Ozono: Generación

Debido a su relativamente corta vida media, el ozono siempre es generado in-situ mediante un generador de ozono. Los dos principios para la generación de ozono son la luz UV y el efecto corona. La generación de ozono mediante el efecto corona es la técnica más común hoy en día y la que más ventajas presenta. Estas ventajas son una mayor sostenibilidad de la unidad, mayor producción de ozono y mayor efectividad de costo.

La luz UV puede ser rentable cuando la producción de ozono deseada es muy pequeña, como por ejemplo, en laboratorios [3,67]. Esta página se centra únicamente en el principio del efecto corona.

Una unidad de producción de ozono mediante este método está compuesta por las siguientes partes: fuente de oxígeno, filtros de polvo, deshumidificadores, generadores de ozono, unidades de contacto y antorcha [5].

En el generador de ozono el elemento de efecto corona está presente, el cual proporciona una carga capacitiva. Aquí se produce ozono a partir de oxígeno como resultado directo de una descarga eléctrica. El efecto corona rompe la molécula de oxígeno y forma dos radicales. Estos radicales se pueden combinar con otras moléculas de oxígeno para formar ozono. Para controlar y mantener la descarga eléctrica, hay un dieléctrico presente, el cual se encuentra dentro de una cerámica o vidrio. El calor formado en los electrodos se enfría mediante agua de refrigeración o aire (Figura 1) [3].

Figura 1: esquema del generador de efecto corona

Para la producción de ozono se puede emplear aire (suministrado por un compresor) u oxígeno puro (suministrado por un generador de oxígeno, o por botellas de oxígeno). Para acondicionar el aire se emplean deshumidificadores y filtros.

Para eliminar el ozono restante después de su uso, se emplean destructores de ozono. El mecanismo de estos sistemas puede estar basando en diferentes principios. Normalmente se emplean catalizadores, los cuales aceleran la descomposición de ozono en oxígeno (por ejemplo, óxido de magnesio).

La generación de ozono es un proceso que consume mucha energía, y el 90% de la corriente suministrada al generador se emplea para la producción de luz, sonido y calor primario [1,3]. Estos son los factores importantes que influencian la generación de ozono: la concentración de oxígeno en el gas de entrada, humedad y pureza del gas de entrada, temperatura del agua de refrigeración y los parámetros eléctricos. Es importante que estos factores sean óptimos para minimizar la energía necesaria para un alto rendimiento de ozono.


Temperatura del agua de refrigeración

Durante la generación de ozono también se produce calor. Por ello es necesario enfriar el generador. La reacción mediante la cual se genera ozono es reversible. El equilibrio se desplaza hacia la izquierda al aumentar la temperatura, produciendo así más moléculas de oxígeno:

- ∆T

3O₂ â‡Œ 2O₃

+ ∆T

La Figura 2 muestra la relación entre la temperatura del agua de refrigeración y el rendimiento de la generación de ozono. Se puede observar cómo al aumentar la temperatura del agua de refrigeración, la producción de ozono disminuye [1,5]. Para limitar la descomposición del ozono, la temperatura de descarga no puede ser superior a 25 ºC. Como consejo general, el agua de refrigeración debe tener una temperatura entre 5 y 20 ºC. Es importante que la temperatura del aire de entrada no sea muy alta.

Figura 2: influencia del agua de refrigeración en la eficiencia de la generación de ozono

Humedad del aire de entrada

El aire se seca mediante deshumidificadores antes de alimentar el gas de entrada al generador. El aire del ambiente contiene humedad, la cual reacciona con el ozono, causando una reducción en la eficiencia del proceso por kWh. Además, una elevada humedad da lugar a reacciones secundarias indeseadas en la unidad de corona. Si hay grandes cantidades de vapor de agua, se forman óxidos de nitrógeno. Estos óxidos pueden formar ácido nítrico, que a su vez es causante de la corrosión.

Además, también se forman radicales hidroxilo, los cuales se combinan con radicales de oxígeno y con ozono. Todas estas reacciones reducen la capacidad del generador de ozono [3,5].

En la Figura 3 se observa la influencia de la humedad en la capacidad de un generador de ozono. Las dos líneas descendientes muestran la capacidad del generador: “oxígeno” para un generador con alimentación de oxígeno, y “aire” para un generador con alimentación de aire. Para un punto de rocío de -10 ºC, la capacidad del generador alimentado por aire es únicamente el 60% de la capacidad máxima. Para generadores alimentados por oxígeno, esta capacidad es superior, alrededor de 85% [3].

Figura 3: influencia de la humedad del aire de entrada en la eficiencia de la producción de ozono

Para evitar estas reacciones secundarias, el aire de entrada pasa previamente por una cámara de secado, antes de la generación de ozono. Para el secado se emplea un compuesto de aluminio, similar a gel de sílice. En un generador de ozono se utilizan dos cámaras de secado de forma alterna. Tras utilizar una de las cámaras durante un cierto periodo de tiempo, el aire húmedo se hace pasar por la otra, mientras que la primera se regenera.

Pureza del gas de entrada

Hay que evitar la presencia de impurezas orgánicas en el gas alimentado, incluyendo impurezas provenientes de escapes de motor, fugas en los equipos de refrigeración o fugas en los sistemas de refrigeración de los electrodos. El gas alimentado al generador tiene que ser muy limpio. En la Figura 4 se puede observar un ejemplo donde la concentración de hidrocarburos se relaciona con la producción de ozono. Esta figura muestra que con una concentración de hidrocarburos del 1%, la producción de ozono es prácticamente nula [5].

Figura 4: influencia de los hidrocarburos en la producción de ozono

Cantidad producida de ozono versus concentración de oxígeno en el gas de entrada

El ozono se produce a partir del oxígeno, por lo que también puede producirse a partir de aire (21% oxígeno) o oxígeno oxígeno casi puro (e.g. 95%). Es posible producir oxígeno puro a partir de aire mediante un generador de oxígeno. La concentración de ozono y la producción del generador de ozono dependen, entre otros factores, de la concentración de oxígeno. Esto se puede observar en la Figura 5, en la cual se representa la producción de ozono frente a la concentración de oxígeno. Las diferentes curvas muestran la generación de ozono para diferentes consumos energéticos. En resumen, para una potencia eléctrica constante, la producción de ozono aumenta por un factor de 1,7 a 2,5 al utilizar oxígeno puro [3,5].

Figure 5: influencia de la concentración de oxígeno en la producción de ozono para diferentes corrientes eléctricas