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O3zone-Pen®2018-02-15T11:12:38+00:00

Project Description

Kleiner, mobiler Ozongenerator auf Basis der Wasserelektrolyse

Der O3zone-Pen® stellt ein Novum unter den Ozongeneratoren für die Anwendung, vorzugsweise von Ozon in Wasser dar. Die kompakten Abmessungen eines Schreibstiftes und das entsprechend geringe Gewicht, sowie die einfache Handhabung ermöglichen eine hohe Mobilität. Hinzu kommt, dass die für die Ozonerzeugung benötigte geringe elektrische Energie wahlweise durch handelsübliche Batterien oder wieder aufladbare Akkus bereit gestellt wird.

Die Anwendung des O3zone-Pen® erfolgt denkbar einfach durch das Eintauchen der integrierten Elektrolysezelle in das zu ozonisierende Wasser. Die für die Anwendung geeigneten Gefäße müssen hierfür eine Mindestöffnung von 15 mm Durch-messer aufweisen und können alle denkbaren geo-metrischen Formen haben, wie z.B. Trinkgläser, Bechergläser, Rundkolben, Erlenmeyerkolben, diverse Wasserflaschenformen, Kanister oder Tanks (bis zu ca. 20 Liter). Um einen beschleunigten Ozoneintrag zu erreichen, sind Rührbewegungen mit dem O3zone-Pen® möglich.

Das zu behandelnde Wasser ist für den O3zone-Pen® gleichzeitig auch der Betriebsstoff. Es werden keinerlei Zusatzstoffe benötigt. Für die Ozon-erzeugung genügt allein die elektrische Energie, mit welcher das Zellherz versorgt wird. Je nach Wasserqualität (Wasserhärte), erfolgt nach einiger Zeit ein Zellherztausch. Dieser geschieht, wie auch ein Batteriewechsel, mit wenigen Handgriffen. Die Zellherzen sind als Kosten sparende Einwegteile im Set erhältlich.

Die Anwendungsgebiete des O3zone-Pen® sind überall dort zu finden, wo Ozon in Wasser gebraucht wird. Wenn auch die Variante des aus dem Wasser ausgasenden Ozons eine weitere Nutzungsmöglichkeit darstellt. Die Applikationen sind u.a. in der Analytik z.B. dem Abgleich von Ozonmess-geräten, in der Ozonolyse z.B. für kleine preparative Anwendung oder allgemein im Zusammenhang mit Wasser und dessen Entkeimung zu finden. Ozon ist bekanntlich ein hoch effizientes Desinfektionsmittel in der Wasser- wie auch in der Gasphase und baut sich im Gegensatz zu Chlor und den meisten anderen Desinfektionsmitteln selbstständig und physiologisch unbedenklich ab. Es forciert den natürlichen oxidativen Abbau der meisten Schadstoffe und inaktiviert sehr wirksam Keime. Der Einsatzbereich des O3zone-Pen® umfasst die Pharma- und Medizintechnik bis hin zu Reisen und Haushalt.

O³zone-Pen

Bei welchen Temperaturen und Drücken kann die Microzelle betrieben werden?

Die Microzelle ist optimiert für den Betrieb bei Umgebungstemperatur (10 – 30°C). Temperaturen zwischen 0°C und 60°C sind möglich ohne dass die Zelle dabei Schaden nimmt. Beim Betrieb bei hohen Temperaturen ist zu beachten, dass mit zunehmender Temperatur einerseits die Stromausbeute für Ozon und die Löslichkeit in Wasser abnehmen und andererseits auch die Ozonverluste durch Zerfallsreaktionen zunehmen. Die elektrolytische Ozonerzeugung ist vom Druck weitgehend unabhängig. Die Microzelle ist so konstruiert, dass sie in Druckleitungen eingesetzt werden kann. Der Betrieb bei erhöhtem Druck hat zudem den Vorteil, dass die Löslichkeit und die Eintragseffizienz für das Ozon erhöht werden (Löslichkeit ist direkt proportional zum Systemdruck).

Entstehen durch den Elektrolysevorgang giftige Nebenprodukte?

Ozon wirkt als starkes Oxidations- und Desinfektionsmittel toxisch, vor allem beim Einatmen von ozonhaltiger Luft können Reizungen der Atemorgane auftreten. Der Vorteil von Ozon hinsichtlich seiner toxischen Wirkung ist, dass es im Wasser im Gegensatz zu anderen Desinfektionsmitteln rasch abgebaut wird.

