Hybrider Entladungsreaktor mit dielektrischer Barriere: Charakterisierung für die Ozonproduktion

Autoren: Dariusz Korzec, Florian Freund, Christian Bäuml, Patrik Penzkofer und Stefan Nettesheim
Datum: 27.07.2024
Zuerst veröffentlicht auf: https://www.mdpi.com/2571-6182/7/3/31

Abstract

Die Studie untersucht die Erzeugung von Ozon mithilfe eines Plasmareaktors, der auf einer neuartigen, hybriden dielektrisch-behinderten Barriereentladung (HDBD) basiert. Die Ozonerzeugung wurde für eine Vielzahl von Parametern untersucht. Die klassische Anwendung von Ozon ist die Behandlung von Wasser und Abwässern. In jüngster Zeit werden die bioaktiven Eigenschaften von Ozon in zahlreichen Anwendungen genutzt, z. B. zur Verbesserung der Sicherheit und Erhaltung der Qualität von Lebensmitteln, im Gesundheitswesen, für therapeutischen ozoninduzierten Zelltod, zur bakteriziden Desinfektion, bei der Beseitigung von Gerüchen, oder im Kontext von Desinfektion und Sterilisation.

In letzter Zeit wurde ein Bedarf an kompakten, effektiven und wirtschaftlichen Generatoren für Ozon und reaktiven Sauerstoff-Stickstoff-Spezies (RONS) für medizinische, biologische und landwirtschaftliche Anwendungen festgestellt. In dieser Studie wird ein neuartiger, hybrider DBD-Reaktor vorgestellt, der diese Anforderungen erfüllt. Seine strukturierte Hochspannungselektrode ermöglicht die Zündung sowohl der Oberflächen- als auch der Volumen-Mikroentladungen, die zur Plasmagenerierung beitragen.

Funktionsweise des HDBD-Reaktors

Die bevorzugte Methode zur Erzeugung von ozonhaltigem Gas ist die dielektrische Barriereentladung (DBD) sowohl in Sauerstoff als auch in Luft. Zwei Haupttypen der DBD sind weit verbreitet: die Volumen-DBD (VDBD) und die Oberflächen-DBD (SDBD). Der Hauptunterschied zwischen ihnen ist die Art und Weise, wie die Mikroentladungen sich entwickeln. In dieser Arbeit wird ein HDBD-Reaktor vorgestellt, der die Vorteile beider Entladungsgeometrien vereint.

Der in dieser Arbeit verwendete HDBD-Reaktor basiert auf einer modifizierten rechteckigen, parallelen Plattenarchitektur mit einer dielektrischen Barriere und ist in Abbildung 1 schematisch im Querschnitt dargestellt. Er wird mit Hochspannung aus dem zugehörigen, ebenfalls neu entwickelten Hochspannungsgenerator versorgt.

Das Neue an diesem Reaktor ist seine strukturierte Hochspannungselektrode (HV) aus Edelstahl, die eine HDBD ermöglicht, und dem verbauten Peltier-Element. Dieses fungiert u.a. als dielektrische Barriere. Die Anwendung der Peltier-Kühlung anstelle reiner Luft- oder Wasserkühlung ermöglicht eine bessere Kontrollierbarkeit der Wärmeabfuhr aus der Entladungszone. Der Reaktor arbeitet mit einer elektrischen Leistungsaufnahme von unter 30 W und einer Hochspannungsfrequenz von einigen 10 kHz.

Die Mikroentladungen werden zwischen der HV-Elektrode und der Aluminiumoxidplatte des Peltier-Elements gezündet. Die p-n-Übergänge im Peltier-Element dienen als geerdete Elektrode.

Versuchsaufbau

Die Performanz des HDBD-Reaktors zur Ozonerzeugung wurde für eine Vielzahl von Parametern untersucht, die den spezifischen Energieeintrag (SEI) beeinflussen: die Eingangsspannung des Hochspannungsgenerators, der Gasfluss, das Tastverhältnis der Pulsweitenmodulation (PWM) und der Strom des Peltier-Elements. Verschiedene Gase wie Sauerstoff, synthetische Luft und trockene Druckluft wurden getestet, um ihre Effizienz bei der Ozonproduktion zu bestimmen. Die Ozonkonzentration wurde mittels UV-Absorption gemessen, und höhere Harmonische des Entladungsstroms wurden zur Überwachung der Nettoentladungsleistung genutzt. Der Reaktor wurde insgesamt darauf ausgelegt, die Ozonproduktion durch eine optimierte Gasströmung und Temperaturregelung zu maximieren.

Die höchsten ohne Peltier-Kühlung erreichten Ozonkonzentrationen betragen 23.500, 3.500 und 3.200 ppm für reinen Sauerstoff, synthetische Luft und CDA. Die maximalen Produktionsraten für die drei Gase sind 3,2, 0,897 und 0,785 g/h.

Zusammenfassung

Ein wesentlicher Vorteil des vorgestellten HDBD-Systems ist die effiziente Ozongenerierung bei niedrigen Temperaturen, die durch die Temperatursteuerung durch das integrierte Peltier-Element aktiv eingestellt werden kann. Die Studie hebt auch die Bedeutung der Feuchtigkeitskontrolle für die Effizienz der Ozonproduktion hervor.

Die in dieser Arbeit gezeigten Ergebnisse des HDBD-Betriebs sind nur der Anfang der Forschung zu diesem neuartigen Entladungstyp. Die einfache, kompakte, effiziente und kostengünstige Bauweise ermöglicht viele neuartige Anwendungen in verschiedenen industriellen und medizinischen Bereichen.

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