【概要】
オゾン（三酸化炭素）は安定性に欠け、すぐに二酸化炭素に分解してしまうため、オゾンはどのような形であれ保存することはできません。そのため、オゾンを使用する現場でオゾンを生成することが必要です。そこで、効率の良いオゾン発生装置を作ろうということになった。オゾン発生器は、供給ガスである酸素をオゾンに変換する電気装置である。電気的なパラメータに加えて、供給ガスもオゾン出力に重要な役割を果たします。オゾン発生器の供給ガスには、大気、乾燥空気、酸素を多く含むガスがあります。コロナ放電式オゾン発生器のオゾン出力に対する空気湿度、酸素濃度、供給ガスの流量とそれらの影響について調査されました。小規模なオゾン生成（すなわち、1時間当たり100グラム以下）では、圧力スイング吸着法（PSA）で生成した酸素を使用することが合理的な解決策であると考えられている。著者らは、湿度の高い熱帯地域で低出力オゾン発生器を使用する現実と研究を結びつけることを意図している。
Le Cao Cuong1, Nguyen Hoang Nghi1, Tran Vinh Dieu1, Doan Thi Yen Oanh2, Dang Duc Vuong1
1Hanoi University of Science and Technology, 1 Dai Co Viet, Hai Ba Trung, Hanoi 100000, Viet Nam
2Publishing House for Science and Technology, Vietnam Academy of Science and Technology, 18 Hoang Quoc Viet, Cau Giay, Hanoi 100000, Viet Nam
Received July 23, 2019; Accepted for publication July 26, 2019
1.はじめに
オゾンは強力な酸化剤として、水や空気の消毒に広く使われています。これは、オゾン分子、より正確にはオゾンから解離した余分な酸素ラジカルと接触した細菌や真菌などの有機化合物を破壊することができるからです。
2.素材と方法
コロナ放電発生装置におけるオゾンの出力Pを調査している。オゾン出力値は、時間に対する質量値g/hrで示され、すなわち、所定の期間内にオゾン発生器によって生成されたオゾンの質量を示す。この値は、供給ガスの流量R（m3／hr）とオゾン濃度C（g／m3）を通じて、次のようにして計算することができる。
P = R x C
一般に、流量はLPM（リットルパーミニッツ）、オゾン濃度はg/m3で表されることが知られているが、この場合、出力は次のように計算される。
P (g/hr)= [R x (LPM x 60) x 0.001] x C(g/m3)
上記の換算式は、オゾン出力（g/h）と原料ガスの流量（L/min）、オゾン濃度（g/m3）の関係を示しています。
コロナ放電によるオゾン生成において、フィードガスは非常に重要な役割を担っています。
オゾン生成に使用される供給ガスには、3つのタイプがあります。
環境空気、乾燥空気、濃縮酸素である。
乾燥空気とは、水分を除去した空気で、露点が-60℃以下であるものをいう。(60℃では空気1m3中の水の質量は0.008g/m3とほぼゼロだが、20℃では17.5g/m3と2,180倍となる）。液化したものを分留して作られた濃縮酸素は、加圧シリンダーに貯蔵され（96％以上）、あるいは液体酸素の形で、例えば1時間あたり100kgのオゾンを生成するような大規模なオゾン製造に使用される。
PSAで製造された酸素は、現場で使用され、小規模なオゾン製造（すなわち、1時間あたり数百グラムのオゾン）に使用されます。小出力のオゾン発生装置（数個～100gr/時）には、周囲の空気とPSA装置で製造された酸素リッチガスが使用されます。私たちは、これらの小型発電機用の供給ガスに着目して研究を進めています。熱帯地方では通常、相対湿度が90%以上の高い空気が観測されます。実験では、加湿器によって相対湿度を25%から96%まで変化させ、温度24℃前後の室内で実験を行いました。空気の流量を変えずに（5L/min）、オゾン出力と湿度の関係を測定した。また、酸素濃度がオゾン出力に及ぼす影響については、高圧ボンベから供給される98%の酸素と空気との混合により調査した。