In stark chloridhaltigem Wasser (Meerwasser, Brackwasser) können als Nebenprodukte der Elektrolyse geringe Mengen an Chlor bzw. Hypochlorit entstehen. Diese wirken ebenso als Desinfektionsmittel wie Ozon, bauen sich aber wesentlich langsamer ab. Bei lange anhaltender Elektrolyse in stehendem Wasser kann es auch zur Bildung von Spuren von Chlorat kommen. Durch die hohen Stromdichten und die damit verbundene Stofftransportlimitierung zur aktiven Elektrodenfläche ist die Chlorbildung in Wasser von Trinkwasserqualität vernachlässigbar klein.

Es ist allgemein bekannt, dass Ozon Bromid zu Bromat oxidiert. Bromate sind Kanzerogene, weshalb diese Reaktion unerwünscht ist. Es existieren in der Trinkwasserverordnung entsprechende Grenzwerte.

Die Ozon bildenden Anoden der Zellherzen enthalten eine Beschichtung von PbO2 (gesamte Menge Pb: ca 1mg). Diese Beschichtung ist unter den Bedingungen der Elektrolyse sehr stabil.

Was ist die Lebensdauer einer Microzelle und wodurch wird sie begrenzt?

Die aktiven Komponenten der Microzelle sind äusserst robust gegen Degradation. Lebensdauern von mehr als einem Jahr sind für den Dauerbetrieb von Microzelle in Leitungswasser mittlerer Härte nachgewiesen worden. Typischerweise zeigen die Zellen im Dauerbetrieb ein Verhalten, das durch einen Anstieg der Zellspannung und eine gleichzeitige Abnahme der Ozonleistung charakterisiert ist. Diese “Einfahrphase” ist nach ca 10 Tagen abgeschlossen und in der Regel folgt eine stationäre Betriebsphase. In sehr hartem Wasser kann durch Kalkablagerungen an der Kathode die Zellspannung zu Werten über 15V ansteigen und die Lebensdauer der Zelleherzen kann dadurch auf einige 100 h begrenzt werden. Dieser Effekt kann durch den neuen (2015) Zellentyp weitgehend vermieden werden.

Welche Ozondosis wird benötigt für eine sichere Entkeimung?

Es gibt in der Literatur eine Reihe von Angaben über die notwendigen Konzentrationen und Kontaktzeiten, u.A. in unserer Präsentation „Microzelle“ unter Downloads.

Welche Ozonkonzentration im Wasser kann maximal erreicht werden?

Die maximal erreichbare Konzentration von Ozon in einem gegebenen (stationären) Volumen von Wasser wird durch eine Reihe von Grössen bestimmt:

  1. die Produktionsrate
  2. der Löslichkeitskoeffizient von Ozon in Wasser: nach dem Henry’schen Gesetz ist die Löslichkeit des gasförmigen Ozons in Wasser bei einer gegebenen Temperatur proportional zum Partialdruck des Ozons. Werte für die Löslichkeitskoeffizienten sind in der Literatur [1] tabelliert, bzw. können mittels einer empirischen Formel berechnet werden: logS = -0.25 – 0.013T (T: Temperatur in °C; S: Quotient der Konzentration in Wasser dividiert durch Konzentration im Gas in mol/liter).
  3. die Eintragseffizienz (Grad der Einstellung des Lösungsgleichgewichts). Die Eintragseffizienz hängt von der Kontaktoberfläche Gas/Wasser und der Kontaktzeit ab. Sie wird wesentlich durch die Blasengrösse und die Höhe der Blasensäule bestimmt. Für optimale Kontaktierung ist der Betrieb unter erhöhtem Druck und mit Verwirbelung der Gasblasen vorteilhaft.
  4. die Zerfallsrate von Ozon im Wasser. Chemische Reaktionen des Ozons (inklusive der spontane Zerfall des Moleküls) führen dazu, dass ein Teil des produzierten Ozons für die Reaktion mit lebenden Zellen (Desinfektion) zur Verfügung steht. Die Zerfallsrate von Ozon hängt wesentlich von der Qualität des zu behandelnden Wassers ab (s. §2). Die Zerfallsraten sind in der Regel proportional zur Konzentration im Wasser: je höher die Konzentration desto höher die Zerfallsrate. Absolut gesehen ist der Ozonverlust durch chemischen Zerfall zudem proportional zum Wasservolumen, das behandelt wird. Um eine Mindestkonzentration von Ozon in einem gegebenen Volumen (stehenden) Wassers aufrecht zu erhalten, muss die Produktionsleistung der Zellen an das Volumen angepasst werden.

