СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЗОНА
METHOD OF PRODUCING OZONE

Изобретение относится к плазменной технике и технологи, способам и устройствам для получения озона, дезинфекции воздуха и обеззараживания воды, и может быть использовано в медицинской, химической и других областях промышленности, а также для очистки от микробных загрязнений подземных и поверхностных вод.
Известны способ и устройство получения озона. Синтез озона из газообразного кислорода происходит под воздействием тихого электрического разряда. С этой целью в зазор между электродами, подключенными к источнику высокого напряжения, пропускается воздух или чистый кислород. Напряжение, подающееся на электроды, обычно составляет от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч вольт. Лучшая производительность достигается при использовании чистого кислорода, максимально низкой температуры газа и применении пульсирующего постоянного тока. Зазор между электродами и эффективная площадь электродов определяются рабочим напряжением и скоростью подачи кислородосодержащего газа. Металлические электроды могут каталитически разлагать соприкасающийся с ними озон. Поэтому их часто помещают внутрь тонкой стеклянной оболочки. Иногда в качестве своеобразных электродов выступают трубки, заполненные проводящей жидкостью, например, серной кислотой. Электродные пары для повышения производительности аппарата часто собирают в большие пакеты, охлаждаемые проточной водой. Концентрация озона на выходе из таких реакторов (в зависимости от их конструкции и содержания кислорода в исходной газовой смеси) обычно не превышает нескольких процентов, а при использовании атмосферного воздуха составляет лишь доли процента. Кроме того, озонсодержащая газовая смесь, получаемая в тихом разряде из атмосферного воздуха, содержит значительное количество оксидов азота, обладающих высокой реакционной способностью, что является неприемлемым для многих технологических процессов. Поэтому, применение в качестве исходного сырья для синтеза озона чистого кислорода (который может быть легко рекуперирован) часто бывает рентабельнее, чем применение атмосферного воздуха (О.В.Филиппов, В.А.Вобликова, В.И.Пантелеев, Электросинтез озона // МГУ им. М.В.Ломоносова. - Москва: Издательство МГУ, 1987).
Известен так же способ получения озона с использованием барьерного разряда - разряд, возникающий между двумя диэлектриками или диэлектриком и металлом в цепи переменного тока, является эффективным и экономичным генератором озона. К барьерному разряду можно отнести несколько типов разрядных ячеек: объемный барьерный разряд. Этот тип барьерного разряда занимает промежуточное положение между объемным и поверхностным разрядами и широко используется в качестве генераторов ультрафиолетового излучения люминофоров в плазменных разрядных панелях (плазменных телевизорах). В таких разрядных ячейках электроды расположены вдоль поверхности на равных расстояниях и сверху закрыты слоем диэлектрика, напряжение прикладывается к каждой паре электродов, и между всеми соседствующими электродами возникает разряд. Подобные разряды ячейки очень заманчиво применить для синтеза в них озона, особенно учитывая хорошо отработанную технологию создания разрядных панелей, однако, копланарная газоразрядная панель создавалась для работы в инертных средах. Поэтому работа ячейки с заполнением ее кислородом или атмосферным воздухом может осуществляться только при пониженном давлении, а попытка получить устойчивый разряд при атмосферном давлении приводит к пробою диэлектрического покрытия. В экспериментальной установке, на описанной выше разрядной ячейке, были получены концентрации озона до 25 мг/л, при давлениях от 0,2 до 0,5 бар (В.И.Гибалов, А.Т.Рахимов, А.Б.Савельев, В.Б.Саенко // Особенности электросинтеза озона в поверхностном барьерном разряде. Препринт НИИЯФ МГУ - №99 - 18/576.1999.28 с.).
Практическое применение ячеек копланарной геометрии в качестве озонаторов вызывает сомнение, несмотря на достаточно высокий выход озона. Эти ячейки очень дороги, недостаточно прочны и способны работать только при пониженном давлении.
Известен так же способ получения озона под воздействием ультрафиолетового излучения. В данном случае синтез озона более прост в реализации, но значительно менее производителен. Он состоит в том, что кислородосодержащий газ пропускается через охлаждаемый и прозрачный для ультрафиолетового излучения (например, кварцевый) реактор, облучаемый источником ультрафиолетового излучения, имеющим подходящий спектр. В качестве газа, как правило, используется чистый кислород. В качестве источника для самодельных приборов удобны лишенные кожуха ртутные лампы высокого давления (типа ДРЛ). Выход озона при использовании УФ-установок невысок, поэтому в промышленно выпускаемых приборах этот метод, как правило, не реализуется. (Материалы из википедии - свободной энциклопедии).
3
3
В качестве прототипа выбран способ получения озона с использованием коронного разряда. Коронный разряд образуется, когда электрическое поле вокруг проводника сильно неоднородно, в воздухе происходит ионизация, сопровождаемая свечением, проводник при этом окружен как бы короной. Свечение не достигает противоположного электрода, затухая в окружающем газе. В зависимости от коронирующего электрода различают отрицательную и положительную корону, а в зависимости от способа питания - корону постоянного и переменного тока, импульсную и т.п. Количество озона, образующееся в коронном разряде, колеблется от 15 до 25 г О/кВтч. Преимуществом озонаторов на основе коронного разряда является в первую очередь простота конструкции и неограниченность «разрядного промежутка». Газ можно прокачивать без дополнительного сопротивления, например, по широкой трубе с проволокой вдоль оси. Озонаторы на основе коронного разряда применяют чаще всего в вентиляционных сооружениях. Энергетический выход озона в коронном разряде может доходить до 200-250 г О/кВтч при применении электропитания с короткими импульсами, с крутым фронтом нарастания напряжения. Однако создание таких сложных генераторов электропитания, каких требует наносекундный импульсный разряд, является слишком дорогостоящим усложнением системы озона (Монография А.В.Токарев // Коронный разряд и его применение. Бишкек: КРСУ. 2009. - 138 с.).