上記の課題を実現するために、BKIDT社（ハノイ）製のオゾンコロナ放電発生装置および酸素PSA発生装置、オゾンおよび酸素濃度計（単位：gr/m3、％）、ガスローター流量計、圧力シリンダーの98％酸素が使用されている。オゾン生成放電は、石英製の誘電体バリアで隔てられた2つの電極間の放電である誘電体バリア放電（DBD）である。誘電体バリアのおかげで、放電は無音（聞こえない）、ソフトになる。このような放電は、火花放電やアーク放電とは異なり、コロナ放電と呼ばれています。コロナ（DBD）放電は体積放電とも呼ばれ、電極間の空間すべてに広がっている。コロナ媒体で満たされたセルに酸素を流すと、ラジカル（高エネルギー電子）と酸素分子の衝突が高確率で起こる。今回使用した酸素発生装置PSAは、多孔質ゼオライト（吸着剤）がガス分子を選択的に吸着する性質を利用したものである。
空気中の窒素分子はゼオライト層に留まるが、酸素はゼオライト層を通過してユーザーの元へ向かう。オゾン測定のスキームを図1に示す。オゾン発生器（オゾンセル）には、3つのソースから流入ガスがやってきます。(i) 高圧酸素ボンベ、(ii) PSAジェネレーターからの酸素、(iii) 加湿された周囲空気。酸素濃度、湿度、供給ガス流量は測定・制御されます。オゾン濃度の測定には、オゾンメーターが使用されます。
3.結果および考察
3.1. 酸素濃度がオゾン出力に与える影響
オゾン発生器の品質を特徴づける値として、オゾン出力（またはオゾン電力生産）P（g/時）とオゾン濃度 C（g/m3）です。どちらもアプリケーションにとって重要です。前者は、アプリケーションの目的に応じて知る必要のある発電機のパワーを指します。一般に知られているように、オゾン濃度が高いほど水への溶解度が高くなります。
図2は、酸素濃度が21%から98%に増加したのに対して、オゾン出力が3g/hr付近から24g/hrに増加したことを示す。酸素を使用する発電機のオゾン出力は、通常、乾燥空気を使用する場合の2倍（2X）である。本ケースでは、この比率は8倍（24g/hr対2.85g/hr）に近くなっています。供給ガスとして周囲空気と比較して酸素の生産性が非常に高いのは、周囲空気が乾燥していない（24℃で空気湿度が80%以上と非常に高い）ためで、結果として出力は低くなっています。
35%の酸素を供給すると、湿度の高い周囲空気と比較して、オゾン出力が2倍に増加します（5.94g/hr vs 2.85g/hr）。酸素濃度（98 %）の供給ガスで高いオゾン生産性が得られたのは、酸素濃度が高いと、酸素分子とコロナ放電で生成されるラジカル（電子とイオン）が衝突する確率が高くなるためです。オゾン濃度対酸素濃度でも同様の結果が得られ、供給ガス中の酸素濃度が高いほどオゾン濃度が高くなります（21%の酸素で約9g/m3のオゾンを生成、98%の酸素で80g/m3のオゾンを生成）。
圧力シリンダーや液体酸素からの酸素の使用は、通常、オゾンの工業的応用（例えば、オゾン出力が数百キログラム/時に達する場合）で行われます。小規模なオゾン発生装置（50～200g/時）では、ゼオライトを吸着剤とするPSA酸素発生装置で製造した酸素を供給ガスとします。BKIDT社（ハノイ）製のPSA装置で製造される酸素濃度は十分に高い（96〜98％付近）。この酸素を用いたオゾン出力は24g/hrに達し、ハノイの液化空気を分別蒸留して製造した酸素を用いた場合と同等である。さらに、濃縮酸素はオゾンセル内で二酸化窒素の生成を引き起こさないので、オゾン発生器の金属部分を損傷する要因である硝酸の生成を防ぐことができます。
3.2. オゾン出力に及ぼす原料ガス湿度の影響
オゾン生成における湿度の影響については、数値シミュレーションを含めて多くの研究がなされている[2]。本論文では、熱帯地域の大気中で通常観測される湿度25～96%の狭い範囲において、原料ガス中の水分の影響について検討を行った。水分は、いくつかのメカニズムでコロナ放電装置のオゾン出力を低下させる。コロナ中のラジカル（高エネルギー電子）は水分子と相互作用し、OHラジカルが生成される。このOHラジカルがオゾン分子と反応し、オゾンを破壊する。
当然、水蒸気中には常にアニオンである水酸化物OH-が存在する。オゾンはOH-と反応して、以下のようにO2＊-2、HO2＊-、OH＊＋O2＊-というラジカルを生成する。
O3 + (OH)— →O2-2 + HO2—
O3 + OH— → HO2— + O2
2O3 + HO2— → OH + O2*—+ O2
