Ozon zu bilden.

Die Auslass-Rohrleitung 50 ist zwischen dem Zwischenventil 64 und dem Auslassventil 52 abgedichtet, um das Einleiten von Gasen in das Kollisionszonengebiet 62 aus Quellen zu verhindern, die andere sind als die Kammer 22, und um zu ermöglichen, dass Sauerstoff-Atome und Sauerstoff-Moleküle aus der Kammer 22 in dem Kollisionszonengebiet 62 bei einem Druck miteinander reagieren, der größer ist als der in der Kammer 22. Obwohl 2 eine Auslass-Rohrleitung 50 zeigt, die im rechten Winkel gebogen ist, kann die Auslass-Rohrleitung in anderen Ausgestaltungen eine andere Form haben, sie kann zum Beispiel geradlinig oder gekrümmt sein, und sie kann rechteckige oder elliptische Querschnitte haben.

Das Ozon erzeugende System 10 kann auf einfacher Weise zusammengebaut werden, indem die Pumpe 60, die Auslass-Rohrleitung 50, die Ventile 64 und 52, und die Druckmessgeräte 66 und 68 zu dem herkömmlichen Ozon-Generator 20 hinzugefügt werden. Um das Ozon erzeugende System 10 unter speziellen Strömungsratenbedingungen zu betreiben, zum Beispiel jene von dem herkömmlichen Ozon-Generator 20, werden die nachfolgenden Schritte ausgeführt. Nachdem die Kolbenpumpe eingeschaltet wurde, werden das Einlassventil 27 und das Zwischenventil 64 eingestellt, bis das Strömungsmessgerät 28 die gewünschte Einlass-Strömungsrate anzeigt und das Druckmessgerät 26 den gewünschten Druck für die Kammer 22 anzeigt, zum Beispiel 0,49 atm (370 torr). Dann wird das Auslassventil 52 eingestellt, bis das Strömungsmessgerät 54 die gewünschte Auslass-Strömungsrate anzeigt. In diesen Fällen kann der Anstieg der Ozon-Konzentration, die durch das Strömungsmessgerät 54 in dem Ozon erzeugenden System 10 strömt, zwei bis fünf mal größer sein als die Ozon-Konzentration, und die durch den Auslassanschluss 48 von dem herkömmlichen Ozongenerator 20 austritt, wenn dieser separat von dem System 10 unter herkömmlichen Bedingungen betrieben wird, zum Beispiel bei einem Druck in der Kammer 22 von etwa 1 atm. In diesem Vergleich arbeiten das Ozon erzeugende System 10 und der herkömmliche Ozon-Generator 20 unter Entladungsbedingungen, durch die die Leistungsfähigkeit des herkömmlichen Ozon-Generators bei 1 atm optimiert werden, beispielsweise eine anliegende Spannung von 10.000 Volt bei 60 Hz und eine Entladungsspaltdicke von 3 mm.

Um die Effizienz des Ozon erzeugenden Systems 10 weiter zu verbessern, werden die Entladungsbedingungen des Ozon-Generators 20 verändert, um die Ozon-Konzentration zu optimieren, die durch das Strömungsmessgerät 54 austritt. Insbesondere, da der Druck in der Kammer 22 kleiner ist als 1 atm ist, wenn der herkömmliche Ozon-Generator 20 als eine Komponente des Ozon erzeugenden Systems 10 verwendet wird, werden die anliegende Spannung und die Entladungsspaltdicke verändert, um die Ozon-Konzentration zu optimieren, die durch das Strömungsmessgerät 54 austritt, und zwar als eine Funktion des Drucks in der Kammer 22. Allgemein steigt die Ozon-Erzeugung mit zunehmender anliegender Spannung. Jedoch ist die anliegende Spannung durch Spannungsdurchschläge zwischen den Elektroden 34 und 36 begrenzt, wodurch eine obere Grenze hinsichtlich der anliegenden Spannung definiert wird. Die Ozon-Erzeugung wird durch Verwendung einer anliegenden Spannung optimiert, die nur etwas kleiner ist als die Spannung, bei der ein Spannungsdurchbruch erfolgen würde, d.h. die Durchbruchspannung.

