Z ostatnich badań opublikowanych w czasopiśmie naukowym Vacuum wynika znaczny postęp w technologii wytwarzania ozonu, oferujący potencjalne rozwiązanie jednego z najbardziej uporczywych wyzwań branży: efektywności energetycznej. Naukowcy opracowali nowatorski reaktor wyładowczy z podwójną szczeliną dielektryczną, który osiąga wydajność wytwarzania ozonu na poziomie 250 g/kWh, czyli dwukrotnie więcej niż 125 g/kWh osiągane w przypadku konwencjonalnych konstrukcji z pojedynczą szczeliną w identycznych warunkach pracy.
To przełomowe rozwiązanie stanowi odpowiedź na kluczowy problem w zastosowaniach przemysłowych ozonu, gdzie zużycie energii zwykle stanowi ponad 60% całkowitych kosztów operacyjnych w systemach wielkoskalowych. Badania przeprowadzone przez zespół kierowany przez Amara Tilmatine'a z Université Djillali Liabes w Algierii pokazują, że konfiguracja z podwójną szczeliną tworzy bardziej równomierny i zintensyfikowany rozkład pola elektrycznego, z wartościami szczytowymi sięgającymi 1,4 × 10⁷ V/m – znacznie wyższymi niż szczyt pojedynczej przerwy wynoszący około 1 × 10⁷ V/m.
Nowatorski reaktor wyładowczy z barierą dielektryczną z podwójną szczeliną (DG-DBD) ma symetryczną konstrukcję z dwiema identycznymi szczelinami wyładowczymi utworzonymi po obu stronach centralnej elektrody wysokiego napięcia. Taka konfiguracja umożliwia równomierny i zrównoważony rozkład pola elektrycznego w obu strefach wyładowania, zapobiegając zdominowaniu procesu wyładowania przez jedną szczelinę i wytwarzaniu jednorodnej plazmy w całym reaktorze.
Walidacja eksperymentalna potwierdziła, że system z podwójną szczeliną wytwarzał około 4,5–5,0 g/h ozonu w porównaniu z 3,5–4,0 g/h w przypadku konstrukcji z pojedynczą szczeliną, zużywając jednocześnie znacznie mniej energii (19,5 W w porównaniu z 29,5 W). Charakterystyki napięciowo-prądowe, liczby Lissajous i analiza kształtu fali potwierdziły lepsze zachowanie podczas rozładowania i zmniejszone zużycie energii w konfiguracji z podwójną szczeliną.
Konsekwencje dla producentów maszyn do ozonowania są znaczne. Efektywność energetyczna pozostaje głównym wyróżnikiem na konkurencyjnym rynku generatorów ozonu, gdzie systemy przemysłowe zazwyczaj zużywają 10–15 kWh na kilogram wytworzonego ozonu. Podwajając wydajność, technologia ta może obniżyć koszty operacyjne użytkowników końcowych o 30–50%, umożliwiając jednocześnie tworzenie bardziej kompaktowych projektów systemów o niższych wymaganiach dotyczących chłodzenia.
W przypadku przemysłowych generatorów ozonu ten przełom w wydajności otwiera nowe możliwości w zastosowaniach, w których koszty energii były historycznie ograniczone. Zakłady uzdatniania wody, które stanowią jeden z największych segmentów rynku technologii ozonowej, mogą na tym znacząco zyskać. Wielkoskalowe miejskie oczyszczalnie wody pitnej i oczyszczalnie ścieków, które działają w sposób ciągły, wymagają znacznych nakładów energii do wytwarzania ozonu; zmniejszenie tego obciążenia poprawia opłacalność ekonomiczną oczyszczania opartego na ozonie w porównaniu z alternatywami chemicznymi.
Technologia ta zwiększa również wydajność maszyn do dezynfekcji ozonem w różnych sektorach, w tym w przetwórstwie żywności, produkcji farmaceutycznej i opiece zdrowotnej. Wyższa efektywność energetyczna przekłada się na mniejsze wytwarzanie ciepła w komorze wylotowej, co ma kluczowe znaczenie, ponieważ ozon szybko rozkłada się w podwyższonych temperaturach. Minimalizując straty ciepła, konstrukcja z podwójną szczeliną utrzymuje wyższe stężenie i stabilność ozonu, poprawiając skuteczność dezynfekcji przy jednoczesnym zmniejszeniu wymaganej infrastruktury chłodzącej.
