Brevet FR2703039A1 — publié le 19940930

i La présente invention concerne la fabrication d'ozone ainsi que ses utilisations Plus particulièrement, l'invention concerne un nouveau système compact permettant la fabrication d'ozone ainsi que de nouvelles utilisations d'un tel procédé. L'ozone est un agent chimique bien connu utilisé pour l'oxydation industrielle, le traitement de l'eau et de l'air ainsi que de nombreuses synthèses chimiques Comme il est connu, l'ozone est un gaz instable qui est produit par la dissociation/association de l'oxygène dans un champ électrique obtenu à partir d'une tension élevée, sur de l'oxygène gazeux ou de l'air sec, en obtenant un mélange dilué constitué par de l'ozone et par du gaz original Du fait de son instabilité, l'ozone doit être produit à proximité de son site d'application en vue d'un usage particulier En conséquence de quoi, un générateur compact destiné à la production d'ozone constitue l'appareil le plus souhaitable à proposer L'approche générale pour sa fabrication est basée sur le passage d'un courant d'air ou d'oxygène entre deux électrodes soumises à un courant alternatif moyennant une différence de potentiel élevée La tension appliquée aux électrodes dépend du type et de l'épaisseur du diélectrique ainsi que de la largeur de l'espace séparant les électrodes, laquelle tension s'inscrit habituellement dans la plage qui va de 4000 à 20000 volts, en fonction de l'espace. Du fait de son importance, la littérature est relativement abondante et elle comporte diverses suggestions et brevets indiquant certaines améliorations quant à la production d'ozone. La plupart de ces brevets revendiquent divers types d'électrodes pour produire le champ électrique requis Ainsi, selon le brevet d'Allemagne Fédérale N O 3 424 889, une électrode spéciale est décrite, laquelle est réalisée à partir d'une couche de métal recouverte d'une couche de céramique, laquelle est elle-même recouverte d'une couche mince vitreuse supplémentaire présentant une surface lisse. Selon le brevet russe no 1 567514, le dispositif de production d'ozone décrit comprend deux électrodes constituées sous la forme de deux tubes métalliques agencés coaxialement recouverts de verre ou d'émail L'espace annulaire séparant le tube intermédiaire et externe et le tube interne est rempli d'eau. Dans le brevet russe N O 1 414 771, un appareil permettant de produire de l'ozone est revendiqué L'appareil comprend un boîtier, un générateur d'ozone muni de détecteurs d'écoulement et d'un sommateur, une source de courant multiphase, des assemblages de courants d'anode de cathode et une unité de commande de phase d'impulsion La sortie du sommateur est connectée à l'entrée de l'unité de commande de phase d'impulsion. L'un des problèmes rencontrés lors de la production d'ozone concerne les pertes mises se produisant lors de la décharge électrique au cours de laquelle une proportion importante d'énergie est convertie en chaleur, ce qui donne naissance à une augmentation importante de la température Il résulte de cela qu'un système de refroidissement efficace est nécessaire du fait que le rendement de la production d'ozone est faible lorsque la température du gaz est augmentée Les inconvénients principaux des générateurs d'ozone connus sont constitués par leur construction encombrante et par la quantité relativement importante d'énergie nécessaire par quantité unitaire d'ozone produite Un objet de la présente invention consiste à proposer un système permettant de produire de l'ozone, lequel nécessite une énergie relativement faible par quantité unitaire d'ozone produit Un autre objet de la présente invention consiste à proposer un système compact pour la production d'ozone qui facilite sa portabilité et qui puisse être utilisé à diverses fins. La présente invention concerne un système permettant de produire de l'ozone à partir d'oxygène ou d'air sec, qui utilise un générateur qui comprend au moins deux électrodes réalisées en un matériau léger, présentant un rapport aire de surface sur masse des électrodes élevé, lesquelles électrodes sont renfermées dans une chambre qui est refroidie par un gaz comprenant de l'oxygène à température ambiante, qui possède une configuration particulière dans laquelle le milieu de refroidissement est convoyé au travers