Die Durchbruchspannung steigt mit zunehmender Entladungsspaltdicke und mit zunehmendem Druck. Um daher die Leistungsfähigkeit des Ozon erzeugenden Systems 10 unter Bedingungen mit reduziertem Druck in der Kammer 22 zu optimieren, beispielsweise weniger als 1 atm, wird die Entladungsspaltdicke relativ zu der eines herkömmlichen Ozon-Generators erhöht, der unter konventionellen Bedingungen betrieben wird. Dies ermöglicht es, dass das System 10 bei anliegenden Spannungen zu betreiben, die gleich oder größer als jenen Spannungen des herkömmlichen Ozon-Generators sind, der unter herkömmlichen Bedingungen betrieben wird. Wenn beispielsweise herkömmliche Bedingungen für den herkömmlichen Ozon-Generator 20, der separat von dem System 10 mit einem Druck von 1 atm in der Kammer 22 betrieben wird, eine anliegende Spannung "V" und eine Entladungsspaltdicke "d" sind, dann sind optimale Bedingungen für das Ozon erzeugende System mit dem Ozon-Generator 20 ein Druck in der Kammer 22 in dem Bereich von etwa 0, 40–0,53 atm (300 bis 400 torr), zum Beispiel etwa 0,40 atm (300 torr), eine anliegende Spannung in dem Bereich von etwa 1 V bis 2 V, beispielsweise etwa 1,5 V, und eine Entladungsspaltdicke in dem Bereich von etwa 2 d bis 3,5 d, zum Beispiel 3 d. Insbesondere dann, wenn V = 10.000 V und d = 3 mm optimale Bedingungen für den herkömmlichen Ozon-Generator 20 sind, der alleine mit einem Druck von 1 atm in der Kammer 22 betrieben wird, kann die Entladungsspaltdicke für das System 10 in dem Bereich von etwa 6 bis 12 mm liegen, beispielsweise 9 mm, und die anliegende Spannung kann in dem Bereich von etwa 13.000 bis 20.000 V liegen, beispielsweise etwa 15.000 V.

In anderen Ausführungsbeispielen kann die Kolbenpumpe durch andere Pumpen ersetzt werden, die in der Technik allgemein bekannt sind, einschließlich beispielsweise Öl-freie Pumpen oder Pumpen, die eine Düse und einen Fluidströmung verwenden. Außerdem kann das Ozon erzeugende System eine Vorrichtung enthalten, um Sauerstoff-Moleküle zu dissoziieren, die verschieden ist von einem herkömmlichen Ozon-Generator mit dielektrischer Barriere. Beispielsweise kann der Ozon-Generator 20 in dem System 10 aus 3 durch eine Vorrichtung ersetzt werden, mit Hilfe derer Sauerstoff-Moleküle durch Mechanismen dissoziiert werden, die verschieden sind von dielektrischer Barrieren-Entladung, beispielsweise Lichtbogen-Entladung, Glimm-Entladung, elektrische Ungleichgewichts-Entladung, Mikrowellen-Entladung, thermische Entladung und Ultraviolett-Photodissoziation, die alle in der Technik allgemein bekannt sind. Bei einer anderen als dieser Vorrichtung, ein solches System ist ähnlich zu 3, werden Sauerstoff-Moleküle in der Kammer 22 in dem Gehäuse 21 dissoziiert, und die Pumpe 60 saugt die resultierenden Sauerstoff-Atome und die verbliebenen Sauerstoff-Moleküle in eine abgedichtete Auslasspumpe 50.

In jedem der Ausführungsbeispiele des Verfahrens beinhaltet das Ozon erzeugende System eine Pumpe, die einen Druck in der Kammer zum Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen erzeugt, beispielsweise in der Kammer 22, der kleiner ist als 1 Atmosphäre, beispielsweise im Bereich von etwa 0,26–0,79 atm (200 bis 600 torr) oder bevorzugt in dem Bereich von etwa 0,26–0,53 atm (200 bis 400 torr). Die Pumpe saugt die Sauerstoff-Atome, die in der Kammer zum Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen erzeugt wurden, und die nicht-dissoziierten Sauerstoff-Moleküle, die in der Kammer verblieben sind, mit einem relativ hohen Druck, beispielsweise größer als oder gleich 1 Atmosphäre, in das Kollisionszonengebiet stromabwärts der Kammer zum Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen. Wie in 3 und 4 gezeigt, kann sich das Kollisionszonengebiet im Inneren einer Auslass-Rohrleitung befinden. In anderen Ausführungsbeispielen kann eine separate abgedichtete Kammer stromabwärts der Pumpe das Kollisionszonengebiet beinhalten. Neben den Sauerstoff-Atomen und nicht-dissoziierten Sauerstoff-Molekülen, die durch die Pumpe aus der Kammer zum Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen in das Kollisionszonengebiet gesaugt werden, sind keine zusätzlichen Gase für die effiziente Bildung von Ozon erforderlich, weshalb die Auslass-Rohrleitung oder die separate Kammer abgedichtet sind, um die Einleitung zusätzlichen Gase in das Kollisionszonengebiet zu verhindern.

