Ozon-Sauerstoff-Separation & Gasinjektion

Die Erzeugung von hochkonzentriertem Ozongas (O3) und dessen effiziente Injektion in flüssige Phasen sind entscheidende Stellhebel in der industriellen Gaseanwendung. Konventionelle Ozongeneratoren erzeugen Ozon-Sauerstoff-Mischungen mit geringen Ozonanteilen (ca. 1 % bis 15 %). Für anspruchsvolle Anwendungen in der chemischen Synthese, Halbleiterfertigung und modernen Wasseraufbereitung sind jedoch deutlich höhere Reinheiten und präzise Injektionsverfahren erforderlich.

Ozon-Sauerstoff-Separation: Anreicherungsverfahren

Um Ozon nach der Corona-Entladung von nicht umgesetztem Sauerstoff zu trennen, werden primär zwei Ansätze verfolgt:

• Kryogene Adsorption (TSA/PSA): Bei Temperaturen von ca. -50 °C bis -70 °C adsorbiert Ozon selektiv auf Kieselgel (Silikagel) oder hochsiliziumhaltigen hydrophoben Zeolithen, während Sauerstoff gasförmig entweicht und rezykliert wird. Durch anschließende Druckabsenkung (Vakuum) oder Temperaturerhöhung wird hochkonzentriertes Ozongas desorbiert. Moderne zeolithische Adsorbentien bieten den Vorteil, unempfindlich gegenüber Restfeuchtigkeit zu sein.
• Ozon-selektive Membrantrennung: Patente wie US 6,190,436 beschreiben den Einsatz von elastischen Polymermembranen. Ozon diffundiert aufgrund seiner molekularen Eigenschaften bevorzugt durch die Membranschicht und wird auf der Permeatseite abgezogen, während der Sauerstoff-Retentatstrom direkt in den Generator zurückgeführt wird.

Effiziente Gasinjektion über Membrankontaktoren

In der industriellen Gasinjektion, insbesondere bei Air Liquide, gewinnen hydrophobe Hohlfasermembrankontaktoren (aus Materialien wie PTFE oder PVDF) zunehmend an Bedeutung gegenüber klassische Venturi-Düsen oder Blasensäulen:

1. Blasenfreier Stofftransport

Das Wasser strömt entlang der Außenseite (Schalseite) der hydrophoben Hohlfasern, während das Ozongas durch das Lumen (Innenseite) geleitet wird. Die Poren der Membran sind gasgefüllt, werden aber aufgrund des kapillaren Drucks nicht vom Wasser geflutet. Ozon löst sich durch reine molekulare Diffusion blasenfrei im vorbeiströmenden Wasser auf. Dies eliminiert Probleme wie Gas-Stripping und Schaumbildung.

2. Minimierung der Bromatbildung (BrO3-)

Im Trinkwasser führt eine lokale Ozon-Übersättigung an der Grenzfläche von aufsteigenden Gasblasen zur unerwünschten Oxidation von natürlichem Bromid zu krebserregendem Bromat. Da Membrankontaktoren eine homogene, grenzschichtkontrollierte Verteilung des Ozons im Wasserstrom garantieren, wird dieser Reaktionsweg drastisch unterdrückt. Dies erhöht die Sicherheit in der kommunalen Trinkwasserdesinfektion erheblich.

3. Strömungsoptimierung und statische Mischer

Da der Haupttransportwiderstand für Ozon auf der flüssigkeitsseitigen Grenzschicht liegt, beschreiben jüngere Patente (wie das Patent TU Berlin 14025/TUB) den Einsatz integrierter statischer Mischer. Diese erzeugen gezielte Mikroturbulenzen an den Faseroberflächen und erhöhen den Stofftransportkoeffizienten ($k_L$) um ein Vielfaches.

Ausblick

Die Synergie aus hocheffizienten Adsorptionsverfahren zur Ozonanreicherung und dem präzisen Gaseintrag über Hohlfasermembranen stellt die Zukunft der industriellen Oxidation dar. Durch das direkte Rezyklieren des Sauerstoff-Loops lassen sich Betriebskosten der Gasbereitstellung um bis zu 80 % senken, während gleichzeitig die Prozessqualität auf ein neues Niveau gehoben wird.