1.14. EL OZONO
1.14.3. Generación de Ozono
La mayor parte de los generadores comerciales de ozono, en uso hoy en día emplean el método de descarga en corona. Estas unidades generan ozono de una composición entre 1 % y 2 % en peso, cuando se emplea aire ambiental como alimentación, en caso de emplear oxígeno puro la producción aumenta al doble. A continuación se exponen los distintos tipos de generación de ozono:
1.14.3.1. Generación por Descarga Eléctrica
Este procedimiento implica el paso de una corriente gaseosa de oxígeno (o aire) a través de electrodos (corona), donde se aplican descargas eléctricas a altas frecuencias. La generación de ozono se produce cuando los electrones libres colisionan con moléculas de oxígeno, produciéndose oxígeno atómico; éste a su vez colisiona con otra molécula de oxígeno para producir ozono. La corona de descarga eléctrica puede ser de dos tipos:
tubos concéntricos o placas planas paralelas. Los generadores comerciales de ozono usan generalmente una corona de descarga de tubos concéntricos. El mecanismo de formación de ozono en la corona se fundamenta en la disociación de una molécula de oxígeno
𝑒−(𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑡𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎) + 𝑂2 → 2 𝑂.+ 𝑒− (𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑗𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎)
[1.15]
Este oxígeno atómico reacciona con una nueva molécula de oxígeno para dar ozono:
𝑂2+ 𝑂 → 𝑂3 [1.16]
Así mismo, tanto el oxígeno atómico como los electrones pueden reaccionar con el ozono y descomponerlo:
2
3
20
0 +
0
[1.17]
0 0 e
0 +
e
- 3 2 [1.18]Más del 80 % de la energía entregada para la producción de ozono es convertida en calor. La remoción efectiva de este calor, es crítica, debido a que a temperaturas mayores de 35 ºC, parte del ozono se descompone a oxígeno gaseoso. El consumo de energía eléctrica de los generadores de descarga de corona es de 15 a 26 𝑘𝑊. ℎ/𝐾𝑔 𝑑𝑒 𝑜𝑧𝑜𝑛𝑜 cuando se usa aire como alimentación.
Además, la alta temperatura que se alcanza en la superficie de la corona de descarga, provoca la autodescomposición del ozono. Por tanto, el rendimiento neto de generación de ozono depende de numerosos factores, como la concentración de oxígeno en el gas, la temperatura y presión del gas, la diferencia de potencial en la corona, tiempo de residencia, sequedad y pureza, intensidad de la corriente, frecuencia de la corriente y espaciado entre electrodos.
1.14.3.2. Generación Fotoquímica
El oxígeno absorbe energía radiante desde la zona ultravioleta lejano del espectro hasta el infrarrojo próximo. La absorción es débil en las regiones visibles, ultravioleta e infrarrojas, pero tiene cierta importancia en el ultravioleta lejano. La formación de ozono a partir de oxígeno es un proceso endotérmico:
3 𝑂2 → 2 𝑂3 ∆𝐻 = 34 𝑘𝑐𝑎𝑙/𝑚𝑜𝑙 [1.19]
Desde el punto de vista termodinámico, solamente la radiación con longitud de onda inferior a 842 nm podría proporcionar esa energía. Sin embargo, si se considera el mecanismo probable:
2 𝑂2 → 𝑂3+ 𝑂 [1.20]
Entonces la longitud de onda máxima sería de 307 nm. En realidad, el mecanismo es mucho más complejo. Una molécula de oxígeno en su estado natural se disocia, por medio de la absorción de energía radiante,
en dos átomos de oxígeno que corresponde a una longitud de onda de 242 nm.
Se han observado otras reacciones que no se van a detallar en este apartado, pero si se puede comentar que en los procesos de formación y descomposición del ozono, el rango del espectro deseable es la zona inferior a 200 nm. Las lámparas de vapor de mercurio a muy baja presión (conocidas como de vacío) emiten una radiación que fundamentalmente corresponde a dos longitudes de onda: 185 nm y 254 nm. La línea espectral de 185 nm; que es absorbida principalmente por el oxígeno, da lugar a la generación de ozono y causa su fotólisis. [1]
Por último, hay que considerar que no toda la energía radiante se absorbe por el gas debido a las limitaciones de tamaño de la cámara, absorción por otros materiales, etc. En la práctica, a partir de aire se supone que solo el 37 % de la radiación ultravioleta se absorbe. Teniendo en cuenta este dato, la producción de ozono resulta de 0,72 g de ozono por 𝑘𝑊. ℎ
Como conclusión, hay que decir que la generación de ozono por esta vía solamente tiene de momento, interés en ozonizadores de laboratorio de baja producción, para la desinfección de agua de pozo, para ganado, para purificación de aire ambiental, etc.
1.14.3.3. Generación Electroquímica
Precisamente, el ozono se descubrió en la electrólisis del ácido sulfúrico a mitad del siglo XIX. La investigación en este campo fue muy abundante, si bien algunos problemas en el tipo de ánodo, composición del electrolito y temperatura de operación hicieron que este procedimiento para generar ozono fuese abandonado.
En la década de 1970, con el desarrollo novedoso del ánodo de dióxido de plomo, se dio un fuerte impulso a este vía. El proceso electrolítico se compone de la siguiente semi-reacciones: [1]
3 𝐻2𝑂 → 𝑂3+ 𝐻++ 6𝑒 −𝑉𝑂 = +1,51 𝑉 [1.21]
2 𝐻2𝑂 → 𝑂2+ 4𝐻++ 4𝑒 −𝑉𝑂 = +1,23 𝑉 [1.22]
En el cátodo:
𝑂2+ 4𝐻++ 4𝑒− → 2𝐻2𝑂 𝑉𝑂 = +1,23 𝑉 [1.23]
La tensión teórica de la célula para producir ozono es de 0,28 volt. En la práctica debe aumentarse ésta tensión con el objeto de eliminar la formación de oxígeno por sobretensión anódica, empleando un ánodo adecuado. Las tensiones normales se sitúan en el rango de 1,8 V a 2,11 V.
En este caso, la corriente de aire no burbujea en la solución de electrolito, solamente arrastra (y por tanto, diluye) el ozono gaseoso generado en el ánodo. El aire no tiene que secarse, tampoco debe eliminarse el dióxido de carbono que pudiere llevar ya que el electrolito es ácido y, por tanto, hace insoluble al dióxido de carbono. Modificando la intensidad de corriente y el caudal de aire se puede variar la concentración de ozono en el gas dentro de un amplio intervalo, llegando incluso al 10 %.
Este procedimiento tiene en rendimiento de ozono de aproximadamente 75 𝑔/𝑘𝑊. ℎ, menor que la corona de descarga, que resulta 140 𝑔/𝑘𝑊. ℎ. Sin embargo, este último dato no incluye el coste de oxígeno. En el caso de emplear aire, el rendimiento es de 65 𝑔/𝑘𝑊. ℎ y, además, hay que considerar el coste de secado del aire.
Al margen de los costos de operación, el coste de inversión de capital es 5 veces menor en el generador electroquímico que en la generación eléctrica por descarga en corona.