Producción de ozono mediante UV

¿Cómo funciona un generador de ozono con lámpara UV?

El ozono se produce de forma natural en nuestro entorno todos los días. De hecho, lo primero que viene a la mente cuando se menciona la palabra ozono es la capa de ozono de la atmósfera. Este ozono, al igual que el ozono presente en la naturaleza, se produce a partir de la luz UV.

La luz UV también puede utilizarse para producir ozono comercialmente para una amplia variedad de aplicaciones. Aunque los generadores de ozono UV representan solo una pequeña fracción del mercado de generadores de ozono, es útil comprender cómo funcionan y para qué aplicaciones pueden ser adecuados.

Fundamentos de la producción de ozono a partir de luz UV:

La luz ultravioleta o UV es luz que tiene una frecuencia más alta que la luz visible. Como el violeta es el color de mayor frecuencia dentro de la luz visible, el término luz ultravioleta se aplica a la luz con frecuencias superiores a las de la luz visible.

La luz visible se mide normalmente en longitudes de onda, usando como unidad los nanómetros (nm). A medida que aumenta la longitud de onda (nm), disminuye la frecuencia de la luz. Por lo general, se define la luz visible como aquella que tiene longitudes de onda en el rango de 400 – 700 nm. La luz ultravioleta suele definirse como el rango entre 100 – 380 nm.

La luz UV en el rango de 160 – 240 nm produce ozono a partir del oxígeno. El ozono se crea mediante la fotólisis de la molécula de oxígeno (O2). Esto descompone la molécula y crea átomos de oxígeno con valencia (O), que luego se unen a moléculas individuales de oxígeno (O2) para formar ozono (O3).

Es importante tener en cuenta que toda luz UV comercial produce un rango de luz UV, no una sola longitud de onda. Una luz UV de longitud de onda de 185 nm está «ajustada» para producir luz UV a 185 nm, pero puede generar luz UV de 100 – 240 nm, o incluso más.

Producción natural de ozono a partir de luz UV:

El ozono se produce de forma natural por la luz UV proveniente de la luz solar. Este es un aspecto natural e importante de nuestro mundo. La mayor parte de la luz UV producida por el sol en el rango de 100 – 315 nm es filtrada por la capa de ozono de la atmósfera.

     -Las longitudes de onda de la luz UV inferiores a 240 nm producen ozono mediante la fotólisis de la molécula de oxígeno.

     -Las longitudes de onda de la luz UV entre 240-280 nm destruyen el ozono mediante la fotólisis de la molécula de ozono.

     -Las longitudes de onda de la luz UV entre 280-315 nm son absorbidas principalmente por la propia capa de ozono.

     -Las longitudes de onda de la luz UV entre 310-380 nm generalmente no se ven afectadas por el ciclo del oxígeno o del ozono, y la mayor parte llega a la superficie de la Tierra.

La luz UV produce ozono a partir del oxígeno atmosférico en longitudes de onda cortas, inferiores a 240 nanómetros (nm). La luz UV también destruye el ozono y lo descompone nuevamente en oxígeno atómico (O) y oxígeno diatómico (O2) en longitudes de onda de aproximadamente 200 nm a 315 nm. Por lo tanto, la capa de ozono filtra muy bien las longitudes de onda UV de aproximadamente 100 – 315 nm. Esto es importante, ya que estas son las longitudes de onda dañinas de la luz UV que causan quemaduras solares y daños en el ADN de los tejidos vivos.

La capa de ozono es una parte importante de la estratosfera de nuestro mundo. El nivel de ozono en la estratosfera oscila entre 2 y 8 ppm en la capa de ozono; por lo tanto, la mayor parte del oxígeno atmosférico permanece en forma diatómica (O2).

Producción comercial de ozono a partir de luz UV:

El corazón de todo sistema de ozono es el generador de ozono. El ozono (O3) se crea a partir del oxígeno (O2) en la naturaleza y también en los generadores de ozono para aplicaciones comerciales o industriales. Sin embargo, el ozono (O3) vuelve rápidamente a convertirse en oxígeno molecular (O2). El ozono no puede almacenarse debido a su corta vida media y debe producirse en el lugar y cuando se necesita. Por lo tanto, el generador de ozono es el componente más importante de cualquier sistema de ozono eficaz.