Beispiel

Ein herkömmlicher Ozon-Generator mit dielektrischer Barrieren-Entladung, ähnlich dem, der in 1 und 2 gezeigt ist, wurde unter Verwendung eines 30 cm langen Edelstahlrohrs für die zylindrischen Elektroden und eines 30 cm langen Rohrs aus Pyrex-Glas als das dielektrische Rohr aufgebaut. Das dielektrische Rohr umgab die innere Elektrode, hatte mit dieser Kontakt und hatte einen Durchmesser von 3 cm. Die äußere Elektrode war von dem dielektrischen Rohr mit 3 mm beabstandet, um die Entladungskammer zu bilden. Dann wurden die in 3 gezeigten Elemente zu dem herkömmlichen Ozon-Generator hinzugefügt, um das Ozon erzeugende System zu bilden. Insbesondere wurde ein Edelstahl-Rohr mit einem Außendurchmesser von 6,35 mm (1/4 Zoll) an dem Auslassanschluss von dem herkömmlichen Ozon-Generator angebracht, um die Auslass-Rohrleitung zu bilden, und eine kommerzielle Luftpumpe (Iwaki, Model Nr. AP-115N) mit 13–15 Liter/Minute wurde als die Pumpe verwendet. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Auslass-Rohrleitung, war die Auslass-Rohrleitung in diesem Beispiel geradlinig. Die Länge des Kollisionszonengebiets, d.h. das Gebiet der Auslass-Rohrleitung zwischen der Pumpe und dem Auslassventil, betrug etwa 30 cm.

Das folgende Experiment wurde unter Verwendung des obigen Ozon erzeugenden Systems durchgeführt. Luft mit 1,04 atm (790 torr) wurde in die Entladungskammer von dem herkömmlicher Ozon-Generator mit einer Strömungsrate von 3 Standard-Kubikfuß pro Stunde (SCFH) eingeleitet, wobei 1 SCFH gleich etwa 0,472 Liter/Minute sind. Die Strömungsrate von Gasen, die aus dem Kollisionszonengebiet der Auslass-Rohrleitung austraten, betrug 1,416 Liter/Minute (3 SCFH). Die anliegende Spannung betrug 10.000 V bei 60 Hz. Unter Verwendung der Pumpe wurde der Druck in der Entladungskammer des herkömmlichen Ozon-Generators variiert, da der Druck in dem Kollisionszonengebiet bei 1,04 atm (790 torr) gehalten wurde. Das Einlassventil, das Zwischenventil und das Auslassventil wurden eingestellt, um die Einlass-Strömungsrate bei 1,416 Liter/Minute (3 SCFH) und die Auslass-Strömungsrate bei 1,416 Liter/Minute (3 SCFH) beizubehalten. Die Ozon-Konzentration für die ausgehenden Gase wurde unter Verwendung von iodometrischen Verfahren gemessen, die in der Technik allgemein bekannt sind, siehe beispielsweise B.E. Saltman und N. Gilbert (Anal. Chem., 31:1914, 1959).

Wenn der Druck in der Entladungskammer des herkömmlichen Ozon-Generators auf 1,04 atm (790 torr) eingestellt war, war das System äquivalent zu dem herkömmlichen Ozon-Generator, da die Drücke in der Entladungskammer und in dem Kollisionszonengebiet gleich waren. Unter solchen Bedingungen wurde eine Ozon-Produktion gemessen, die 1,8 mg/Liter/Minute betrug. Als der Druck in der Entladungskammer des herkömmlichen Ozon-Generators auf 0,49 atm (370 torr) reduziert wurde, wurde eine Ozon-Produktion von 2,76 mg/Liter/Minute gemessen, also einer Verbesserung von 53 Prozent.