desdites au moins deux électrodes, et qui inclut des compartiments assurant un support mécanique et une isolation électrique On entend par "matériau léger" un matériau présentant un rapport aire de surface sur masse des électrodes élevé Parmi les avantages significatifs du système selon la présente invention, sont à mentionner la faible dimension du générateur et la relativement faible quantité d'énergie requise par quantité unitaire d'ozone produit. Les objets et avantages de la présente invention ainsi que d'autres apparaîtront aisément à la lumière de la description détaillée qui suit que l'on lira en relation avec les dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une représentation schématique du générateur d'ozone selon la présente invention; la figure 2 représente une cellule unitaire prise dans sa globalité; la figure 3 représente une vue en coupe d'un assemblage de générateur d'ozone constitué par des cellules unitaires; la figure 4 représente un assemblage partiel constitué par plus d'une unité; la figure 5 représente un assemblage partiel de plusieurs unités telles que décrites en relation avec la figure 4; la figure 6 est similaire à la figure 5 et elle comprend un tunnel qui convoie un liquide de refroidissement; la figure 7 représente un mode de réalisation du système comprenant des composants poreux; la figure 8 (a) représente un mode de réalisation dans lequel un multiplieur de tension continue est utilisé dans le générateur d'ozone, représenté en coupe transversale; la figure 8 (b) représente le même dispositif que celui de la figure 8 (a) mais en coupe longitudinale; et la figure 9 représente un schéma d'un système qui utilise la présente invention pour la purification de l'eau. Une exigence particulière quant à la production d'ozone qui utilise un système selon la présente invention est constituée par l'utilisation d'air ou d'oxygène très sec Il s'est avéré qu'une teneur en humidité supérieure à 5 ppm diminue significativement la sortie d'ozone La déshumidification de l'air ou de l'oxygène est obtenue en utilisant un matériau déshydratant En principe, n'importe quel déshydratant peut être utilisé mais les déshydratants s'avérant les plus utiles pour la présente invention et qui ont donc la préférence sont le chlorure de calcium, du perchlorate de magnésium, du pentoxyde de phosphore et du gel de silice. Les électrodes destinées à être utilisées peuvent être réalisées à partir d'un matériau léger tel que du verre ou de l'aluminium recouvert d'alumine, de céramique ou d'une couche de plastique, présentant une constante diélectrique élevée Ce choix présente un avantage en ce qui concerne la fabrication d'un système petit et portable pour la fabrication d'ozone, lequel est destiné à être utilisé sur site Cet agencement du système permet d'obtenir un rapport aire de surface sur masse des électrodes beaucoup plus élevé que dans les générateurs d'ozone classiques De cette manière, on contribue à la caractéristique requise dans le système selon la présente invention qui consiste en ce que des espaces d'air minimum existent entre les électrodes tout en maintenant une tension de décharge plasma relativement faible Au moyen de cet agencement, il est possible d'obtenir un générateur d'ozone haute capacité présentant une dimension relativement faible et qui peut être aisément portable. A l'opposé des générateurs connus qui sont encombrants, lourds et qui consomment des quantités importantes d'énergie, le système de fabrication d'ozone selon la présente invention est caractérisé par sa faible taille et par la quantité relativement plus faible d'énergie nécessaire pour la production de l'ozone. Ainsi, au lieu de 18 à 20 k W par kg d'ozone nécessaires par les générateurs d'ozone connus, en utilisant le système selon la présente invention, seulement environ 14 k W par kg d'ozone sont consommes. Un avantage significatif du générateur selon la présente invention est l'utilisation d'air ou d'oxygène en tant que milieu de refroidissement au lieu d'eau de refroidissement utilisée dans les générateurs connus pour la même capacité de production d'ozone Cette caractéristique avantageuse est une conséquence du rapport aire de surface sur masse des électrodes élevée utilisées dans le générateur selon la présente invention Par conséquent, dans