Les électrodes du générateur d'ozone sont constituées de plaquettes de silicium avec des tranchées gravées avec précision. Crédit :Fraunhofer-Gesellschaft
Alors que le chlore et la lumière ultraviolette sont les moyens standard de désinfecter l'eau, l'ozone est tout aussi efficace pour tuer les germes. À ce jour, l'ozone n'a été utilisé que comme agent d'oxydation pour le traitement de l'eau dans les grandes usines. Maintenant, cependant, un consortium de projet du Schleswig-Holstein développe un générateur d'ozone miniaturisé destiné à être utilisé dans des applications plus petites telles que les distributeurs d'eau ou les petits appareils électroménagers. L'Institut Fraunhofer pour la technologie du silicium ISIT a fourni la puce de capteur et les substrats d'électrode pour la cellule d'électrolyse.
Par rapport aux moyens de désinfection conventionnels tels que le chlore ou les ultraviolets, l'ozone dissous dans l'eau présente de nombreux avantages :il est respectueux de l'environnement, reste actif au-delà de son lieu d'origine immédiat, n'a qu'un temps de rétention court dans l'eau et est par la suite insipide. En raison de son potentiel d'oxydation élevé, l'ozone est très efficace pour lutter contre les germes. Il brise la membrane cellulaire des agents pathogènes courants. En Allemagne, l'ozone est principalement utilisé pour désinfecter les piscines et l'eau potable et pour purifier les eaux usées. Pourtant, il est rarement utilisé pour désinfecter l'eau dans les appareils ménagers tels que les machines à glaçons et les distributeurs de boissons ou dans d'autres appareils tels que les toilettes-douches. MIKROOZON, un projet financé par l'État du Schleswig-Holstein et l'UE, vise à changer cela. Des chercheurs de Fraunhofer ISIT se sont associés à la société CONDIAS GmbH, basée à Itzehoe, qui a été fondée en 2001 en tant que spin-off du Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST, et le partenaire de CONDIAS Go Systemelektronik GmbH, de Kiel. Les trois partenaires développent un générateur d'ozone miniaturisé avec une technologie de capteur intégrée et un système de contrôle par microprocesseur.
Production directe d'ozone par électrolyse de l'eau
"Le générateur d'ozone est très compact et peut être intégré dans des systèmes et appareils nécessitant une désinfection régulière, " dit Norman Laske, chercheur au Fraunhofer ISIT. "Vous le connectez simplement à la ligne d'eau, et il produira la bonne quantité d'eau ozonisée chaque fois que nécessaire." Le générateur d'ozone ne mesure que quelques centimètres cubes et comprend une cellule d'électrolyse, une puce de capteur, électronique de commande pour réguler le courant et la tension, et l'électronique pour lire les signaux des capteurs. "Les deux électrodes sont séparées par une membrane séparatrice conductrice d'ions, " Laske explique. " Lorsqu'une tension est appliquée aux électrodes, l'eau est divisée par un processus d'électrolyse. En raison de la couche de diamant recouvrant les électrodes, ce processus forme d'abord des radicaux hydroxyles, qui réagissent ensuite pour former principalement de l'ozone (O3) ainsi que de l'oxygène (O2)."
Des capteurs mesurent le débit massique, température et conductivité. Crédit :Fraunhofer-Gesellschaft
Électrodes de silicium revêtues de diamant
La fabrication des électrodes avec leur couche de diamant dopé au bore est le savoir-faire qui a donné son nom à CONDIAS GmbH. L'entreprise utilise déjà un procédé de dépôt chimique en phase vapeur pour enduire les électrodes à grande échelle nécessaires à la désinfection des eaux de ballast des navires. Cependant, les électrodes nécessaires au générateur MIKROOZON sont beaucoup plus petites. Ils sont faits de silicium et comportent des tranchées finement gravées qui traversent les électrodes pour former des fentes étroites au verso. Afin de pouvoir graver ces tranchées avec la précision requise, les chercheurs de Fraunhofer ISIT devaient faire fabriquer des plaquettes selon leurs propres spécifications.
Pour construire un générateur d'ozone, des paires de ces électrodes sont montées dos à dos, avec une membrane séparatrice entre eux. Les gaz sont libérés à l'interface avec la membrane séparatrice puis s'échappent à travers la structure tranchée de l'autre côté de l'électrode, où la turbulence de l'écoulement de l'eau assure qu'elles sont efficacement dissoutes et dispersées.
Les capteurs Fraunhofer ISIT sont intégrés dans des plaquettes de verre. Crédit :Fraunhofer-Gesellschaft
La puce de capteur de Fraunhofer ISIT est équipée de trois capteurs pour mesurer la conductivité, débit massique et température. Ces paramètres doivent être surveillés afin de contrôler le processus électrolytique. La puce du capteur fournit les données nécessaires pour contrôler la production d'ozone en fonction de la qualité et de la quantité d'eau utilisée. "Afin de garantir qu'il y a suffisamment d'ozone disponible pendant la période requise, la température doit être surveillée, " Laske explique. " C'est parce que l'ozone se décompose plus rapidement à des températures plus élevées. " La conductivité est corrélée au degré de dureté de l'eau :plus l'eau est dure, plus la conductivité est élevée, ce qui signifie que plus de courant doit circuler pour obtenir l'effet souhaité. Lorsqu'il est équipé d'un système de surveillance de ces paramètres, le générateur d'ozone doit être capable de traiter jusqu'à 6 litres d'eau par minute, sans la puce du capteur, il est actuellement spécifié pour 0,5 à 1,5 litres.
CONDIAS commercialise le mini-générateur sous la marque MIKROZON. "Chaque partenaire a apporté des années d'expérience dans son propre domaine de spécialisation, " dit Volker Hollinder, PDG de CONDIAS GmbH. "Cela a créé un produit qui peut désormais être fabriqué à l'échelle industrielle. La propagation du coronavirus a souligné l'importance de la désinfection. L'utilisation de désinfectants chimiques est souvent problématique, car ils laissent des résidus nocifs. Notre système utilise de l'ozone généré par électrolyse pour éliminer les germes. Il ne produit donc aucun résidu de désinfectant."
