Gas de alimentación de O3

Preparación del gas de alimentación del generador de ozono:

El ozono se produce a partir de oxígeno. Para ello, se debe alimentar alguna forma de oxígeno al generador de ozono. Casi toda la generación de ozono para usos industriales y comerciales se realiza mediante descarga de corona de algún tipo. Debido a esto, la siguiente información sobre la preparación del gas de alimentación cubrirá la preparación del gas de alimentación para generadores de ozono por descarga de corona.

Aire seco para la generación de ozono:

El aire de la atmósfera está compuesto por ~21% de oxígeno, 78% de nitrógeno y 1% de otros gases inertes. El oxígeno del aire que respiramos a diario puede utilizarse para generar ozono con gran eficacia. Sin embargo, los contaminantes presentes en este aire pueden producir impurezas durante la producción de ozono y en el gas de ozono. Por lo tanto, el aire que se suministre a un generador de ozono debe estar limpio y filtrado. Además, este aire debe estar muy SECO.

La mayoría de los primeros sistemas de ozono funcionaban con aire, ya que los dispositivos de separación de oxígeno eran bastante caros. Los sistemas de generación de ozono alimentados con aire siguen siendo populares cuando el ozono se utiliza para fines distintos al tratamiento del agua. Cuando la transferencia de masa de ozono al agua no es una preocupación primordial, los sistemas de generación de ozono alimentados con aire son muy rentables.

Ventajas de la generación de ozono con aire seco:

- Bajo consumo de energía, no requiere aire comprimido adicional

- Puede tener menores costos de capital: no requiere concentrador de oxígeno

- Diseño, instalación y operación sencillos

Desventajas de la generación de ozono con aire seco:

- Ozono de baja concentración (3% o menos), lo que provoca una transferencia de masa deficiente del ozono al agua

- Mayor producción de subproductos indeseables

- Intervalos de mantenimiento más frecuentes

Importancia del aire seco:

La humedad del aire disminuye la eficiencia de producción de ozono debido a reacciones indeseables y a la pérdida de eficiencia de la barrera dieléctrica causada por el H2O en el flujo de aire. El gráfico siguiente refleja esta disminución de eficiencia.

La humedad del aire contiene átomos de hidrógeno en forma de H₂O. El átomo de hidrógeno, al combinarse con el nitrógeno, crea la posibilidad de formar óxidos nítricos que acabarán convirtiéndose en ácido nítrico (HNO₃). El ácido nítrico es el subproducto más común en los sistemas de ozono mal diseñados o mantenidos. Con el tiempo, el ácido nítrico se acumulará dentro del generador de ozono y en los tubos ubicados directamente después del generador, y provocará problemas de fiabilidad en el sistema.

Cuando se utiliza aire para generar ozono, este debe estar lo más seco posible. El nivel de humedad del aire se mide mediante el punto de rocío, en grados. El punto de rocío del aire para la generación de ozono debe ser de al menos -40 deg C e idealmente de -70 deg C. A modo de referencia, -70 deg C contiene 2.54 ppm de H2O, mientras que -40 deg C contiene 128 ppm de H2O. Cada molécula de H2O contiene dos átomos de hidrógeno y tiene el potencial de formar dos moléculas de HNO3 (ácido nítrico). Los sistemas de ozono que funcionan con aire seco siempre tendrán algunos subproductos nitrogenados indeseables y requerirán limpieza para garantizar un funcionamiento fiable a largo plazo.

Aplicaciones prácticas:

El aire seco siempre se produce in situ a partir del aire ambiente, que se seca con un secador de aire instalado en el sitio.  El aire seco se puede producir con secadores de aire de regeneración térmica o de adsorción por cambio de presión (PSA). Ambos pueden proporcionar aire suficientemente seco para la generación de ozono y cada uno tiene ventajas y desventajas particulares.

Sistemas de secado de aire por regeneración térmica accionados por vacío:

La producción de ozono a partir de aire seco puede ser sencilla si se utiliza un secador de aire accionado por vacío, 

de regeneración térmica para suministrar aire seco. Se puede utilizar un inyector venturi para proporcionar la succión y el vacío necesarios para hacer pasar el aire por el secador y el generador de ozono. Si se va a utilizar un inyector venturi para mezclar el gas de ozono con agua, un sistema accionado por vacío ofrecerá sencillez y posibles ahorros de energía. Además, el generador de ozono funcionará al vacío, lo que elimina la posibilidad de fugas de ozono al medioambiente.

Entre las aplicaciones habituales de estos sistemas se encuentran las piscinas, los spas, el agua embotellada y la desinfección general de agua limpia.

En este sistema, un secador de aire por regeneración térmica accionado por vacío elimina la humedad del aire, mientras que un inyector venturi proporciona el flujo impulsor de gas hacia el agua. Se trata de un sistema extremadamente sencillo, ya que las únicas piezas móviles son una válvula solenoide dentro del secador de aire y la bomba de agua (que puede formar parte del sistema de agua existente). La posible ineficiencia de la transferencia de masa de ozono se compensa con la sencillez general del sistema y el ahorro de costos, que puede destinarse a comprar un generador de ozono más grande para esta aplicación. Esta es una excelente aplicación para un generador de ozono alimentado con aire.

