Medan klor och ultraviolett ljus är standardmetoderna för att desinficera vatten, ozon är lika effektivt för att döda bakterier. Hittills, ozon har endast använts som oxidationsmedel för behandling av vatten i stora anläggningar. Nu, dock, ett projektkonsortium från Schleswig-Holstein utvecklar en miniatyriserad ozongenerator för användning i mindre applikationer som vattenautomater eller små hushållsapparater. Fraunhofer Institute for Silicon Technology ISIT har tillhandahållit sensorchipset och elektrodsubstraten för elektrolyscellen.

Jämfört med konventionella desinfektionsmetoder som klor eller ultraviolett, ozon löst i vatten har ett antal fördelar:det är miljövänligt, förblir aktiv utanför sin omedelbara ursprungsplats, har endast en kort retentionstid i vatten och är därefter smaklös. På grund av dess höga oxidationspotential, ozon är mycket effektivt för att bekämpa bakterier. Det bryter ner cellmembranet hos vanliga patogener. I Tyskland, ozon används främst för att desinficera simbassänger och dricksvatten och för att rena avloppsvatten. Ändå används det sällan för att desinficera vatten i hushållsapparater som ismaskiner och dryckesautomater eller i andra inventarier som dusch-toaletter. MIKROOZON, ett projekt finansierat av delstaten Schleswig-Holstein och EU, syftar till att ändra på detta. Forskare från Fraunhofer ISIT har slagit sig ihop med det Itzehoe-baserade företaget CONDIAS GmbH, som grundades 2001 som en spin-off från Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST, och CONDIAS partner Go Systemelektronik GmbH, från Kiel. De tre partnerna utvecklar en miniatyriserad ozongenerator med integrerad sensorteknik och mikroprocessorkontrollsystem.

Direkt produktion av ozon via vattenelektrolys

"Ozongeneratorn är mycket kompakt och kan integreras i system och apparater som kräver regelbunden desinfektion, " säger Norman Laske, forskare vid Fraunhofer ISIT. "Du ansluter den helt enkelt till vattenledningen, och den kommer att producera rätt mängd ozoniserat vatten när det behövs." Ozongeneratorn är bara ett par kubikcentimeter stor och består av en elektrolyscell, ett sensorchip, styrelektronik för att reglera ström och spänning, och elektronik för att läsa sensorsignalerna. "De två elektroderna är åtskilda av ett jonledande separatormembran, " Laske förklarar. "När en spänning appliceras över elektroderna, vattnet delas av en elektrolysprocess. På grund av diamantskiktet som täcker elektroderna, denna process bildar först hydroxylradikaler, som sedan reagerar och bildar i första hand ozon (O3) samt syre (O2)."

Diamantbelagda silikonelektroder

Hur elektroderna med deras bordopade diamantskikt är tillverkade är kunskapen som gett CONDIAS GmbH dess namn. Företaget använder redan en kemisk ångavsättningsprocess för att belägga storskaliga elektroder som krävs för att desinficera barlastvattnet från marina fartyg. Dock, elektroderna som krävs för MIKROOZON-generatorn är mycket mindre. De är gjorda av kisel och har fint etsade diken som löper genom elektroderna för att bilda smala slitsar på baksidan. För att kunna etsa dessa diken med erforderlig precision, forskarna från Fraunhofer ISIT var tvungna att låta tillverka wafermaterial enligt sina egna specifikationer.

För att bygga en ozongenerator, par av dessa elektroder är monterade rygg mot rygg, med ett separatormembran mellan dem. Gaserna släpps ut vid gränssnittet till separatormembranet och försvinner sedan genom den grävda strukturen till andra sidan av elektroden, där turbulensen i vattenflödet säkerställer att de effektivt löses upp och sprids.

Sensorchipset från Fraunhofer ISIT är utrustat med tre sensorer för att mäta konduktivitet, massflöde och temperatur. Dessa parametrar måste övervakas för att kontrollera den elektrolytiska processen. Sensorchippet tillhandahåller de data som krävs för att styra ozonproduktionen i linje med kvaliteten och mängden vatten som används. "För att säkerställa att det finns tillräckligt med ozon tillgängligt under den tid som krävs, temperaturen måste övervakas, " Laske förklarar. "Detta beror på att ozon sönderfaller snabbare vid högre temperaturer." Konduktivitet korrelerar med graden av vattnets hårdhet:ju hårdare vattnet, desto högre konduktivitet – vilket betyder att mer ström måste flyta för att uppnå önskad effekt. När den är utrustad med ett system för att övervaka dessa parametrar, ozongeneratorn ska kunna bearbeta upp till 6 liter vatten per minut – utan sensorchipet, den är för närvarande specificerad för 0,5 till 1,5 liter.

CONDIAS marknadsför minigeneratorn under varumärket MIKROZON. "Varje partner har bidragit med många års erfarenhet från sitt eget specialiseringsområde, säger Volker Hollinder, VD för CONDIAS GmbH. "Detta har skapat en produkt som nu kan tillverkas i industriell skala. Spridningen av coronaviruset har understrukit vikten av desinfektion. Användningen av kemiska desinfektionsmedel är ofta problematisk, eftersom de lämnar skadliga rester. Vårt system använder elektrolytiskt genererat ozon för att eliminera bakterier. Det producerar därför inga rester från desinfektionsmedel."