Podejście oparte na podwójnych lukach stanowi znaczący postęp w porównaniu z innymi obecnie opracowywanymi strategiami zwiększającymi efektywność. Alternatywne podejścia obejmują powierzchnie dielektryczne pokryte katalizatorem, które wykazały wydajność ozonu na poziomie 24,1 g/h przy 120 W przy efektywności energetycznej sięgającej 218,3 g/kWh przy użyciu nanokatalizatorów TiO₂. Podczas gdy powłoka katalizatora poprawia wydajność poprzez zwiększenie stabilności wyładowania i utworzenie dodatkowych miejsc katalitycznych do syntezy ozonu, konstrukcja z podwójną szczeliną osiąga porównywalny wzrost wydajności dzięki czysto geometrycznej optymalizacji bez konieczności stosowania specjalistycznych materiałów lub procesów powlekania.
W innych badaniach zbadano konfiguracje wielorurowe osiągające efektywność energetyczną 180,7 g/kWh (56% wyższą niż systemy jednorurowe) przy natężeniu pola elektrycznego do 3,5 × 10⁷ V/m oraz projekty powierzchniowe DBD z elektrodami siatkowymi osiągające 332 g/kWh dzięki zoptymalizowanej geometrii i chłodzeniu wymuszonym powietrzem. Podejście podwójnej szczeliny wyróżnia się połączeniem doskonałej wydajności z prostotą projektu i skalowalnością.
Przewiduje się, że światowy rynek generatorów ozonu, wyceniony na 466,2 mln dolarów w 2025 r., osiągnie 930,4 mln dolarów do 2035 r., co oznacza wzrost CAGR na poziomie 7,3%. Poprawa efektywności energetycznej będzie odgrywać kluczową rolę w tym rozwoju, szczególnie w obliczu zaostrzenia przepisów dotyczących ochrony środowiska, a koszty operacyjne będą przedmiotem większej kontroli we wszystkich branżach.
Wiodący producenci sprzętu już włączają zaawansowane technologie rozładowania do swoich linii produktów. Seria OZONFILT OZMa firmy ProMinent osiąga jednostkowe zużycie energii na poziomie 16,5 Wh/g przy zastosowaniu sprężonego powietrza jako źródła gazu zasilającego, przy stężeniu ozonu do 20 g/Nm3. Ich systemy DULCOZON OZLa, zaprojektowane do większych zastosowań do 5760 g/h, osiągają zużycie energii poniżej 8,0 Wh/g przy 10% wagowym stężeniu ozonu dzięki innowacyjnym koncepcjom chłodzenia i konstrukcjom modułowym.
Technologia DBD z podwójną szczeliną oferuje drogę do jeszcze większej wydajności poprzez optymalizację podstawowej fizyki wyładowań, zamiast polegać wyłącznie na peryferyjnych ulepszeniach w zakresie chłodzenia lub przygotowania gazu. W miarę jak technologia przechodzi od walidacji laboratoryjnej do wdrożenia komercyjnego, można spodziewać się ustanowienia nowych standardów wydajności wytwarzania ozonu.
Publikacja wyników tego badania DBD dotyczącego podwójnej luki w czasopiśmie Vacuum stanowi znaczący wkład w naukę o wytwarzaniu ozonu, zapewniając eksperymentalną walidację koncepcji projektowej, która może znacznie zmniejszyć ślad energetyczny produkcji ozonu. Dla producentów maszyn ozonowych, przemysłowych generatorów ozonu i maszyn do dezynfekcji ozonem technologia ta stanowi plan działania w zakresie rozwoju produktów nowej generacji, który równoważy wydajność, wydajność i praktyczność produkcji. W miarę jak branża kontynuuje proces przechodzenia w kierunku zrównoważonych, opłacalnych rozwiązań w zakresie dezynfekcji, takie innowacje okażą się niezbędne do zaspokojenia zmieniających się potrzeb w zakresie uzdatniania wody, bezpieczeństwa żywności i ochrony środowiska na całym świecie.