Este sistema estará limitado por el flujo de agua y por la capacidad del inyector venturi para aspirar un flujo suficiente de gas de ozono hacia el agua. Este tipo de sistema solo será aplicable cuando se requieran bajas tasas de producción de ozono y dosis reducidas en el agua.

Sistemas de secado de aire por adsorción con cambio de presión (PSA):

Para aplicaciones de ozono de mayor escala con generadores alimentados con aire, se puede utilizar una configuración similar a la que se muestra en el dibujo de la derecha. Esta utiliza un secador de aire PSA (adsorción por cambio de presión). Esta tecnología permite secar el aire hasta un punto de rocío inferior al de otros métodos y con mayor consistencia. También permite generar ozono a presión, lo que ofrece mayor versatilidad en las aplicaciones posteriores. Estos sistemas se utilizan para aplicaciones que van desde el tratamiento de olores hasta sistemas municipales de tratamiento de agua de tamaño mediano. Al utilizar un inyector venturi, se pueden impulsar aire y gas de ozono hacia el venturi, lo que aumenta las posibles tasas de dosificación de ozono en el agua.

Un secador de aire PSA requiere una fuente de aire comprimido y purga parte del aire del secador. Por lo tanto, el consumo de energía de este sistema será mayor que el del sistema accionado por vacío. Por otro lado, la calidad del aire será mejor. En entornos con altas temperaturas y humedad elevada, este sistema puede proporcionar la misma calidad de aire y el mismo punto de rocío que en otras condiciones ambientales gracias a las presiones más altas.

Oxígeno para la generación de ozono:

Las concentraciones de oxígeno se pueden aumentar eliminando el nitrógeno y otros gases del flujo de aire. La pureza del oxígeno utilizado en la industria puede variar entre 90 y 99%. Este oxígeno se puede producir mediante diversos métodos que se describen a continuación.

El gas de alimentación de oxígeno para la generación de ozono permite producir más ozono con el mismo generador. Los generadores de ozono típicos, como mínimo, duplicarán la producción de ozono cuando funcionan con gas de alimentación de oxígeno al 90% en comparación con el aire seco. Los generadores de ozono alimentados con oxígeno suelen alcanzar concentraciones de ozono del 5 al 10% en aplicaciones comerciales e industriales, y pueden alcanzar concentraciones de ozono superiores al 20% en peso.

Factores que se deben tener en cuenta al considerar el uso de oxígeno:

La generación de ozono a partir del aire es sencilla, eficaz y económica. Sin embargo, cambiar al oxígeno puede ser la opción adecuada para su aplicación. De hecho, la mayoría de los generadores de ozono utilizan oxígeno como gas de alimentación en aplicaciones industriales. Antes de cambiar a oxígeno concentrado, asegúrese de que sea la opción adecuada. Considere algunos de estos factores

¿Cuánto más ozono producirá su generador si utiliza oxígeno? Aunque la mayoría de los generadores de ozono duplican con creces su producción en comparación con el aire seco, algunos experimentarán una mejora de eficiencia aún mayor.

¿Qué suministro de oxígeno se utilizará? El oxígeno concentrado debe generarse. A continuación se enumeran varios métodos. Asegúrese de que las desventajas del equipo adicional necesario no superen los beneficios de aumentar la producción de ozono.

¿Qué costos adicionales habrá? El equipo de oxígeno y los posibles costos energéticos adicionales pueden aumentar el costo de capital o de funcionamiento del sistema de ozono. Por el contrario, el uso de oxígeno para generar ozono puede permitir utilizar un generador mucho más pequeño (y menos costoso) que consuma mucha menos energía.

En un flujo de oxígeno con una pureza del 90%, el contenido de nitrógeno se ha reducido del 78% a aproximadamente el 8%. Este flujo de gas aún contiene gases inertes y posiblemente trazas de H2O. Sin embargo, al haber mucho menos nitrógeno, se reducirán considerablemente los subproductos nitrogenados indeseables y, sobre todo, el HNO3. Esto reducirá los costos generales de mantenimiento del generador de ozono y de las posibles tuberías posteriores.

Ventajas de la generación de ozono alimentada con oxígeno:

- Generación de ozono a mayor concentración

- Mayor solubilidad del ozono en el agua

- Menor mantenimiento del generador de ozono

- Menor formación de subproductos indeseables dentro del generador de ozono

Desventajas de la generación de ozono alimentada con oxígeno:

- Mayores costos energéticos del aire comprimido

- Puede tener un mayor costo de capital

- Mayor complejidad del sistema general frente al aire seco

Aplicaciones prácticas:

El ozono se puede producir in situ con un concentrador de oxígeno o suministrarse desde una fuente externa que entregue oxígeno gaseoso mediante LOX o gas comprimido.  Los ejemplos siguientes ilustran las opciones y ofrecen algunos ejemplos.

