Untersuchung von Einflußgrößen bei der Ozonerzeugung mit Oberflächenentladungen

Unter den technisch eingesetzten Oxidationsmitteln wird aus ökologischen Gründen besonders Ozon hervorgehoben. Neben den traditionellen Anwendungsfeldern bei der Trink- und Abwasseraufbereitung, als Desinfektions-, Sterilisations- und Bleichmittel findet Ozon in den letzten Jahren auch in der Halbleiterindustrie interessante Einsatzbereiche. Bedingt durch seine Instabilität ist Ozon nur begrenzt lagerfähig und muß daher vor Ort produziert werden. Wirtschaftlich wird es in großen Mengen mit Hilfe von Barrierenentladungen aus sauerstoffhaltigen Gasen hergestellt. Konventionelle Ozonerzeuger bestehen aus Entladungsanordnungen, in denen die Elektroden durch mindestens ein festes Dielektrikum und einen Gasspalt getrennt sind. Hier kommt es nach Erreichen der Zündfeldstärke zu „Volumenentladungen“ im Gasspalt. Bei anderen Anordnungen befindet sich auf der dielektrischen Oberfläche eine ausgedehnte Hochspannungselektrode, während sich eine großflächige Gegenelektrode auf der Rückseite des Dielektrikums befindet. In diesen Anordnungen bilden sich bei Überschreiten der Zündfeldstärke reine „Oberflächenentladungen“ auf der dielektrischen Oberfläche aus. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die Grundlagen für eine Optimierung der Ozonerzeugung mit Oberflächenentladungen zu schaffen. In diesem Zusammenhang sind experimentelle Untersuchungen zum Einfluß der Oberflächenelektroden, des Dielektrikums und der Speisegaszusammensetzung erfolgt. Als Ergebnis wurde gefunden, daß der Querschnitt der Oberflächenelektrode für die Effizienz der Ozonerzeugung von untergeordneter Bedeutung ist. Lediglich bei der Verwendung von scharfkantigen Elektroden kann das Auftreten von „Hot Spots“ die Effizienz mindern. Im Gegensatz hierzu ist das Material der Oberflächenelektroden für eine effiziente Ozonerzeugung mit Oberflächenentladungen entscheidend. Verantwortlich hierfür sind Oxidationsprozesse an den Elektrodenoberflächen. Die Oxidation der Elektrodenoberflächen kann durch eine geeignete Beschichtung vermieden werden. Ein Einfluß der Permittivität auf die Ozonerzeugung konnte nicht gefunden werden. Die Effizienz der Ozonerzeugung wird durch die Verwendung von gekühlten Dielektrika mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gesteigert. Die Dicke des Dielektrikums gewinnt in Bezug auf die Kühlung des Entladungsbereichs bei Dielektrika mit geringer Wärmeleitfähigkeit an Bedeutung. Die Oberflächenrauhigkeit des Dielektrikums besitzt bei Oberflächenentladungen - anders als bei Volumenentladungen - keinen Einfluß auf die Ozonerzeugung. Dennoch werden mit Dielektrika aus Aluminiumoxid schlechtere Ergebnisse erzielt als bei Verwendung von Glas. Die Energieausbeute bei der Ozonerzeugung mit Oberflächenentladungen aus Luft ist geringer als bei Entladungen im Gasspalt. Die Ursache ist in den höheren Stickoxidkonzentrationen zu suchen, die bei Oberflächenentladungen auftreten. Bei Speisung mit technischem Sauerstoff sind die beiden Entladungsanordnungen im Hinblick auf die Ozonerzeugung vergleichbar. Hier spielt die Sauerstoffreinheit für die Effizienz der Ozonerzeugung eine wichtige Rolle. Während bei hohen Gasreinheiten ein Abfall der Ozonkonzentration mit der Zeit beobachtet wird, gilt das nicht bei Verwendung von technischem Sauerstoff (O2 2.5). Durch Zugabe von geringen Mengen Stickstoff, Stickstoffdioxid oder Kohlendioxid zu Sauerstoff 6.0 kann die Effizienz der Ozonerzeugung wirksam verbessert werden.