Salvermoser と Kogelschatz によれば、コロナ放電の高エネルギー電子が水蒸気中のラジカル OH* を生成し、触媒反応サイクルを形成して、オゾン破壊を促進する。供給ガス中の水分によるオゾン出力の低下を説明する方法はもう一つある。誘電体表面に付着した水分が導電率を変化させ、コロナ放電のパワーを低下させるというものです。前述したように、外気中の水分はオゾンセル内で窒素酸化物や硝酸を生成し、発電機にダメージを与える。乾燥した空気（露点が非常に低い空気、-60〜-20℃）を得ることは容易ではありません。相対湿度が20～50％の範囲であれば、オゾン出力を大きく低下させることはないため、小型のオゾン発生器（数グラム/時）では、湿度が50～60％以下の吸入空気を使用すべきと考えられている（参照）。図3）。
3.3. 供給ガス流量がオゾン出力とオゾン濃度に与える影響
濃度が変化する
供給ガスの流量は、オゾンセル内でプラズマと相互作用してオゾンを生成する酸素分子の質量を制御します。流量が少ないと、酸素分子とコロナ中のラジカル（高エネルギー電子）の接触時間が長くなり、一方、生成されたオゾンはオゾンセルからゆっくりと放出されます。その結果、オゾンセル内のオゾン濃度を高く保つことができるのです。流量を増やすと、オゾン濃度は低下します（3L/minで88g/m3だったものが、3L/minで3g/m3まで低下／29g/m3、20 L/min時）（図4）。
応用面では、オゾン濃度が高いほど、水への溶解度が高まる。例えば、オゾン濃度が25g/m3から125g/m3に増加すると、水へのオゾン溶解度は5倍（10mg/Lから50mg/L）に増加する。したがって、水の殺菌には高いオゾン濃度が望まれます。出力変化。出力変化：流量もオゾン発生器のオゾン出力に大きな影響を与える。[4] 流量が少ないと、オゾンの発生量は少なくなる。
流量が少ないと、オゾンセルの中で酸素が行き来し、反応に参加するのを阻害します。酸素の量が一定で変化しない（流量が非常に小さい）オゾンセルを想像してみましょう。オゾンを生成する反応では、セル内の酸素が消費されます。そのため、セル内の酸素が不足すると、オゾンの生成量が制限される。オゾンセル内に原料ガスを送り込む（流量を増やす）と、セル内の酸素量が増え、オゾン発生量が増加する。また、流量が増加しても、流量がある程度高くなると、オゾン出力は飽和し、あるいはわずかに減少する。オゾンセルでは、電子と相互作用している分子は、その熱および流速が、そこを通過する電子の速度（～10-15秒）に比べて無視できるほど小さいので、不動とみなすことができます。したがって、この運動はオゾン出力に影響を及ぼさない。
ベルヌーイの原理により、流体の速度は上がり、圧力は下がります（オゾンセルはベンチュリー管のような小さな半径の管状に作られています）。その結果、オゾンセル内のガス（酸素）の密度が低くなり、コロナ媒体中の酸素分子とラジカルが衝突する確率が小さくなり、オゾン出力が低下する。
つまり、オゾン出力は、まず流量の増加とともに増加し、ある高流量で出力が飽和するか、あるいはわずかに減少する（図4）。アプリケーションの観点からは、高出力と高濃度のオゾンの両方が必要である。特に水の消毒では、高濃度のオゾンを使用した方が水への溶解度が高くなるため、高濃度のオゾンが重要である。
4.結論
1.酸素供給ガスを使用することで、高湿度環境下での使用と比較して、オゾン出力を最大8倍まで高めることができます。
2.BKIDT社（ハノイ）で設計・製造された圧力スイング吸着式酸素発生器（PSA）で製造した酸素を使用すると、圧力シリンダーからの酸素と同じオゾン出力が得られる。
3.湿度25%から50%（24℃）の周囲空気では、オゾン出力はほとんど変化しない。しかし、それ以上の湿度（70～80%）では、オゾン出力は著しく低下します。
4.流量を増やすと、最初は出力が増加し、ある一定の高流量になると出力が飽和するか、わずかに減少する。オゾン発生器の種類によって、最適な流量を選択する必要があります。
| 発表元 | URL |
| Wiley Online Library | Influence of oxygen concentration, feed gas flow rate and air humidity on the output of ozone produced by corona discharge |