In einem anderen Experiment waren die Bedingungen die gleichen wie oben, mit der Ausnahme, dass die anliegende Spannung auf 7.000 V bei 60 Hz reduziert wurde. Unter diesen Bedingungen konnte der Druck in der Entladungskammer auf etwa 0,26 atm (200 torr) ohne Spannungsdurchbruch reduziert werden. Die Ozon-Effizienz wurde für Drücke in der Entladungskammer gemessen, die von 0,26 atm (200 torr) bis 1,04 atm (790 torr) reichten, wobei der Druck in dem Kollisionszonengebiet fest bei 1,04 atm (790 torr) eingestellt wurde. Die erreichten Ergebnisse sind in 4 gezeigt, in der die relative Verbesserung hinsichtlich der Ozon-Produktion als eine Funktion des Drucks in der Entladungskammer angegeben ist. Die relative Verbesserung ist durch die Differenz zwischen der Ozon-Produktion des verbesserten Ozon-Generators und der Ozon-Produktion des herkömmlichen Ozon-Generators angegeben, dividiert durch die Ozon-Produktion des herkömmlichen Ozon-Generators, und ausgedrückt in Prozent. Wie in dem ersten Experiment, entspricht die Ozon-Produktion des herkömmlichen Ozon-Generators der Ozon-Produktion, die gemessen wurde, als der Druck in der Entladungskammer 1,04 atm (790 torr) betrug. 4 zeigt, dass die Ozon-Produktion um bis zu 1200 Prozent verbessert wird. Die absoluten Werte der Ozon-Produktion betrugen in diesem Fall 0,156 mg/Liter/Minute bei 0,01 atm (767 torr) und 2,0 mg/Liter/Minute bei 0,40 atm (304 torr).

Für industrielle Anwendungen kann das Ozon erzeugende System in dem obigen Beispiel hinsichtlich Größe und Entladungsspaltdicke sowie anliegender Spannung optimiert werden.


Anspruch[de]
Verfahren zum Erzeugen von Ozon durch Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen in Sauerstoff-Atome, die mit den übrigen Sauerstoff-Molekülen reagieren, um Ozon zu bilden, mit:

Einleiten von Sauerstoff-Molekülen in eine Kammer (22);

Dissoziieren von Sauerstoff-Molekülen in Sauerstoff-Atome in der Kammer (22);

dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren beinhaltet:

Vorsehen eines abgedichteten Pfades von der Kammer zu einem Auslass, um Ozon auszuleiten; und

Saugen von Gasen mit Hilfe einer Pumpe aus der Kammer in ein Gebiet des abgedichteten Pfades, um einen Druck in diesem Gebiet zu erzeugen, der größer ist als der Druck in der Kammer (22), wobei eine Pumpe (60), ein erstes Ventil (22) an einem Einlass zum Einleiten von Sauerstoff-Molekülen in die Kammer, ein zweites Ventil (64) zwischen der Kammer und dem abgedichtetem Pfad sowie ein drittes Ventil (52) an dem Auslass einen Druck in der Kammer erzeugen, der geringer ist als eine Atmosphäre, und wobei die Sauerstoff-Atome und die übrigen Sauerstoff-Moleküle miteinander reagieren, um in dem abgedichteten Pfad Ozon zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Sauerstoff-Moleküle dissoziiert werden, indem eine dielektrische Barrieren-Entladung, eine Glimm-Entladung, eine elektrische Ungleichgewichts-Entladung, eine Mikrowellen-Entladung, eine thermische Entladung oder eine Ultraviolett-Photodissoziation erzeugt wird. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Moleküle dissoziiert werden, indem eine Entladungsvorrichtung (34, 36, 38) mit Energie gespeist wird, wobei die Entladungsvorrichtung ein Paar Elektroden (34, 36) aufweist, die durch ein dielektrisches Material (38) getrennt sind, wobei eine (36) der Elektroden, die von dem dielektrischen Material beabstandet ist, die Kammer (22) definiert. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das dielektrische Material und die Elektrode, durch die die Kammer definiert ist, über eine Distanz in dem Bereich von etwa 5 mm bis etwa 12 mm, vorzugsweise in einem Bereich von etwa 8 mm bis etwa 10 mm, voneinander beabstandet sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, bei dem das dielektrische Material ein Pyrex®-Glas ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Bereitstellen eines abgedichteten Pfades das Verbinden einer Rohrleitung (50) mit einem Gehäuse (21) beinhaltet, das die Kammer (22) umschließt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Saugen von Gasen aus der Kammer in ein Gebiet des abgedichteten Pfades das Betreiben einer Pumpe (60) beinhaltet, vorzugsweise einer Kolbenpumpe, um einen Druck in diesem Gebiet des abgedichteten Pfades zu erzeugen, der größer ist als der Druck in der Kammer (22). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Saugen von Gasen aus der Kammer in ein Gebiet des abgedichteten Pfades außerdem das Erzeugen eines Drucks in der Kammer von weniger als 0,66 atm (500 torr) beinhaltet, vorzugsweise in einem Bereich von 0,26 atm (200 torr) bis 0,53 atm (400 torr). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Saugen von Gas aus der Kammer in ein Gebiet des abgedichteten Pfades außerdem das Erzeugen eines Drucks in dem Bereich des abgedichteten Pfades beinhaltet, der größer ist als etwa eine Atmosphäre.






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