Transaction Attributes – Explanatory Variables 83 

Martínez y González, (2000) mencionan que el ozono a causa de su inestabilidad, no puede ser generado y almacenado para un uso en el futuro. Por lo que tiene que ser generado y usado en el momento. El Ozono producido comercialmente destinado a reacciones de oxidación, es siempre generado en forma de gas.

El Ozono puede ser formado por los siguientes mecanismos (Vega,1998): A) Radiación Solar.

B) Electrólisis de Ácido Perclórico.

C) Exposición de Oxigeno a la Radiación Ultravioleta. D) Corona de Descarga Eléctrica (CD).

Siendo los tres últimos métodos normalmente utilizados para la producción de Ozono, de los cuales el método de Corona de Descarga Eléctrica (CD) es el único método práctico para la producción a gran escala del Ozono, aunque únicamente el 10% de la energía suministrada a un equipo generador de Ozono, es utilizado para obtener Ozono, mientras que el resto se disipa en forma de calor, luz y ruido.

En el caso de que el ozono sea generado, por ejemplo, por radiación ultravioleta empleando una lámpara de 185 nm, la máxima concentración de ozono obtenido en fase gaseosa es aproximadamente de 0.1% peso (Snohomish, 1997).

La producción de ozono, mediante CD, según EDC, (1996) citado por Vega, (1998), es capaz de producir altas concentraciones de ozono. El principio es el paso de alto voltaje, alternando con descargas eléctricas a través de una corriente de gas que contiene oxígeno, provoca la descomposición de las moléculas de oxígeno en oxígeno atómico. Algunos de estos átomos liberados, pueden reordenarse de tal forma que se produzca ozono, mientras que el resto vuelve a formar moléculas de oxígeno.

En la Figura 3.15 muestra un diagrama simplificado de proceso para un generador de Ozono de tubo vertical, en el cual el agua de enfriamiento está en contacto directo con el cristal dieléctrico y empleando un electrodo aterrizado.

CORRIENTE ALTERNA

DIELÉCTRICO

AIRE ESPACIO DE OZONO

SECO DESCARGA Y AIRE TIERRA EMF REFRIGERANTE ELECTRODO DE ALTO VOLTAJE REFRIGERANTE ELECTRODO DE ALTO VOLTAJE

Figura 3.15 Esquema de funcionamiento de un generador de ozono. (DEL INDUSTRIES, 1997).

Los electrones son acelerados a través de un intervalo de aire, de tal forma que se le proporciona la suficiente energía para romper el doble enlace oxígeno-oxígeno, produciéndose oxígeno atómico. Los átomos de oxígeno que fueron producidos por la reacción de colisión, reaccionan con otras moléculas de oxígeno biatómicas, para formar ozono de acuerdo a la siguiente ecuación (Steven, 1997):

3O2 + Energía --- > 2O3

La cantidad de ozono producido es dependiente de varios factores, como son el voltaje y la frecuencia de corriente alterna aplicada a las celdas de CD.

La generación de ozono por Corona de Descarga Eléctrica (CD), es una reacción físico- térmica exotérmica, donde mucha de la energía usada para la generación de ozono es perdida en forma de calor, por lo tanto la eficiencia de enfriamiento (generalmente agua) es un factor importante en el diseño del generador.

En contraste, cuando el ozono es generado por Corona de Descarga Eléctrica, se observa lo siguiente (Steven, 1997):

A) Usando aire ambiental (el aire es aspirado), se obtiene una concentración de ozono en el rango de 0.15 y 1.0% en peso.

B) Empleando aire seco con un punto de rocio de -45 °C. a -65 °C., se pueden obtener

concentraciones entre 1.0 y 3.0% en peso.

C) Utilizando oxígeno como gas de alimentación (de cilindros o a partir de un concentrador de 02), se logran concentraciones entre 4.0 y 8.0 % peso.

