Bei der Wasserdesinfektion ist Ozon gegenüber Chlor und UV-Strahlen klar im Vorteil: Es ist umweltfreundlich, über den Ort der Entstehung hinaus aktiv, hat nur eine geringe Verweilzeit im Wasser und ist anschließend geschmacksneutral. Aufgrund seines hohen Oxidationspotenzials baut Ozon Keime effektiv ab, da es den Zerfall der Zellmembran von häufig vorkommenden Krankheitserregern verursacht.
Hauptanwendungsgebiete hierzulande sind die Desinfektion von Schwimmbecken- und Trinkwasser, aber auch in der Abwasserreinigung wird das Verfahren genutzt. In Haushaltsgeräten wie Eiswürfelmaschinen, Getränkeautomaten oder auch Dusch-WCs ist der Einsatz von Ozon hingegen noch nicht üblich.
Das wollen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie ISIT nun ändern. Zusammen mit der Firma Condias – einer Ausgründung des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST – und dem Partner Go Systemelektronik entwickeln sie im Projekt „Mikroozon“ einen miniaturisierten Ozongenerator mit integrierter Sensorik und mikroprozessorbasierter Steuerung. Das Vorhaben wird vom Land Schleswig-Holstein und der EU gefördert.
Ozon-Erzeugung per Elektrolyse
Der wenige Kubikzentimeter große Ozongenerator setzt sich zusammen aus einer Elektrolysezelle, einem Sensorchip, der Elektronik, die Strom und Spannung regelt, und der Auswertung, die die Sensorsignale ausliest. Er lässt sich in Geräte und Systeme integrieren, die aufgrund von Hygienevorschriften regelmäßig desinfiziert werden müssen. Dazu wird er einfach in die Wasserleitungen eingeklinkt und erzeugt durch Elektrolyse unmittelbar vor Gebrauch die benötigte Menge ozonisiertes Wasser.
Genauer erklärt es Norman Laske, Wissenschaftler am Fraunhofer ISIT: „Zwischen zwei Elektroden befindet sich eine ionenleitfähige Separatormembran. Legt man über die Elektroden Spannung an, so wird Wasser durch Elektrolyse gespalten. Dank einer Diamantschicht auf den Elektroden bilden sich dabei zunächst Hydroxylradikale, die vornehmlich zu Ozon, aber auch zu Sauerstoff reagieren.“
Diamantbeschichtete Silizium-Elektroden
Wie die Elektroden mit ihrer bordotierten Diamantschicht belegt werden, weiß die Firma Condias. In ihren Anlagen wurden durch chemische Gasphasenabscheidung bereits großformatige Elektroden zur Desinfektion von Schiffsballastwasser beschichtet.
Die Elektroden für „Mikroozon“ sind aber wesentlich kleiner: Sie bestehen aus Silizium, das von fein geätzten Gräben durchzogen wird. Diese münden an der Rückseite in schmalen Spaltöffnungen. Um die erforderliche Präzision beim Ätzen zu erreichen, mussten die Forschenden des Fraunhofer ISIT Wafermaterial nach ihren Spezifikationen herstellen lassen.
Damit aus den Elektroden ein Ozongenerator wird, werden sie paarweise Rücken an Rücken montiert, dazwischen befindet sich eine Separatormembran. Die Gase werden an dem Übergang zur Separatormembran freigesetzt und können durch die grabenförmige Strukturierung aufgrund der Verwirbelung des Wassers effizient abtransportiert und gelöst werden.
Keine Rückstände von Desinfektionsmitteln
Der am Fraunhofer ISIT entwickelte Sensorchip ist mit drei Sensoren ausgestattet, die die Leitfähigkeit, den Massenfluss und die Temperatur messen. Diese Parameter sind erforderlich, um den Elektrolyseprozess zu regeln. Die Sensoreinheit liefert somit die Daten, um die Produktion des Ozons abhängig von der Wasserqualität und -menge zu steuern.
„Um sicherzustellen, dass ausreichend Ozon für die Zeit der Benutzung verfügbar ist, muss die Temperatur überwacht werden“, erklärt Laske. „Je höher die Temperatur ist, desto schneller zerfällt Ozon.“ Die Leitfähigkeit wiederum korreliert mit der Wasserhärte: Je höher die Wasserhärte, desto höher die Leitfähigkeit und desto mehr Strom muss fließen, damit der erwünschte Effekt erzielt wird.
Der Ozongenerator soll durch die integrierte Messung künftig pro Minute bis zu 6 l Wasser verarbeiten können. Aktuell ist er ohne Sensorik für 0,5 bis 1,5 l spezifiziert. Condias vertreibt die Entwicklung unter dem Namen „Mikrozon“.
„Alle Partner vereinen die langjährige Expertise aus ihren jeweiligen Spezialgebieten in diesem Produkt, das in großen Stückzahlen hergestellt werden kann“, sagt Volker Hollinder, CEO von Condias. „Die Ausbreitung des Coronavirus hat gezeigt, wie wichtig Desinfektion ist. Oft ist der Einsatz von chemischen Desinfektionsmitteln problematisch, weil schädliche Rückstände verbleiben. Durch eine elektrochemische Ozonproduktion werden Keime eliminiert. Es gibt keine Rückstände von Desinfektionsmitteln.“
