Generación de ozono con radiación ultravioleta

La absorción de luz por el oxígeno ha sido observado por la lejana región del espectro ultravioleta, en las proximidades del infrarrojo. También hay una débil absorción en el espectro visible, cerca de la región del UV y del IR,

es de algún interés en conexión con reacciones fotoquímicas, del oxígeno con otras moléculas; pero para los propósitos de este trabajo, solo la zona centro y lejana del espectro de UV es importante.

Mecanismo de la formación fotoquímica del ozono

La formación de ozono a partir de oxígeno es endotérmica:

3/2 O₂ —» O₃            H  =  34 Kcal.

A partir solo de consideraciones termoquímicas, parecería que la luz de una longitud de onda menor de 842 nm. podría formar ozono a partir del oxígeno. Sin embargo, si consideramos solo el mecanismo probable, entonces para requerir la mima cantidad de energía

O₂ + O₂ —» O₃ + O         H = 93 Kcal.

Correspondiente a una longitud de onda de 307 nm.
La evidencia de la observación apunta a un mecanismo por el cual una molécula de oxígeno en su estado más básico se disocia por la absorción de luz en dos átomos de oxígeno, el estado de energía el cual depende de la longitud de onda de la luz absorbida. El átomo de oxígeno reacciona entonces con una molécula de oxígeno para producir ozono. El mecanismo requiere la mínima cantidad de energía, por supuesto, produce átomos de oxígeno en sus estados menores de energía.

Empíricamente varios fabricantes de lámpara ( Hanovia, etc.) de ultravioleta, han estimado que el rendimiento cuántico máximo, en lo que a formación de ozono se refiere, esta entorno a los 185 – 187 nm., dentro de lo que es una gama de lámparas comerciales

El clivaje o rendimiento cuántico, para la conversión de oxigeno en ozono, mediante radiación ultravioleta de baja longitud de onda, (entorno a los 185 nm) es de 0,6, considerando que pasamos aire seco a 25 ºC y a una velocidad media de 45,72 mtrs/min, usando una lámpara de mercurio a baja presión con longitudes de onda principales de 254 nm y 185 nm. En el caso de usar oxígeno en lugar de aire, la velocidad del gas puede reducirse hasta la cuarta parte.

3O₂ + h ν  —»  2O₃

Por tanto con una longitud de onda entorno a los 185 nm de radiación ultravioleta, podemos producir ozono (con 254 nm producimos fotolisis del H₂O₂); y además es posible estimar que por cada dos fotones de luz UV de 185 nm, podemos obtener una molécula de ozono; este proceso se realiza casi siempre utilizando lámparas de vapor de mercurio de baja o media presión. Cerca del 50% del consumo energético se pierde en forma de calor o de emisiones por debajo de 185 nm, que son absorbidas por la camisa de cuarzo. Generalmente se usan lámparas de 254 nm (aprox. un 75% de la radiación) + 185 nm (en algunos fabricantes puede llegar hasta un 25% de la radiación). Es conveniente el uso de lámparas de Xe/Hg, más caras, pero que emiten en el rango longitudes más bajas.

Cálculos para una lámpara tipo:

La energía de un fotón a 185 nm:

Siendo:

.

Por tanto, sustituyendo tenemos:

Como a 1 vatio le corresponde un julio, tenemos que el número de fotones por segundo en un vatios es:

Para nuestro caso usamos lámparas de UV, que tienen un 80 % de la radiación en la franja de los 254 nm, y aproximadamente un 15% entorno a los 185 nm (lámparas productoras de ozono).

Partiendo de la información inicial, sabemos que el rendimiento quántico es aproximadamente 0,5, por lo que el número de moléculas generadas de ozono, correspondiente a un vatio por segundo, para 185 nm es:

Partiendo de las hipótesis de Abogadro, en un mol de cualquier especie, tenemos 6,0225X10²³ moléculas de O₃, igualmente sabemos que y el PM del O₃ es 48, para un segundo de radiación (un vatio por segundo tenemos):

Si referimos estos valores a una hora (3.600 sg) tenemos:

  Estos valores están referidos a un vatio por hora (3.600 sg), por lo que tenemos que extrapolar los datos a una lámpara tipo existente en el mercado, y para ello tenemos que tener en cuenta la potencia eléctrica consumida y la potencia eficaz en lo que a luz ultravioleta se refiere. Tal como indicamos anteriormente, valores típicos son del 80% de radiación correspondiente a la longitud de onda de 254 nm y un 15 % correspondiente a 185 nm

En nuestro caso partimos de la lámpara GCJ793T5VH/Cell, de Light Sources Inc., con una potencia eléctrica de 38 vatios un consumo aproximado de 425 mA, tensión de cebado entorno a 112 Volt., y a alta frecuencia de 92 voltios y una vida media útil de unas 10.000 horas. A continuación adjuntamos gráficas típicas de este tipo de lámparas así como un gráfico de su estructura.

Como el 15% de la radiación de 185 nm le corresponde un valor en términos reales de 2,85 vatios, por lo que para una hora de funcionamiento, tenemos:

Con todos estos datos teóricos llegamos a la conclusión de que una lámpara UV de 38 de consumo eléctrico, en el mejor de los casos es capaz de producir unos 0,4 grms. de ozono después de una hora de funcionamiento, valor que puede incrementarse sustancialmente con el uso de oxígeno, en lugar de aire.

No obstante indicar que estos datos semi-teoricos, han de ser comprobados, cada vez que se use una lámpara de un fabricante, pues a veces son mucho más favorables los resultados obtenidos.