Cuando se emplea aire ambiental generalmente este contiene humedad y concentración arriba del 80 % de nitrógeno. Tal situación genera los siguientes problemas:

1.- Reacciones con el ozono, lo que reduce la producción de ozono por Kw-hr de energía eléctrica aplicada.

2.- Formación de ácido nítrico y/u óxidos nítricos (los cuales pueden crear olores desagradables), dando como resultado severa corrosión de algunos componentes del generador como equipos conductores de flujo o partes eléctricas y electrónicas localizadas en las áreas de descarga.

Por estas razones se recomienda emplear preferentemente aire seco u oxígeno como gas de alimentación, el cual produce el doble o triple cantidad de ozono por Kw-hr, que el aire seco.

Desde su producción el ozono es altamente reactivo, siendo su vida media corta, por lo que se dificulta su almacenamiento y su transporte. Como consecuencia el ozono es siempre generado en el mismo sitio de la aplicación para su inmediato uso (Vega,1998).

Descripción de un Generador básico de ozono.

La generación de ozono es lograda por el paso de una corriente alterna con alto voltaje

(6 a 20 kV) a través de un espacio de descarga de un dieléletrico, en el cual se inyecta

aire (ver Figura 3.16). Como el aire es expuesto a la electricidad, las moléculas de oxígeno se disocian y forman átomos simples de oxígeno, algunos de los cuales se combinan con otras moléculas de oxígeno y forman ozono. Existen dos diferentes configuraciones dieléctricas, en placas planas y tubos concéntricos (mayor facilidad para el mantenimiento) (RGF,1997).

ELECTRODO METALICO GENERADOR GAS DE (O2 O AIRE) CORRIENTE DIELÉCTRICO A.C ELECTRÓDO METÁLICO SECCIÓN A-A

Figura 3.16 Esquema básico de un generador de ozono de tubos concéntricos (www. Rgf.com).

Para optimizar el rendimiento de ozono, deben de prevalecer las siguientes condiciones (RGF, 1997):

a) Mantener una presión de operación razonable alrededor de 10 a 15 psi para la mayoría de las aplicaciones.

b) Se debe de usar un material dieléctrico delgado y con una alta constante dieléctrica. El único material práctico con estas propiedades es alguna variedad de vidrio.

d) La disipación de calor debe ser lo más eficiente que sea posible, ya que la descomposición del ozono es proporcional con la temperatura.

El voltaje requerido para una eficiente generación de ozono es dependiente de la frecuencia suministrada a las celdas de generación y al espacio entre el electrodo activo y el aislador eléctrico.

La mayoría de los generadores de ozono operan a baja frecuencia (50 ó 60 Hz.). Para estos generadores de ozono, es comun emplear voltajes entre 12 y 20 kV (Steven, 1997).

Los generadores de ozono de baja frecuencia son generalmente bastante silenciosos y viables, sin embargo, los diseños mas modernos utilizan una frecuencia media arriba de 1,000 Hz, ofreciendo muchas ventajas técnicas y operacionales (AZCO, 1997).

Según Vega (1998) los generadores de ozono de media frecuencia generan mayores beneficios ya que se puede controlar el voltaje, el tipo de corriente y por lo tanto la producción de ozono.

Un sistema típico de producción de ozono por Corona de Descarga Eléctrica, consiste de cuatro componentes fundamentales (Steven,1997):

1. Unidad de preparación de aire o producción de oxígeno. 2. Generador de Descarga de Corona.

3. Difusor de ozono.

4. Sistema destructor de ozono residual.

En la Figura 3.17. Se muestra el diagrama de flujo de un generador de Ozono típico de tubos verticales (Steven, 1997).

Figura 3.17 Diagrama simplificado de un generador de ozono.

1. Compresor de aire. 9. Válvula de Alivio de Presión 2. Receptor de Aire. 10. Rotámetro de Flujo de Aire. 3. Prefiltro. 11. Chaqueta de Agua de Enfriamiento. 4.Refrigerante. 12. Unidad Generadora de Ozono. 5.Filtro Soldado de 0.01 u 13.Tubo Dieléctrico.