Oxígeno comprimido en cilindros:

El oxígeno gaseoso comprimido en cilindros es un método habitual para suministrar oxígeno concentrado en aplicaciones industriales. El uso de oxígeno en cilindros para generar ozono puede ser una solución ideal para aplicaciones de laboratorio o pruebas piloto de corta duración. Sin embargo, el uso prolongado de oxígeno en cilindros resulta muy costoso y requiere mucha mano de obra debido a los cambios de cilindros. Por ejemplo, un tanque de oxígeno serie H contiene 7,080 litros de oxígeno cuando está presurizado a 2,200 PSI. Con un caudal de oxígeno de 10 LPM, suministrará oxígeno durante 11.8 horas.

Oxígeno líquido (LOX):

El LOX es oxígeno almacenado en forma líquida en un tanque. Después, un recipiente Dewar debe convertir este oxígeno a estado gaseoso para que vuelva a ser utilizable. Cuando se almacena de esta forma, se puede guardar 600 veces más oxígeno en un tanque del mismo tamaño. Según la disponibilidad de LOX, puede ser una excelente fuente de oxígeno para aplicaciones a largo plazo, o se puede utilizar como respaldo para otros sistemas de generación de oxígeno in situ.

La mayoría de las grandes aplicaciones industriales que utilizan LOX añaden una pequeña cantidad de aire seco para aportar un 1% de nitrógeno al gas de alimentación. Se ha comprobado que, en la mayoría de los sistemas de ozono, esta adición de nitrógeno al 1% aumenta la eficiencia del proceso de generación de ozono y reduce el mantenimiento necesario de los dieléctricos del generador de ozono.

Muchos sistemas de ozono que generan grandes cantidades de ozono para el agua potable municipal utilizan LOX debido a su fiabilidad y a sus costos relativamente bajos. Según la disponibilidad, se pueden negociar tarifas con descuento para el LOX con los proveedores, lo que lo convierte en una opción muy atractiva para el suministro de oxígeno.

Concentradores de oxígeno in situ:

Un concentrador de oxígeno es un medio mecánico para eliminar el nitrógeno del aire comprimido y capturar una forma concentrada de oxígeno después de purgar el nitrógeno del flujo de gas. Este método utiliza un material de zeolita que adsorbe nitrógeno bajo presión y lo libera cuando se elimina la presión, lo que permite que el sistema capture el oxígeno mediante cambios de presión. Los concentradores de oxígeno PSA requieren un suministro de aire comprimido para proporcionar la acción PSA necesaria para concentrar el oxígeno. Este compresor debe incluir un método para eliminar la humedad a granel del aire, además de tanques de almacenamiento intermedio para el aire comprimido y el oxígeno. Estos componentes tendrán un costo de capital y ocuparán bastante espacio.

Este método es práctico y rentable para sistemas de ozono pequeños, y sigue siendo práctico para sistemas muy grandes. Los compresores de aire utilizados y los tipos de concentradores de oxígeno varían mucho a medida que aumenta la escala de estos sistemas; sin embargo, la generación de oxígeno in situ con un concentrador de oxígeno PSA suele ser el método más rentable para suministrar oxígeno a un sistema de ozono

Nota: La adsorción por cambio de vacío (VSA) también es una opción para producir oxígeno in situ. Se utiliza un material de zeolita similar para adsorber nitrógeno junto con compresores de aire que crean vacío en lugar de presión. En general, el proceso tiene ventajas y desventajas similares a las del PSA.

Ozono en aplicaciones acuosas:

El ozono se disuelve habitualmente en agua para una amplia variedad de aplicaciones.  Cuando el propósito de generar ozono es disolverlo en agua, los sistemas alimentados con oxígeno ofrecen varias ventajas importantes. En primer lugar, si recuerda la sección Propiedades del ozono, la solubilidad del ozono es mayor cuando se genera a una concentración más alta. Como el ozono generado a partir de oxígeno suele tener una concentración mucho mayor que el producido con aire, la eficiencia de transferencia de masa del sistema de ozono será mucho mayor, lo que dará como resultado más ozono en el agua.

Otra ventaja de los sistemas de ozono alimentados con oxígeno es el propio oxígeno. El oxígeno es más soluble en agua que el aire. Esto significa que todo el volumen de oxígeno y ozono será más soluble en el agua, lo que aumentará de nuevo la transferencia de masa de ozono al agua. Estos factores, junto con la ausencia de impurezas, otorgan una clara ventaja a los sistemas alimentados con oxígeno cuando el objetivo es disolver el ozono en agua.

Si el objetivo de la generación de ozono es disolverlo en agua, revise cuidadosamente todas las opciones y la información anterior, así como la solubilidad del ozono en agua, antes de utilizar un generador de ozono alimentado con aire.  Aunque los generadores de ozono alimentados con aire pueden utilizarse con buenos resultados en aplicaciones acuosas de ozono, existen limitaciones que deben tenerse en cuenta antes de implementarlos.