DE4106568A1 - Vorrichtung zur erzeugung von ozon in fluessigkeiten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Er­ zeugung von Ozon in Flüssigkeiten.

Ozon wird in zahlreichen Anwendungsfällen aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften des Sterilisierens Desinfizie­ rens, Bleichens und Deodorierens verwendet.

In den letzten Jahren hat der Bedarf an kompakten Mehrzweck­ vorrichtungen zur Erzeugung von Ozon zugenommen. In der Ver­ gangenheit wurden kompakte, mit Ultraviolettstrahlen arbeiten­ de Vorrichtungen zur Erzeugung von Ozon verwendet, während neuerdings mit Oberflächenentladung arbeitende kompakte Keramikvorrichtungen verwendet werden.

Um Wasser mit einer konventionellen Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon zu behandeln wird unter Verwendung eines Gebläses Trägerluft in die Ozon erzeugende Vorrichtung eingebracht, wonach die Ozon enthaltende Trägerluft mittels einer blasen­ bildenden Einrichtung in das Wasser eingeleitet wird und damit die Ozon enthaltenden Blasen mit dem Wasser in Verbindung tre­ ten und sich in diesem lösen. Dabei ist es jedoch wesentlich, ein Gebläse und eine blasenbildende Einrichtung zu verwenden. Dies bedeutet einen wesentlichen Aufwand und auch probleme, die sich aus dem Abdichten von Löchern, der Absenkung des Wirkungsgrades oder aus Geräuschbildung ergeben. Werden diese konventionellen Vorrichtungen für Befeuchter oder Waschma­ schinen zur Abtötung von Bakterien verwendet, so ergeben sich schwerwiegende probleme durch das Austreten von Ozon aus der Trägerluft, wodurch menschliche Atmungsorgane beeinträchtigt werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit der die direkte Erzeugung von Ozongas in Wasser ohne Verwendung eines Gebläses oder einer blasenbildenden Einrichtung möglich ist.

Dabei soll insbesondere auch mehr Ozongas bei einem kleinen und einfachen Aufbau der Vorrichtung möglich sein.

Schließlich soll die Vorrichtung einfach und mechanisch un­ kompliziert sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des patentan­ spruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich also um eine Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon in Flüssigkeiten oder Lösungen durch Befestigung wenigstens eines paars von sich gegenüberstehenden Elektroden in Flüssigkeiten (Wasser oder Lösungen, wie beispielsweise H₂SO₄ HClO₄ HBF₄ H₃PO₄ usw), wobei diese Elektroden mit einer elektrischen Spannungsquelle verbunden sind. Die durch Dissoziation der Wassermoleküle erzeugten O-Atome werden zur Bildung von molekularem Ozongas in Form von Blasen kombiniert und in der Flüssigkeit gelöst und gehalten. Auf diese Weise ist die Lösung, in der Ozongas gelöst und gehalten ist, direkt oder indirekt verwendbar; an­ dererseits kann das Ozongas zum Sterilisieren, Desinfizieren oder Bleichen durch Abtrennen in Trägerluft verwendet werden.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in Wasser befestigt, so werden Ozongasblasen von Molekulargröße in Wasser vollständig gelöst, erzeugt und gehalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt also den Vorteil daß keine Hilfseinrichtungen, wie beispielsweise ein Gebläse oder eine Difussioneinrichtung er­ forderlich sind, und daß aus dem Trägergas kein Ozongas aus­ treten kann.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteran­ sprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Ausführungsform;

Fig. 2 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform; und

Fig. 3 ein Diagramm einer in Elektroden der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung einzuspeisenden Rechteckspannung.

Bei der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungs­ form sind drei paare von Streifenleitungselektroden 2, 2′ mit Außenanschlüssen 3, 3′ auf einem Substrat 5 in der Weise be­ festigt, daß die Elektroden 2, 2′ jedes paares mit einem Ab­ stand von 1 mm sich gegenüberstehend angeordnet sind. Die Elektroden 2, 2′ sind in einem Behälter 1 mit einem Einlaß 4 und einem Auslaß 4′ angeordnet, über die Wasser in den Behäl­ ter hinein und aus ihm heraus fließen kann. Wird den Elektro­ den 2, 2′ über die Anschlüsse 3, 3′ ein elektrischer Strom zugeführt, so werden über die Elektroden 2, 2′ Wassermoleküle zur Erzeugung von Ozongas in Wasser dissoziiert. Es ist zwar möglich, zur Erzeugung der erforderlichen Menge von Ozongas lediglich ein paar von sich gegenüberstehend angeordneten Elektroden zu verwenden; es ist jedoch auch möglich, zwei oder mehr Elektrodenpaare vorzusehen.