6.Desecador de Aire (-70°C) 14. Electrodo de Alto voltaje. 7.Filtro para polvos. 15. AL difusor de Ozono.

8.Válvula de Control de flujo. 16. Agua de Enfriamiento empleada como electrodo Aterrizado. 17. Transmisor de alto voltaje. 18. Señal de Control de 4 – 20 Ma.

19. Regulador de Voltaje/ Frecuencia 20. Suministro de 415 V y 50 Hz.

DESECHO DESECHO

AIRE SECO FILTRADO (-70 °c PTO DE ROCÍO)

AGUA DE ENFRIAMIENTO AGUA DE ENFRIAMIENTO A I R E

1. Preparación del Aire

La preparación del aire es crítica para la eficiencia y confiable operación de los generadores de ozono vía CD. La humedad y las partículas de materia tienen un efecto perjudicial en los electrodos de las celdas de generación y sobre el material dieléctrico, además de que un aire seco es critico para la exitosa generación de ozono. Si se emplea oxígeno por razones económicas, el oxígeno no convertido en ozono es reciclado, una vez seco, al proceso.

2. Solubilidad del Ozono

El ozono es parcialmente soluble en agua. De acuerdo con la Ley de Henry, la eficiencia de disolución de un gas específico en una fase acuosa está basada en la presión parcial del gas en particular en el flujo total del gas, así como en la temperatura de ésta.

Como es de esperarse, la solubilidad del ozono decrece conforme se incrementa la temperatura del agua. Sin embargo, como una consecuencia de la Ley de Henry, la solubilidad del ozono se incrementa con los incrementos de la concentración de ozono en la corriente gaseosa. En aplicaciones prácticas, el ozono no tiene el suficiente tiempo de contacto para alcanzar las condiciones de equilibrio, resultando menores niveles de solubilidad que los mostrados en la Tabla 3.7.

Tabla 3.7 Solubilidad del ozono en el agua.

Concentración

de Ozono (%

Peso)

SOLUBILIDAD DEL OZONO [mg/L]

A 5 °C A 10°C A 15°C A 20°C A 25°C A 30°C 0.001 0.007 0.007 0.006 0.005 0.004 0.003 0.1 0.74 0.65 0.55 0.42 0.35 0.27 1.0 7.39 6.50 5.60 4.29 3.53 2.70 1.5 11.09 9.75 8.40 6.43 5.29 4.04 2.0 14.79 13.00 11.19 8.57 7.05 5.39 3.0 22.18 19.50 16.79 12.86 10.58 8.09 Fuente: Steven, (1997).

3. Difusión del Ozono en el Agua.

Considerando la relativa baja concentración de ozono producido en la corriente del generador, junto con la limitada solubilidad del ozono gaseoso, el método de difusión

del ozono en el agua es de gran importancia. Comúnmente se utilizan difusores de burbuja fina e inyectores de alta eficiencia ambos resultan prácticos, efectivos y económicos.

a. Difusores de Burbuja

Los sistemas de difusores de burbuja fina y tanques de contacto son muy usados debido a su habilidad para operar sin energía adicional, aparte de la compresión inicial del gas.

Fig. 3.18 Sistemas de tanques de contacto de ozono con difusores de burbuja fina. La última cámara todavía debe tener una concentración de ozono de 0.1 ppm (Deininger, 2000).

Algunas de las ventajas y desventajas de este tipo de difusión de burbujas son resumidas a continuación (DEL, 1996):

Ventajas

Se alcanzan altas eficiencias (>90%), no obstante esto requiere de múltiples puntos de inyección, profundas cámaras de contacto y frecuentemente reciclado de gas residual. Las eficiencias elevadas de difusión no se alcanzan normalmente con tanques de contacto de paso sencillo o de doble etapa.