le modèle du type plaque, une circulation simple d'air ou d'oxygène à température ambiante suffit à refroidir les électrodes. Dans des modèles constitués par des cylindres concentriques ainsi que dans d'autres modèles non plans, le système est constitué par un assemblage de cellules incluant des tubes, des conduits et des éléments présentant une section en coupe circulaire, triangulaire, carrée ou polygonale, certains de ces tubes convoyant un liquide de refroidissement tel que de l'eau ou de l'huile Les surfaces internes des tubes servent d'électrodes et sont réalisées à partir d'une couche mince de métal Il est également possible que le liquide de refroidissement lui-même puisse servir d'électrodes en circulant au travers des deux électrodes qui sont séparées et électriquement isolées. Le générateur d'ozone selon la présente invention peut être du type tube horizontal ou vertical et du type plaque. Le système pris dans sa globalité est généralement renfermé dans une chambre et il incorpore un moyen de refroidissement constitué par la circulation d'air ou d'oxygène à partir duquel l'ozone est produit Dans le cas du type tube horizontal ou vertical, il y a deux électrodes concentriques et un tube diélectrique. De façon générale, le générateur d'ozone utilisé dans la présente invention est alimenté par un courant alternatif provenant d'une source d'alimentation qui utilise une fréquence allant jusqu'à 20 k Hz et de préférence entre 50 Hz et 10 k Hz. Du fait des caractéristiques avantageuses mentionnées ci-avant, l'ozone obtenu selon la présente invention peut être utilisé à diverses fins sur site Dans le cas d'un modèle destiné au traitement de l'eau, l'ozone formée dans le générateur est dispersé en traversant une gaine ou un filtre d'o l'obtention de petites bulles présentant une aire de surface maximum, lesquelles sont collectées dans un conteneur qui doit être utilisé Il s'est avéré que le rendement le plus élevé de l'utilisation de l'ozone est obtenu lorsque ladite gaine est réalisée en verre fritté d'o l'obtention d'un très faible volume de bulles d'ozone qui ne sont pas supérieures à 5 x 10-7 ml par comparaison avec la dimension actuelle de 1 x 10-2 mi De cette manière, l'aire de surface totale des bulles est significativement augmentée, ce qui facilite un traitement efficace et rapide à l'aide de l'ozone produit, selon la présente invention, ce qui ne peut pas être obtenu avec les générateurs d'ozone connus. Selon un autre mode de réalisation, l'ozone libéré depuis le générateur est mélangé dans un compartiment séparé muni d'un dispositif de contrôle de température, ce qui facilite l'alimentation d'une quantité souhaitée d'ozone. Les propriétés oxydantes de l'ozone sont évidemment bien connues; cependant, du fait de son coût relativement élevé de fabrication ainsi que des problèmes mis en jeu lors de sa production sur site, les utilisations de l'ozone ont été relativement limitées Selon la présente invention, dans laquelle les coûts de fabrication de l'ozone sont significativement réduits et grâce à laquelle des systèmes de petite dimension, légers et peu coûteux sont proposés, de nombreuses utilisations sont envisagées Ainsi, par exemple, l'ozone peut être utilisé pour la stérilisation et la désodorisation de l'eau, pour éliminer des goûts et odeurs non souhaités, pour éliminer des composants nuisibles de déchets industriels et pour contrôler des bactéries dans des chambres de stockage froides La figure 9 est une représentation schématique du système utilisé pour la purification de l'eau. Selon un autre mode d'utilisation, le conteneur dans lequel l'ozone est dispersé peut être emboîté sur des gaines sur lesquelles des matériaux solides qui doivent être traités par l'ozone, par exemple des produits agricoles, des produits alimentaires, des matériaux d'emballage ou un équipement qui doivent être stérilisés, peuvent être chargés Au niveau de la sortie du conteneur, l'ozone résiduel est spontanément reconverti en oxygène Dans les cas o de faibles traces d'ozone sont non souhaitables, il est possible de prévoir au niveau de ladite sortie un piège contenant une solution d'un agent réducteur ou de carbone actif, lequel éliminera aisément lesdits résidus. La figure 1 est une représentation schématique du générateur d'ozone