Es hat sich gezeigt daß sich Metalle, wie beispielsweise Pt, PbO₂ und SnO₂, welche oxidationsbeständig sind, als Material für die Elektroden eignen.

Es ist möglich, den Abstand zwischen den Elektroden im Bereich. von 0,01 bis 2 mm in Abhängigkeit von der Größe der Elektroden und der Impulsspannung zu variieren. Die Menge des erzeugten Ozongases kann durch Wahl einer größeren Länge der erzeugenden Elektroden 2, 2′ oder durch Erhöhung der elektrischen Stromzu­ fuhr erhöht werden.

Es ist möglich, die Elektroden 2, 2′ drahtförmig auszubilden, wobei jedoch die Tendenz eines Abschneidens durch Kurzschluß besteht, wenn die Drahtelektroden zur Anpassung an die gefor­ derte Ozonmenge länger werden.

Werden die Elektroden jedoch durch Drucken Galvanisieren oder in der Halbleitertechnik verwendete Herstellungsverfahren (beispielsweise Vakuumabscheidung, CVD-Verfahren, Siebdruck, Atzen, usw.) auf einem isolierenden Substrat ausgebildet, so ist es möglich, mit Mitteln der Massenproduktion teure Elek­ trodenmaterialien zu sparen und Drahtdurchtrennprobleme zu vermeiden. Es ist weiterhin möglich, in Abwandlung von der Ausführungsform nach Fig. 1 weitere Elektroden auf der Ober­ und Unterseite des Behälters vorzusehen.

Fig. 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon in Wasser, bei der zwei sich gegenüberstehende Elektroden auf porösen Isolator­ substraten 12, 12′ vorgesehen sind und mit Außenanschlüssen 13, 13′ verbunden sind. Diese Elektroden werden in einem Be­ hälter 11 mit einem Einlaß und einem Auslaß 14, 14′ für Was­ ser sich gegenüberstehend angeordnet, wobei zwischen ihnen Isolatoren 15 und 15′ vorgesehen sind.

Versuche mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zur Er­ zeugung von Ozon in Wasser zeigen daß die probleme eines Elektrodenkurzschlusses vermieden werden, wobei zwar der Wirkungsgrad der Ozonerzeugung etwas verringert wird. Es ist natürlich möglich die Elektroden auf dem porösem Substrat 12, 12′ maschenförmig auszubilden.

In den koreanischen Patentanmeldungen Nr. 87-15 779 (Verfahren zur Erzeugung von Ozon in Wasser und Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens) und Nr. 88-9 916 (Verfahren zur Her­ stellung von Ozon in Wasser und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens) der Anmelderin sind sich gegenüberstehend befestigte Elektroden beschrieben, die jedoch drahtförmig, nadelförmig oder scheibenförmig ausgebildet sind. Bei derar­ tigen Formen muß die Elektrodenlänge groß sein, so daß die Tendenz zu Kurzschlüssen besteht, wenn die Vorrichtung in Anpassung an die Menge des erforderlichen Ozons größer wird. Bei nadelförmigen Elektroden ergibt sich ein Abriebproblem in den Nadelspitzen bei der Herstellung sowie bei der Ozonerzeu­ gung. Bei scheibenförmigen Elektroden ist die Ozonerzeugung und -Trennung sowie die Wärmeableitung zwischen den Elektro­ den schwierig, wenn in Anpassung an die erforderliche Ozonmen­ ge der Abstand zwischen den Elektroden extrem klein wird. Diese Elektrodenformen tragen daher zu einem geringen Wir­ kungsgrad bei der Ozonerzeugung bei und sind für die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung nicht verwendbar.