Anwendung in durchflossenen Systemen: Wird die Zelle in eine Rohrleitung montiert, dann hängt die Ozonkonzentration zusätzlich von verfahrenstechnischen Faktoren wie Durchflussmenge und –geschwindigkeit so wie Verweilzeit der Gasblasen im Rohr ab.

[1] J. Carell Morris, The aqueous solubility of ozone – a review (Ozone News, Nr.1, 1988)

Welche Produkte entstehen bei der Elektrolyse in der Microzelle?

In der Microzelle wird durch elektrischen Gleichstrom bei Spannungen von 5 bis 15 V das Wasser in seine Elemente aufgespalten nach der chemischen Gleichung:

H2O -> H2 + n/3 O3 + (1-n/2) O2

Sauerstoff und Ozon werden an der Anode und Wasserstoff an der Kathode der Zelle gebildet. Der Ozonanteil hängt von der Stromausbeute h ab. Die nicht genutzten Gase H2 und O2 werden nach der Kontaktierung je nach Anlage im Wasser gelöst oder als Gas freigesetzt. Die pro Zeiteinheit erzeugten Gasmengen sind so gering, dass keine Gefährdung durch explosionsfähige Gasmischungen entsteht.

In Gegenwart von gelösten Kationen und Anionen im Wasser führt die Elektrolyse in der Membranzelle zu einem pH-Gradienten: Der Anodenbereich wird leicht sauer, der Kathodenbereich im gleichen Masse leicht alkalisch. In der Summe kompensieren sich die Effekte, so dass das Wasser keine pH-Veränderung erfährt. Allerdings führt die pH-Verschiebung in unmittelbarer Nähe der Kathode zu Ausfällungen von Carbonaten der Erdalkalimetalle (v.a. Calcium), was zu Verkrustungen und unter Umständen zu Zellversagen führen kann.

Wie beeinflußt die Wasserqualität die Ozonproduktionsrate?

Die Ozonzproduktionsrate P von elektrolytischen Ozonerzeugern mit Protonenaustauschermembran und PbO2 Anoden ist für vollentsalztes Wasser bestimmt worden. Sie liegt bei Raumtemperatur und Stromdichten um 1 A/cm2 bei 18%. Die Anwesenheit von gelösten Salzen oder organischen Verunreinigungen im Wasser setzt die Stromausbeute erfahrungsgemäss herunter. Ein realistischer Wert liegt bei 8 %. Der Grund für die Reduktion der Stromausbeute liegt einerseits darin, dass die katalytische Bildungsreaktion des Ozons an der Elektrode negativ beeinflusst wird, andererseits (v.a. bei organischen Verunreinigungen) reagiert das gebildete Ozon direkt mit organischen Molekülen und täuscht so eine geringere Stromausbeute vor. Für genaue Ermittlung der Leistungsfähigkeit wird die Stromausbeute für eine gegebene Wasserqualität durch genaue Konzentrationsmessungen im Wasser und in der Gasphase experimentell bestimmt.

Wie erkenne ich, ob die Zelle noch richtig funktioniert, bzw. wann das Zellherz ausgewechselt werden muss?

Der einfachste Indikator für Versagen der Zelle ist die Zellspannung: Zellen die bei 0.2 A Betriebsstrom Spannungen >15V aufweisen, sollten ausgewechselt werden. Ebenso ist Auswechseln angezeigt, wenn die Spannung unter 3V liegt: dann liegt in der Regel ein Kurzschluss vor und die Zelle produziert keine Elektrolyseprodukte mehr.

Der für die Anwendung wichtigste Indikator ist die Ozonleistung. Diese kann nur durch eine Kontrollmessung der Ozonkonzentration ermittelt werden (z.B. mit Hilfe eines Quick-Test). Es kann passieren, dass die Zelle zwar im erwarteten Spannungsbereich liegt, aber zu wenig oder gar kein Ozon mehr liefert. Bis zu einem gewissen Grad kann eine verminderte Ozonleistung durch Erhöhung des Elektrolysestroms auf bis zu 0.3 A kompensiert und damit die Lebensdauer verlängert werden.

Wie kann die Produktionsrate für eine gegebene Applikation erhöht werden?

Die Produktionsrate ist proportional zur Anzahl der Zellen und zum Strom, mit welchem die Zellen beaufschlagt werden. Die Einstellung der Produktionsrate richtet sich nach dem spezifischen Bedarf in einer gegebenen Applikation. Achtung: eine Verdoppelung der Produktionsrate durch Verdoppelung der Anzahl der Zellen muss nicht zwingend zu einer Verdoppelung der Ozonkonzentration führen (die Mehrproduktion kann eine Erhöhung der Abbaurate bzw. von Verlusten über die Gasphase zur Folge haben).