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Génération de l'ozone

Température de l'eau de refroidissement Humidité d'entrée d'air Pureté du gaz (entrée) Ozone et oxygène

A cause de sa relativement courte durée de vie, l'ozone est toujours généré sur site grâce à un générateur d'ozone. Les deux principaux principes de génération d'ozone sont les lumières UV et les décharges corona. La génération d'ozone par décharge corona est plus courante de nos jours et a plus d'avantages. Les avantages de la méthode de décharge corona sont une plus grande durabilité de l'unité, une meilleure production d'ozone et un meilleur rapport coût/efficacité.
La lumière UV peut être utilisable lorsque des petites quantités d'ozone sont désirées (par ex: laboratoires) [3,67]. Ce chapitre se concentrera seulement sur le premier principe mentionné.
Une unité de production d'ozone avec une décharge-corona est composée des parties suivantes: une source d'oxygène, des filtres à poussières, de sécheurs de gaz, de générateurs d'ozone et d'unités de contact [5].
Dans le générateur d'ozone, l'élément de décharge-corona est présent, qui fournit une charge capacitive. Ici, l'ozone est produit à partir de l'oxygène en tant que résultat direct de décharge électrique. Cette décharge-corona rompt la molécule stable d'oxygène et forme deux radicaux d'oxygène. Ces radicaux peuvent se combiner avec les molécules d'oxygène pour former l'ozone. Pour contrôler et maintenir la décharge électrique, un milieu diélectrique est présent, effectué en céramique ou en verre. La chaleur excessive des électrodes est souvent refroidie par l'eau de refroidissement, ou par l'air (figure 1) [3].

Figure 1: générateur de décharge-corona

Pour la production d'ozone, l'air ambiant peut être utilisé (fourni par un compresseur) ou de l'oxygène pur (fourni par un générateur d'oxygène, ou parfois par des bouteilles d'oxygènes). Pour conditionner cet air, des sécheurs d'air et des filtres à poussières sont utilisés.
Pour éliminer l'ozone restant après utilisation, des destructeurs d'ozone sont utilisés. Le mécanisme du destructeur d'ozone peut être basé sur différents principes. Généralement un catalyseur est utilisé, qui accélère la décomposition de l'ozone en oxygène (par ex: oxyde de magnésium).
La génération d'ozone est à forte intensité énergétique, avec environ 90% de la puissance fournie au générateur étant utilisée pour produire une chaleur primaire saine et légère [1,3]. Les facteurs importants qui influencent la génération d'ozone sont: la concentration d'oxygène du gaz d'entrée, l'humidité et la pureté du gaz d'entrée, la température de l'eau de refroidissement et les paramètres électriques. Pour minimiser l'énergie qui est utilisée à un haut rendement d'ozone, il est important que ces facteurs soient optimaux.

Température de l'eau de refroidissement

La génération d'ozone est accompagnée par la formation de chaleur. Ceci rend important le refroidissement du générateur. Une réaction d'ozone est réversible et ceci augmente lorsque la température augmente. Ainsi, plus de molécules d'oxygènes sont formées:

- ∆T

3O2 ⇌ 2O3

+ ∆T

La figure 2 illustre la relation entre la température de refroidissement de l'eau et le rendement de la génération d'ozone. Cette figure montre qu'une augmentation de la température de refroidissement de l'eau a pour conséquence une diminution de la production d'ozone [1,5]. Pour limiter la décomposition de l'ozone, la température dans l'espace de décharge ne devrait pas être supérieure à 25 °C. L'avis général est que l'eau de refroidissement peut augmenter de 5 °C à 20 °C maximum. Il est important que la température de l'entrée d'air ne soit pas trop élevée.

Figure 2: influence de l'eau de refroidissement dans l'efficacité de la génération d'ozone

Humidité d'entrée d'air

Avant que le gaz d'alimentation entre dans le générateur d'ozone, les sécheurs d'air devrait sécher l'air. L'air ambiant contient de l'humidité qui réagit avec l'ozone. Ceci conduit à la réduction du rendement de l'ozone en kWh. Un problème supplémentaire de la forte humidité est qu'une réaction indésirable se produit dans l'unité corona. Lorsqu'une augmentation des quantités de vapeur d'eau est présente, de plus grandes quantités d'oxyde d'azote sont formées lorsque les déchargent se produisent. L'oxyde d'azote peut former l'acide nitrique qui peut provoquer la corrosion.
De plus, les radicaux-hydroxydes sont formés se combinant avec les radicaux d'oxygène et avec l'ozone. Toutes ces réactions réduisent la capacité du générateur d'ozone [3,5].

La figure 3 montre l'influence de l'humidité sur la capacité d'un générateur d'ozone. Les deux courbes décroissantes illustrent la capacité du générateur: "oxygen" pour un générateur d'alimentation d'oxygène et "air" pour un générateur d'alimentation d'air. A un point de rosée de -10 °C, la capacité du générateur d'alimentation d'air est seulement de 60% de la capacité totale. Pour les générateurs d'ozone qui sont alimentés par l'oxygène, cette capacité est plus élevée; environ 85% [3].

Figure 3: influence de l'humidité d'entrée d'air sur l'efficacité de la production d'ozone

Pour empêcher ces réactions parallèles, l'air d'entrée passe dans une chambre de séchage avant que l'ozone soit généré. Pour le séchage, un composant aluminium peut être utilisé. Dans un générateur d'ozone, au moins deux chambres de séchage sont utilisées alternativement. Lorsqu'une chambre de séchage est utilisée pour une certaine période de temps, l'air humide est conduit dans une autre chambre de séchage, tandis que la première est régénérée.

Pureté du gaz (entrée)

La présence d'impuretés organiques dans le gaz d'alimentation peut être évitée, incluant les impuretés résultant des échappements de moteur, des fuites dans les groupes de refroidissement, ou les fuites dans les systèmes de refroidissement d'électrode. L'approvisionnement en gaz pour le générateur doit être très propre. Un exemple est donné en figure 4, où la concentration en hydrocarbure est mis en relation avec le rendement en ozone. Cette figure montre que pour un concentration en hydrocarbure d'environ 1%, la génération d'ozone approche de zéro [5].

Figure 4: influence des hydrocarbures sur le rendement de génération d'ozone

Production de la quantité d'ozone par rapport à la concentration d'oxygène de l'entrée d'air

L'ozone est produit à partir de l'oxygène, ainsi il peut être produit à partir de l'air ambiant (21 % d'oxygène) ou par de l'oxygène presque pur (par ex. 95 %). L'oxygène pur peut être généré à partir de l'air ambiant par l'intermédiaire d'un générateur d'oxygène. La concentration d'ozone que délivre un générateur d'ozone dépend de la concentration d'oxygène (parmi d'autres). Ceci est montré sur la figure 7, où la concentration d'oxygène est représenté graphiquement suivant la concentration d'ozone. Les lignes diverses démontrent les générateurs de l'ozone avec l'utilisation différente d'énergie. En résume, on constate que la production d'ozone augmente d'un facteur 1,7 à 2,5 lorsque d'oxygène pur est employé, à puissance électrique constante [3,5].

Figure 7: influence de la concentration d'oxygène sur la production d'ozone à différents courants électriques

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