El ozono puede producirse comercialmente con un generador de ozono que utiliza luz UV. El ozono se produce a partir de longitudes de onda de luz UV entre 100 y 240 nm. Para este fin puede utilizarse una lámpara UV de onda corta y baja presión. Estas lámparas producen luz UV con dos picos en la banda UV: uno a 254 nm y otro a 185 nm. La luz de 185 nm es la que se conoce como lámpara «generadora de ozono», mientras que la luz de 254 nm se denomina lámpara «germicida».

Nota: la luz UV de 254 nm también se utiliza para descomponer el ozono en el aire o el agua, ya que la luz UV por encima de 240 nm fotoliza el ozono y lo convierte nuevamente en oxígeno.

Componentes:

En un generador de ozono, puede utilizarse una lámpara UV de 185 nm para producir ozono a partir de aire o de oxígeno gaseoso. La lámpara UV suele colocarse en una cámara donde el gas pasa directamente junto a la lámpara o a través de un tubo de cuarzo que la protege. El aire o el oxígeno que pasa junto a la lámpara UV se somete a la fotólisis de la molécula de oxígeno para crear ozono.

Los generadores de ozono por luz UV son bastante sencillos. Los únicos componentes necesarios para producir ozono son:

     -Lámpara UV de 185 nm

     -Balasto o transformador para alimentar la lámpara

     -Ventilador o bomba de aire para mover el aire a través del generador

Gas de alimentación:

Debido a la eficiencia eléctrica relativamente baja de la lámpara y a la eficiencia de la fotólisis del oxígeno en ozono, el uso de oxígeno en lugar de aire no mejora significativamente la eficiencia de producción de ozono. Por lo tanto, casi siempre se utiliza aire cuando el ozono se produce mediante luz UV.

Aunque la calidad del aire no afecta la producción de ozono en un generador de ozono UV de forma tan drástica como en un generador de ozono por descarga de corona, siempre existe una relación entre la calidad del aire y la producción de ozono. El aire limpio y seco produce ozono de manera más eficiente. Cualquier contaminante o humedad en el aire absorbe luz UV que debería reservarse para la producción de ozono. Por lo tanto, se recomienda utilizar aire limpio y seco para producir ozono.

Concentración de ozono:

Las lámparas UV siempre producen un amplio rango de longitudes de onda de luz UV. Aunque una lámpara de 185 nm está diseñada para producir la mayor cantidad de longitudes de onda UV por debajo de 240 nm, también produce algo de luz UV en el rango de 240 – 280 nm. Por este motivo, es imposible obtener altas concentraciones de ozono con las lámparas UV tradicionales de baja presión. Normalmente, las concentraciones máximas de ozono que se obtienen con lámparas UV de baja presión son de 0.5 % con aire frente a 1% con oxígeno. Estas concentraciones no son suficientes para la mayoría de las aplicaciones de tratamiento de agua, ya que la solubilidad del ozono en el agua es muy baja cuando las concentraciones de ozono son bajas.

Lámparas VUV:

Las lámparas de ultravioleta de vacío (VUV) pueden utilizarse para generar longitudes de onda UV en la banda de 100-200 nm. A veces se las denomina lámparas UV «ajustables», ya que pueden ajustarse para crear luz UV en longitudes de onda muy específicas. El uso de una lámpara VUV puede eliminar el amplio espectro de producción de luz UV y el problema de la creación y destrucción de ozono con una misma lámpara UV. Se han realizado numerosas investigaciones sobre el uso de lámparas VUV para producir ozono, junto con algunas implementaciones reales (muy limitadas) en aplicaciones comerciales. Es prometedor pensar que se podrían producir de manera eficiente altas concentraciones de ozono a partir de oxígeno utilizando únicamente una lámpara UV.

Ventajas de un generador de ozono UV:

     -Diseño sencillo: solo una lámpara UV con balasto y un ventilador

     -Bajo costo: gracias a su diseño sencillo

     -Menor producción de óxido nítrico

Desventajas de un generador de ozono UV: 

     -Baja producción de ozono: g/hr

     -Baja concentración de ozono: menos del 1% en peso

     -Será necesario reemplazar las bombillas y los balastos

INFORMACIÓN ADICIONAL:

-Cómo funcionan los generadores de ozono por descarga de corona

-Cómo medir la producción de un generador de ozono

Documento técnico: Sobre el rendimiento de los generadores de ozono que funcionan con descargas de barrera dieléctrica

Documento técnico: Guía para medir la concentración de ozono en el gas de proceso de un generador de ozono