Pulsed Corona Discharge Ozone Generator
Abstract
Ozone is an allotropic modification of oxygen with unique oxidizing properties. It is widely used in disinfection of medical instruments and clothing, wastewater treatment, food decontamination, and in technological processes in metallurgy. The most common methods for ozone generation are barrier discharge ozonizers. However, this technology has a number of significant drawbacks that prevent its application in industry. An alternative is the use of corona discharges. The authors have developed an ozone generator based on pulsed corona discharge with a repetition rate of up to 300 Hz. The setup allows changing the electrode system, gas flow parameters, and electrical characteristics of the discharge, which makes it possible to conduct a wide range of studies of ozone generation for industrial applications. The experiments carried out allow us to distinguish 2 operating modes: with maximum concentration in the flow and with the best ozone productivity. No clear dependence on the electric field strength was revealed. It’s necessary to provide calculation of the microscopic field strength at the cathode surface. At high energy density the corona discharge transforms into the spark stage. It results in ozone generation decrease. A possible way to solve this problem and increase the efficiency of the installation is to use more productive air flow source and increase the frequency of high-voltage pulses.
- ozone
- ozone generator
- corona discharge
- gas reactor
- high voltage nanosecond pulse source
- solid-state switching system
Аннотация (на русском)
Генератор озона на основе импульсного коронного разряда
Озон является аллотропной модификацией кислорода, обладающей уникальными окислительными свойствами. Он находит широкое применение в дезинфекции медицинских инструментов и одежды, в обработке сточных вод, обеззараживании продуктов в хранилищах, а также в технологических процессах в металлургии. Наиболее распространенными способами получения этого газа являются озонаторы на барьерном разряде. Но такая технология обладает рядом существенных недостатков, не позволяющих применять ее в крупнотоннажном промышленном производстве. Альтернативой является использование стримерных коронных разрядов. Авторами разработан генератор озона на импульсах коронного разряда с частотой следования до 300 Гц. Установка позволяет изменять электродную систему, параметры газового потока, электрические характеристики разряда, что дает возможность проводить широкий спектр исследований особенностей генерации озона для промышленного применения. Проведенные эксперименты позволяют выделить 2 режима работы: с максимальной концентрацией в потоке и с наилучшей производительностью озона. Понятной зависимости от напряженности электрического поля выявлено не было. Это связано с необходимостью проведения расчетов микроскопической напряженности у поверхности катода. При большой плотности энергии, вложенной обрабатываемый воздух коронным разрядом, происходит его переход в искровую стадию, в результате чего генерация озона прекращается. Возможным путем решения этой проблемы и повышения производительности установки является использование оборудования с большей скоростью прокачки воздуха через рабочий объем и повышение частоты следования высоковольтных импульсов.
For citation
Chepusov A.S., Korzhenevskiy S.R., Komarskiy A.A., Ponomarev A.V., Krasniy O.D. Pulsed Corona Discharge Ozone Generator // Journal of Radio Electronics. – 2025. – No. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2025.11.17
References
- Крылова Л.Н. Эффективность применения озона для извлечения металлов из минерального сырья // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2022. - Т. 28. - №. 2. - С. 4-15. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2022-2-4-15
- В.В. Лунин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко. Физическая химия озона. - М: Изд-во МГУ, 1998. - 480 с.
- Morfill G.E. et al. Nosocomial infections - a new approach towards preventive medicine using plasmas // New Journal of Physics. - 2009. - Т. 11. - №. 11. - С. 115019. https://doi.org/10.1088/1367-2630/11/11/115019
- Shimizu T., Zimmermann J.L., Morfill G.E. The bactericidal effect of surface micro-discharge plasma under different ambient conditions // New Journal of Physics. - 2011. - Т.13. - №.2. - С.023026. https://doi.org/10.1088/1367-2630/13/2/023026
- Pavlovich M.J. et al. Effect of discharge parameters and surface characteristics on ambient-gas plasma disinfection // Plasma Processes and Polymers. - 2013. - Т. 10. - №. 1. - С. 69-76. https://doi.org/10.1002/ppap.201200073
- Traylor M.J. et al. Long-term antibacterial efficacy of air plasma-activated water // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2011. - Т. 44. - №. 47. - С. 472001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/49/494002
- Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез озона. - МГУ, 1987.
- Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. 1989 // Изд. Моск. ун-та. - 1989.
- Sung T.L. et al. Effect of pulse power characteristics and gas flow rate on ozone production in a cylindrical dielectric barrier discharge ozonizer // Vacuum. - 2013. - Т. 90. - С. 65-69. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2012.10.003
- Burleson G.R., Murray T.M., Pollard M. Inactivation of viruses and bacteria by ozone, with and without sonication // Applied microbiology. - 1975. - Т. 29. - №. 3. - С. 340-344. https://doi.org/10.1128/am.29.3.340-344.1975
- Fukawa F. et al. Application of nanosecond pulsed power to ozone production by streamer corona // IEEE transactions on plasma science. - 2008. - Т. 36. - №. 5. - С. 2592-2597. https://doi.org/10.1109/TPS.2008.2004372
- Pokryvailo A., Wolf M., Yankelevich Y. Investigation of operational regimes of a high-power pulsed corona source with an all-solid state pulser // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. - 2007. - Т. 14. - №. 4. - С. 846-857. https://doi.org/10.1109/TDEI.2007.4286515
- Yuan D. et al. Ozone production with dielectric barrier discharge from air: The influence of pulse polarity // Ozone: Science & Engineering. - 2018. - Т. 40. - №. 6. - С. 494-502. https://doi.org/10.1080/01919512.2018.1476127
- Филатов И.Е., Сурков Ю.С., Кузнецов Д.Л. Влияние параметров разрядной камеры на эффективность наработки озона импульсным коронным разрядом // Письма в Журнал технической физики. - 2022. - Т. 48. - №. 13. - С. 28-32. https://doi.org/10.21883/PJTF.2022.13.52741.19210
- Mennad B. et al. Theoretical investigation of ozone production in negative corona discharge // Current Applied Physics. - 2010. - Т. 10. - №. 6. - С. 1391-1401. https://doi.org/10.1016/j.cap.2010.04.013
- Корженевский С.Р. Регулировка выходного напряжения импульсного высоковольтного наносекундного генератора с индуктивным накопителем энергии и твердотельной системой коммутации / Корженевский С.Р., Комарский А.А., Чепусов А.С., Бессонова В.А., Титов В.Н. // Приборы и техника эксперимента. Электроника и радиотехника. - 2017. - №1. - С. 52 - 55. https://doi.org/10.7868/S0032816217010219
- Васильев П.В. и др. Работа полупроводникового прерывателя при микросекундном времени накачки и низкой плотности тока // Физика и техника полупроводников. - 2009. - Т. 43. - №. 7. - С. 985.