El sistema puede ser diseñado para permitir bajas caidas de presión hidráulica a través de los tanques.

Desventajas

El método de difusión requiere de profundos tanques de contacto para la efectiva transferencia de ozono (5-7 metros) a obstrucción de los difusores es posible,

particularmente cuando el flujo de agua y las dosis de ozono son intermitentes, o cuando se desea la oxidación de hierro (Fe) y manganeso (Mn).

Es posible la formación de canalizamiento vertical de las burbujas, lo que representa un efecto negativo en el contacto gas/líquido.

b. Inyector de Alta Eficiencia.

De acuerdo a los estudios de Steven (1997) el inyector puede proporcionar altas eficiencias de difusión (> 95), no obstante requiere de energía adicional para producir un vació parcial. Con este diseño el ozono disuelto se mezcla eficientemente con el cuerpo principal, colocando tanques de contacto para lograr la mayor eficiencia en el tratamiento del agua (ver figura 3.19).

Ventajas

 Dependiendo del tiempo de retención deseado, la profundidad y el volumen del tanque de contacto/reacción puede ser frecuentemente menores a los requeridos por los de difusión de burbuja.

 Este tipo de sistemas de difusión pueden ser adaptados a cualquier diseño hidráulico de planta.

 Correctamente diseñados, los contraflujos o vórtices de los mezcladores estáticos proporcionan bajas caídas de presión hidráulicas a la planta.

Desventajas

 Se requiere de energía eléctrica adicional para una operación eficiente del inyector de vació. Estos sistemas no tienen una buena aceptación debido a su limitada capacidad, del dispositivo de inyección.

Figura 3.19 Métodos de difusión de ozono por inyección.

Sin importar el método de difusión del azono en el Agua (Martínez y González, 2000) indican que los rendimientos de ozono dependerán de los factores siguientes:

1. Geometría y tipo de ozonizador (placa o tubo), 2. Tipo de gas portador (aire u oxigeno),

3. Temperatura, 4. Caudal del gas, 5. Voltaje aplicado, 6. Humedad del gas.

Teóricamente pueden producirse 1058 g de ozono por KW-hr de energía eléctrica. Y en la mayor parte de los generadores industriales se obtiene un rendimiento de 150 g/KW- hr, debido a la elevada disipación del calor.

Purschrl, (1982), indica que para generar 4 g de ozono se requiere de un m3 de aire y una descarga eléctrica de corriente de 8 000 a 20 000.

Por otra parte Martinez y González (2000) señalan que normalmente se requiere de 10 g O3 /m3 aire para obtener 1 g O3/m3 es decir; 100 lts de aire ozonizado por cada m3 de agua. A. Difusión en línea. B. Inyección. A. B Tanque de contacto Bomba impulsora de inyección

Inyección de O3 Tanque de contacto Gas residual Difusor de Burbuja Agua tratada. Alimentación de Agua Válvula de desfogue de gas residual Mezclador estático Tanque de contacto

4. Destrucción del Ozono Residual.

El gas liberado de los contactores de ozono generalmente excede el límite establecido por la Ocupation Safety and Health Administration (administración de la Seguridad y Salud Ocupacional, HOSHA) de 0.1 ppm por volumen y consiguientemente el ozono restante se tiene que reciclar o destruir (Demers, 1996).

La destrucción más simple consiste en la Reacción con Carbón Activado Granular (CAG). El material empleado es carbón elemental el cual ha sido activado con vapor, presentándose la siguiente reacción.

6C + 2O3 --- > 3CO2 + 3CO

Entonces como el carbón es un poderoso agente reductor, en contacto con el ozono gaseoso, el carbón es oxidado a monóxido de carbono y bióxido de carbono, resultando la destrucción de la molécula de ozono. Para las instalaciones donde el oxígeno se emplea como gas de alimentación, los destructores de ozono por carbón no deben ser empleados, debido a los peligros de combustión y explosión (Navarro, 1999).