selon la présente invention Comme on peut le noter, le générateur comprend les constituants suivants: 1: le compresseur qui produit de l'air ou de l'oxygène 2: le filtre muni d'un déshydratant qui produit de l'air ou de l'oxygène séché; 3: le générateur d'ozone 4: les électrodes contenues dans le générateur (également représentées de façon agrandie en 11) : l'entrée de tension de l'inverseur ( 6); 7: la sortie du mélange d'air et d'ozone qui pénètre dans la gaine ( 8) positionnée dans le réservoir ( 9); : le filtre pour les résidus d'ozone au niveau de la sortie débouchant du réservoir, lequel filtre est de façon générale en verre fritté (à échelle réduite sur la figure) 11: l'électrode; 12: le revêtement de métal recouvrant l'électrode, par exemple une couche mince d'aluminium; 13: un matériau de verre, de céramique ou une matière plastique, ces matériaux possédant une constante diélectrique élevée. La figure 2 représente une cellule unitaire constituée par un matériau isolant tel que du verre ou une céramique extrudée. Les surfaces internes des tubes ( 101) sont recouvertes de métal ( 102) et tous les tubes constituant la cellule sont fixés à une tige de support centrale ( 103) qui présente une bonne résistance mécanique. La figure 3 représente une vue en coupe d'un assemblage de générateur d'ozone ( 201) comprenant des cellules unitaires (tel que représenté sur la figure 3) La liaison de certaines cellules de cette conception ensemble facilite la construction d'un module compact renfermé de façon serrée à l'intérieur d'un tube, lequel est constitué par des électrodes de potentiel de phase ( 202) et de potentiel à zéro ( 203), par des tubes à air ( 204) et par des tiges de renforcement ( 205) L'avantage de ce générateur d'ozone cylindrique est qu'il possède une aire de surface d'électrodes relativement importante moyennant un échange thermique avantageux et un refroidissement efficace de toutes les cellules, ce qui résoud un problème qui est bien connu en ce qui concerne le fonctionnement des générateurs d'ozone de taille importante existants. La figure 4 représente une cellule unitaire prise dans sa globalité d'un générateur d'ozone cylindrique, qui est caractérisée par des électrodes de phase ( 302) et à zéro ( 303) présentant une section transversale triangulaire, par des conduits d'air carrés ( 304) et par des tiges de support hexagonales ( 305). La figure 5 représente un assemblage partiel de plusieurs unités telles que représentées sur la figure 4, l'assemblage pris dans sa globalité étant renfermé dans un tube en métal. L'avantage de cet assemblage est la petite dimension du générateur d'ozone ainsi obtenu. La figure 6 est similaire à la figure 5 à ceci près que l'élément ( 5) représente un tunnel qui convoie un liquide de refroidissement. La figure 7 représente un mode de réalisation du système comprenant des composants poreux 401 séparés par des électrodes 402, 403 qui sont soit poreuses soit munies de trous de passage L'avantage de ce générateur est que du fait de la porosité du matériau isolant, les électrodes peuvent être très minces Par ailleurs, le refroidissement sera davantage efficace du fait que le passage d'air est réalisé au moyen d'un convoyage au travers de multiples pores. Les figures 8 (a) et 8 (b) représentent un mode de réalisation particulier dans lequel un multiplieur de tension continue est utilisé dans le générateur d'ozone En utilisant un déplacement mécanique ou une commutation de polarité desdites électrodes noyées respectivement dans un cylindre 501, 502, on obtient un champ électrique alternatif L'avantage de ce générateur est qu'un multiplieur de tension continue remplace le transformateur haute tension ordinaire Par conséquent, l'ozone est fabriqué à l'intérieur de l'espace séparant les deux cylindres qui se déplacent l'un par rapport à l'autre, d'o la génération du champ alternatif La tension élevée est obtenue à l'intérieur de l'unité, ce qui augmente notablement la sécurité du générateur d'ozone et ce qui simplifie la conception du système. La figure 9 est une représentation schématique d'un système qui utilise la présente invention pour la purification de l'eau, sur laquelle les repères correspondent aux éléments décrits de la façon suivante: 601: un conteneur permettant de recevoir