Der Erfindung zugrundeliegende Untersuchungen mit verschiede­ nenen Elektrodenformen haben schließlich dadurch zur Lösung der vorgenannten probleme geführt, daß die Elektroden als Streifenleitung auf einem Isolatorsubstrat ausgebildet wer­ den. Durch Anwendung verschiedener Techniken, wie beispiels­ weise Drucken, Galvanisieren oder Verfahren aus der Halblei­ tertechnik wird es möglich, einen gleichförmigen Elektroden­ abstand zu realisieren und den Elektrodenabstand bis hinunter zu einem Bereich von 0,01 bis 1 mm extrem klein zu machen. Die den Elektroden zuzuführende elektrische Spannung kann daher wesentlich verkleinert werden, wodurch auch die als Wärme zwischen den Elektroden auftretende elektrische Verlustlei­ stung auf ein Minimum reduziert wird. Der Wirkungsgrad der Ozonerzeugung wird daher im Vergleich zu plattenförmigen Elektroden wesentlich verbessert, was auch dazu zu Stande kommt, daß sich zwischen den Endflächen der sich gegenüber­ stehend angeordneten Streifenleiter-Elektroden ein starkes, jedoch nicht gleichförmiges elektrisches Feld bildet. Da­ rüberhinaus werden Abriebprobleme oder Kurzschlußprobleme, wie sie bei drahtförmigen oder nadelförmigen Elektroden auftreten, vermieden. Die Zuverlässigkeit und Stabilität der Vorrichtung ist wesentlich verbessert, wobei auch eine große Verringerung (etwa 1/10) der Materialmengen (beispielsweise Pt usw.) zu ge­ ringeren Herstellungskosten führt.

Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon mit Mikrogröße ergeben sich keine wesentlichen probleme, selbst wenn Elek­ troden mit Formen verwendet werden, wie sie in den obenge­ nannten koreanischen patentanmeldungen Nr. 87-15 779 und 88-9 918 beschrieben sind, wenn die erforderliche Ozonmenge sehr klein ist. Es ist auch möglich, das Isolatorsubstrat, auf dem die Streifenleiter-Elektroden vorgesehen sind, auf der Ober- oder Unterseite des Behälters oder in dessen mittleren Bereich zu befestigen.

Speziell bei der Ausbildung von Streifenleitungs-Elektroden auf beiden Seiten des Isolatorsubstrats ist deren Anordnung nicht beschränkt. Das Substrat 5, auf dem die Elektroden 2, 2′ sich gegenüberstehend angeordnet sind, kann je nach Bedarf neben der obenbeschriebenen plattenform auch andere Formen, wie beispielsweise Zylinderform, Tetraederform oder Rohrform besitzen. Es ist auch möglich, in Anpassung an die jeweilige Verwendung und die benötigte Ozonmenge mehrere Substrate 5 in Serie oder parallel zu kombinieren. Es ist weiterhin möglich, im Substrat 5 Löcher vorzusehen, durch die Wasser durch die Elektrodenplatten fließen kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung stellt eine Verbesserung hin­ sichtlich der Spannungsversorgung gegenüber von Vorrichtungen dar, wie sie in den obengenannten koreanischen patentanmel­ dungen Nr. 87-15 779 und 88-9 916 beschrieben sind. Die Vorrich­ tungen nach diesen koreanischen patentanmeldungen sind mit Nachteilen behaftet, welche sich aus einer Gleichspannungs­ versorgung ergeben. Dabei handelt es sich um das Anlagern von im Wasser befindlichen Schmutzpartikeln auf den Elektroden, wenn die Vorrichtung für lange Zeit benutzt wird. Daraus er­ gibt sich eine Verringerung des elektrischen Stroms und der erzeugten Ozonmenge, wodurch die Vorrichtung schließlich un­ brauchbar wird. Derartige Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß den Elektroden 2, 2′ oder 12, 12′ eine Rechteckimpulsspannung 20 mit alternierend positiven und nega­ tiven Impulsen 21, 21′ zugeführt wird, wodurch Verschmutzungs­ probleme vollständig vermieden werden.

