Traditionell wird Wasser mit Chlor und UV-Strahlen desinfiziert. Ozon, das ebenfalls Keime abtötet, wird bisher nur bei großen Wasseraufbereitungsanlagen als Oxidationsmittel eingesetzt. Dabei hat in Wasser gelöstes Ozon bei der Desinfektion klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Methoden wie Chlor oder UV-Strahlen. Es sei umweltfreundlich, über den Ort der Entstehung hinaus aktiv, habe nur eine geringe Verweilzeit im Wasser und sei anschließend geschmacksneutral, betonen die Forscher des Fraunhofer-Instituts für Siliziumtechnologie ISIT, die den Sensorchip und die Elektrodensubstrate der Elektrolysezelle beisteuern.
Ozon baut Keime aufgrund seines hohen Oxidationspotenzials effektiv ab, indem es die Zellmembran von häufig vorkommenden Krankheitserregern zerfallen lässt. In erster Linie wird dieses Verfahren zur Desinfektion von Schwimmbeckenwasser und Trinkwasser und auch in der Abwasserreinigung genutzt. Zur Desinfektion von Wasser in Haushaltsgeräten wie Eiswürfelmaschinen, Getränkeautomaten oder auch Duschen wird Ozon bislang nicht genutzt.
Forscher des Fraunhofer ISIT in Itzehoe und ihr Partner Go Systemelektronik GmbH aus Kiel wollen das nun gemeinsam mit der CONDIAS GmbH in Itzehoe ändern. Im Rahmen des Projekts MIKROOZON soll ein miniaturisierter Ozongenerator mit integrierter Sensorik und mikroprozessorbasierter Steuerung entstehen. Gefördert wird das Projekt vom Land Schleswig-Holstein und der EU.
Ozon direkt aus Wasser erzeugen
„Der kompakte Ozongenerator lässt sich in Geräte und Systeme integrieren, die aufgrund von Hygienevorschriften regelmäßig desinfiziert werden müssen“, sagt Norman Laske, Wissenschaftler am Fraunhofer ISIT. „Er wird einfach in die Wasserleitungen eingeklinkt und erzeugt durch Elektrolyse unmittelbar vor Gebrauch die benötigte Menge ozonisiertes Wasser.” Der Ozongenerator ist nur wenige Kubikzentimeter groß und aus verschiedenen Teilen zusammengesetzt: aus einer Elektrolysezelle, einem Sensorchip, der Elektronik, die Strom und Spannung regelt, und der Auswertung, die die Sensorsignale ausliest. „Zwischen zwei Elektroden befindet sich eine ionenleitfähige Separatormembran. Legt man über die Elektroden Spannung an, so wird Wasser durch Elektrolyse gespalten“, erläutert der Forscher die Funktionsweise des Generators. „Dank einer Diamantschicht auf den Elektroden bilden sich dabei zunächst Hydroxylradikale, die vornehmlich zu Ozon (O3), aber auch zu Sauerstoff (O2) reagieren.“
Die CONDIAS GmbH hat Erfahrung darin, wie Elektroden mit ihrer bordotierten Diamantschicht belegt werden. Durch chemische Gasphasenabscheidung wurden in ihren Anlagen bereits großformatige Elektroden zur Desinfektion von Schiffs-Ballastwasser beschichtet. Die Elektroden für MIKROOZON sind allerdings wesentlich kleiner: Sie bestehen aus Silizium, das von fein geätzten Gräben durchzogen wird, die an der Rückseite in schmalen Spaltöffnungen münden. Die Forscher des Fraunhofer IST mussten eigens Wafermaterial nach ihren Spezifikationen herstellen lassen, um die erforderliche Präzision beim Ätzen zu erreichen.
Um einen Ozongenerator herzustellen, werden die Elektroden paarweise Rücken an Rücken montiert. Dazwischen befindet sich eine Separatormembran. An dem Übergang zur Separatormembran werden die Gase freigesetzt „und können durch die grabenförmige Strukturierung aufgrund der Verwirbelung des Wassers effizient abtransportiert und gelöst werden“, erklären die Forscher.
Pro Minute bis zu sechs Liter Wasser
Der am Institut entwickelte Sensorchip sei mit drei Sensoren ausgestattet, die die Leitfähigkeit, den Massenfluss und die Temperatur messen. Diese Parameter seien erforderlich, um den Elektrolyseprozess zu regeln. Somit liefere die Sensoreinheit 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. Je höher die Temperatur ist, desto schneller zerfällt Ozon“, erklärt Laske. Die Leitfähigkeit wiederum korreliere mit der Wasserhärte: Je höher die Wasserhärte, desto höher die Leitfähigkeit und desto mehr Strom müsse fließen, damit der erwünschte Effekt erzielt werde. Durch die integrierte Messung soll der Ozongenerator künftig pro Minute bis zu sechs Liter Wasser verarbeiten können. „Aktuell ist er ohne Sensorik für 0,5 bis 1,5 Liter spezifiziert.“
Die CONDIAS GmbH vertreibt den Miniaturgenerator 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 der CONDIAS GmbH. „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.“
Titelbild: Präzise in Siliziumwafer geätzte Gräben bilden die Elektroden für den Ozongenerator. © Fraunhofer ISIT
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