l'ozone, lequel est réalisé en matière plastique, en verre ou en tout autre matériau approprié; 602: le couvercle du réservoir 603: les étagères positionnées à l'intérieur du réservoir, étagères sur lesquelles le matériau qui doit être traité par l'ozone est chargé; 604: un piège prévu au niveau de la sortie du conteneur pour l'enlèvement de toute trace d'ozone 605 le générateur d'ozone; 606 le générateur électrique 607 le filtre muni du matériau déhydratant au travers duquel l'air ou l'oxygène pénètre à l'intérieur du générateur; 608: un compresseur qui délivre de l'air ou de l'oxygène dans le générateur; 609 les contacts électriques 610 une gaine réalisée en verre fritté qui produit de très petites bulles d'ozone; 611: l'entrée pour l'ozone; et 612: la sortie pour les résidus d'ozone. Bien que l'invention ait été décrite en relation avec certains modes de réalisation particuliers, il est bien entendu que la description est proposée essentiellement à des fins d'explication de l'invention et non de limitation. REVENDICATIONS 1 Système permettant de produire de l'ozone à partir d'oxygène ou d'air, caractérisé en ce qu'il utilise un générateur qui comprend au moins deux électrodes ( 4) réalisées en un matériau léger, présentant un rapport aire de surface sur masse d'électrode élevé, enfermées dans une chambre refroidie par un gaz comprenant de l'oxygène à température ambiante, en ce qu'il présente une configuration dans laquelle le milieu de refroidissement est convoyé au travers desdites au moins deux électrodes ( 4), et en ce qu'il inclut des compartiments qui assurent le support mécanique et l'isolation électrique. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effet de refroidissement utilisé dans le générateur est assuré par une circulation d'air ou d'oxygène à température ambiante. 3 Système selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le séchage de l'oxygène ou de l'air appliqué au générateur est réalisé à l'aide d'un matériau déshydratant. 4 Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit matériau déshydratant est choisi parmi le chlorure de calcium, le perchlorate de magnésium, le pentoxyde de phosphore et le gel de silice. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites électrodes sont réalisées à partir d'un matériau léger choisi parmi un verre, une céramique ou une matière plastique recouverte d'une couche mince d'aluminium, présentant une constante diélectrique élevée. 6 Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les électrodes contenues dans ledit générateur sont concentriques à un tube diélectrique. 7 Système selon la revendication 1 à 5, caractérisé en ce que le générateur d'ozone présente une conformation du type plaque. 8 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le générateur d'ozone est alimenté par un courant alternatif provenant d'une source d'alimentation qui utilise une fréquence allant jusqu'à 20 k Hz. 9 Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite fréquence s'inscrit dans une plage qui va de 50 Hz à k Hz. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au moins deux électrodes ( 402, 403) sont réalisées en un matériau perforé, au moins un trou étant ménagé dans chaque électrode, les au moins deux électrodes étant séparées par un matériau poreux isolant ( 401). 11 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'au moins deux électrodes sont réalisées en un matériau poreux et sont séparées par un matériau poreux isolant. 12 Système selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'au moins deux électrodes sont contenues dans un cylindre électriquement isolé interne ( 502) et au moins deux électrodes sont enfermées dans un cylindre externe ( 501). 13 Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'ozone libéré depuis ledit système est mélangé dans un compartiment de mélange ( 9). 14 Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit compartiment de mélange ( 9) est muni d'un contrôleur de température pour permettre la condensation de la vapeur. Procédé de traitement caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un système de production d'ozone selon l'une quelconque des revendications 1 à 12 et à placer des matériaux solides sur des étagères contenues dans le conteneur d'ozone afin d'effectuer leur stérilisation.