Решаемая техническая задача заключается в упрощении способа получения озона в процессе горения СВЧ разряда между электролитом, катодом и твердым анодом и повышении его производительности.
и
и
Решаемая техническая задача в способе получения озона, включающим подачу напряжения между электродами, достигается тем, что в качестве одного из электродов - катода используют техническую воду - электролит, зажигают электрический разряд путем подачи напряжения между твердым анодом и электролитическим катодом, равным U=28-75 кВ, частотой импульса f=40-100 МГц, при межэлектродном расстоянии 2≤l≤20 мм, где U - напряжение разряда, l - расстояние между твердым анодом и электролитическим катодом, f - частота импульса.
На фиг.1 приведен чертеж устройства для получения озона.
На фиг.2 изображена фотография электрического разряда между твердым цилиндрическим анодом и электролитическим катодом.
На фиг.3 изображена фотография электролитического разряда между пластинчатым анодом и электролитическим катодом.
Устройство (фиг.1) для получения озона содержит: 1 - электролитическая ванна; 2 - электролитический катод; 3 - твердый анод; 4 - стальная пластина для подвода отрицательного потенциала; 5 - СВЧ-генератор; 6 - электрический разряд.
На фиг.2 показано горение СВЧ разряда 6 между цилиндрическим анодом 3 и электролитическим катодом 2.
На фиг.3 показано горение СВЧ разряда 6 между пластинчатым анодом 3 и электролитическим катодом 2.
и
и
Рассмотрим осуществление способа получения озона. Осуществляют подачу напряжения между анодом 3 и электролитом 2. В качестве одного из электродов используют техническую воду - электролит 2, являющуюся очищаемой водой, проточный или не проточный, зажигают электрический разряд путем подачи напряжения между твердым анодом 3 и электролитическим катодом 2, равным U=28-75 кВ, с частотой импульса f=40-100 МГц, при межэлектродном расстоянии 2≤l≤20 мм, где U - напряжение разряда, l - расстояние между твердым анодом и электролитическим катодом, f - частота импульса. В качестве рабочей среды используется воздух, а так же может быть использован кислород. Устанавливают расстояние между твердым анодом и электролитическим катодом 2≤l≥20 мл.
По времени - процесс получения озона ведут следующим образом. Разряд зажигают между твердым анодом 3 и электролитическим катодом 2, процесс получения озона ведут в течение времени для необходимой концентрации озона в воздухе или в электролите проточной или непроточной.
Режимы выбраны именно такими, т.к. только при таких условиях обеспечивается получение заявленного озона.
Озонирование - это относительно безвредная и безопасная очистка воды по сравнению с хлорированием. Озоновые системы очистки воды безопаснее и безвреднее установок, связанных с использованием хлора, т.к. хлор образует с водой соединения типа хлорноватой кислот.
Выбор того или иного способа очистки воды определяется прежде всего целью, сложностью и дороговизной самого способа, а также масштабами, техническими и материальными возможностями потребителя. Озоновые очистители воды лучше всего подходят для тонкой очистки и обеззараживания воды в системах промышленного и коллективного использования воды и для обеззараживания воды в бассейнах.
В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и других городах).
Таким образом, в предлагаемом способе получения озона, решаемая техническая задача получения озона достигается за счет устойчивого горения СВЧ разряда между электролитическим катодом (проточный или непроточный) и твердым анодом любой геометрической формы при атмосферном давлении. По сравнению с прототипом, предлагаемое изобретение имеет простоту конструкции и небольшие габариты установки, экологическую безопасность и энергосбережение. Имеется большой выход озона - производительность озона меняется от 250 г/час до 500 г/час. Производительность озона этим не ограничена. Возможность предлагаемого способа - одновременно произвести очистку воды и воздуха простым и дешевым способом по сравнению с прототипом.
и
и
и
и
Согласно приведенным графикам, (фиг.4, 5, 6, 7) при частоте f=40 МГц чистый озон в воздухе выделяется от 250 до 410 г/ч (фиг.4). При частоте f=56 МГц имеем выход озона от 280 до 470 г/ч (фиг.5). При частоте f=74 МГц выход озона составляет от 270 до 470 г/ч (фиг.6). При частоте f=100 МГц чистый озон в воздухе выделяется от 260 до 500 г/ч (фиг.7).
Процесс получения озона ведут в течение времени до достижения необходимой среднесуточной ПДК (0,03 мг/куб.м), (гигиенические нормативы - ГН 2.1.6.1338-03, Изд. 2003 г., г. Москва, Пост. РФ), при этом время зависит от объема обрабатываемого помещения, также время зависит от степени загрязненности воздуха (сильные запахи, табачный дым, выхлопные газы и т.д.). Таким образом, по сравнению с прототипом, по предлагаемому техническому решению производительность получения озона повышается на порядок.