Durch Änderung der Frequenz der impulsförmigen Wechselspannung ist es möglich, im Vergleich zu der bei einer Gleichspannungs­ versorgung erzeugten Ozonmenge eine Mengenerhöhung von bis zu einem maximalen Faktor von 1,5 zu realisieren. In solchen Fäl­ len ist es möglich, eine adäquate Pausenzeit 23 in der Recht­ eckimpuls-Wechselspannung 20 von 0,1 bis 1000 ms vorzusehen, wodurch Halbleiterelemente in der Spannungsversorgungsschal­ tung geschützt werden. In bestimmten Fällen ist die Pausenzeit 23 für Vorrichtungen zur Ozonerzeugung mit Mikrogröße nicht notwendig, da lediglich ein kleiner Strom erforderlich ist.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon in einem oben offenen Rohr befestigt, das eine stehende Lö­ sung (beispielsweise H₂SO₄, HClO₄, HBF₄, H₃PO₄, usw.) mit hoher elektrischer Leitfähigkeit an Stelle von Wasser mit kleiner elektrischer Leitfähigkeit enthält, und wird eine elektrische Versorgungsspannung (Gleichspannung oder impuls­ förmige Spannung) zugeführt, so fließt ein großer elektri­ scher Strom in die Lösung. Dann wird proportional zu diesem Strom eine große Ozonmenge erzeugt wobei die Lösung mit Ozon gesättigt wird und Ozonblasen aus dem die Lösung enthaltenden Rohr in die Luft abgetrennt werden. Wird Trägerluft (bei­ spielsweise Stickstoff, usw.) in die Oberseite des die Lösung enthaltenden Rohres eingeleitet, so enthält sie Ozon, wobei die Ozonkonzentration durch Änderung der Strömungsgeschwin­ digkeit der Trägerluft gesteuert werden kann.

Obwohl sich die vorgenannte Art der Erzeugung von Ozon voll­ ständig von der Arbeitsweise konventioneller Vorrichtungen zur Ozonerzeugung unterscheidet, kann sie entsprechende Anwendung auch in kleinen Vorrichtungen zur Ozonerzeugung angewandt wer­ den.

Darüberhinaus besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß eine höhere Ozonkonzentration (10%) im Vergleich zur Konzentration (2%) einer konventionellen Vorrichtung er­ reichbar und eine Verbesserung des Wirkungsgrades zu erwarten ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dabei ebenso wie die konventionelle Vorrichtung als Vorrichtung zur Erzeugung von Ozongas in Luft verwendet werden. Darüberhinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Lösung und beim Halten der gleichen Ozonmenge in Wasser weniger aufwendig, da kein Gebläse und/oder auch keine Diffusionseinrichtung verwendet werden muß.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mechanisch unproblema­ tisch und es tritt auch kein Ozon in den Lebensbereich von Menschen oder Tieren aus. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung einen hohen Wirkungsgrad, eine lange Lebensdauer und eine gute Zuverlässigkeit besitzt, ist sie in vielen Anwendungsfällen, beispielsweise bei der Steuerung von biologischen Risikofäl­ len in der Herstellung von Nahrungsmitteln und pharmazeuti­ schen Chemikalien, in der Wasserversorgung und Handhabung ge­ ringerer Abfälle, bei der Sterilisation und Lagerung von Nahrungsmitteln und landwirtschaftlichen produkten, sowie bei der Desinfizierung von öffentlichen Gebäuden und Geschäftshäu­ sern für die Wahrung der öffentlichen Hygiene (beispielsweise Restaurants, Hotels, Krankenhäuser, öffentliche Bäder usw.) anwendbar.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von Ozon in Flüssigkeiten mit wenigstens einem mit einer Rechteckimpuls-Wechselspan­ nung gespeisten paar von Elektroden (2, 2′), die in Wasser oder Lösungen sich gegenüberliegend befestigt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechteckimpulsspannung Pausenzeiten aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß wengistens eine Seite der Elektroden (2, 2′) als dünne Streifenleitung ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die als dünne Streifenleitung ausgebildeten Elektroden (2, 2′) auf einem Isolatorsubstrat (5) vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beide Seiten der Elektroden (2, 2′) als scheibenförmiges Maschengitter (12, 12′) ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 2′) auf einem porösen Substrat vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (2, 2′) im Bereich von 0,01 bis 2 mm liegt.