Mentre il cloro e la luce ultravioletta sono i mezzi standard per disinfettare l'acqua, l'ozono è ugualmente efficace nell'uccidere i germi. Ad oggi, l'ozono è stato utilizzato solo come agente ossidante per il trattamento dell'acqua nei grandi impianti. Ora, però, un consorzio di progetto dello Schleswig-Holstein sta sviluppando un generatore di ozono miniaturizzato da utilizzare in applicazioni più piccole come distributori d'acqua o piccoli elettrodomestici. Il Fraunhofer Institute for Silicon Technology ISIT ha fornito il chip del sensore e i substrati degli elettrodi per la cella di elettrolisi.

Rispetto ai mezzi di disinfezione convenzionali come il cloro o l'ultravioletto, l'ozono disciolto in acqua presenta numerosi vantaggi:è ecologico, rimane attivo oltre il suo immediato luogo di origine, ha solo un breve tempo di ritenzione in acqua ed è quindi insapore. Grazie al suo alto potenziale di ossidazione, l'ozono è molto efficace nel combattere i germi. Distrugge la membrana cellulare dei comuni agenti patogeni. In Germania, l'ozono viene utilizzato principalmente per disinfettare le piscine e l'acqua potabile e per purificare le acque reflue. Eppure è usato raramente per disinfettare l'acqua negli elettrodomestici come macchine per il ghiaccio e distributori di bevande o in altri dispositivi come le docce-WC. MIKROOZON, un progetto finanziato dallo Stato dello Schleswig-Holstein e dall'UE, mira a cambiare questo. I ricercatori del Fraunhofer ISIT hanno collaborato con la società CONDIAS GmbH di Itzehoe, che è stata fondata nel 2001 come spin-off del Fraunhofer Institute for Surface Engineering and Thin Films IST, e il partner CONDIAS Go Systemelektronik GmbH, da Kiel. I tre partner stanno sviluppando un generatore di ozono miniaturizzato con tecnologia a sensori integrata e sistema di controllo a microprocessore.

Produzione diretta di ozono tramite elettrolisi dell'acqua

"Il generatore di ozono è molto compatto e può essere integrato in impianti e apparecchiature che richiedono una regolare disinfezione, "dice Norman Laske, ricercatore presso Fraunhofer ISIT. "Basta collegarlo alla linea di galleggiamento, e produrrà la giusta quantità di acqua ozonizzata quando necessario." Il generatore di ozono è grande solo un paio di centimetri cubi e comprende una cella di elettrolisi, un chip sensore, elettronica di controllo per regolare corrente e tensione, ed elettronica per leggere i segnali del sensore. "I due elettrodi sono separati da una membrana separatrice a conduzione ionica, " spiega Laske. "Quando viene applicata una tensione ai capi degli elettrodi, l'acqua viene scissa mediante un processo di elettrolisi. A causa dello strato di diamante che riveste gli elettrodi, questo processo prima forma radicali idrossilici, che poi reagiscono per formare principalmente ozono (O3) e ossigeno (O2)."

Elettrodi in silicone diamantati

Come vengono realizzati gli elettrodi con il loro strato di diamante drogato con boro è il know-how che ha dato il nome a CONDIAS GmbH. L'azienda utilizza già un processo di deposizione chimica da vapore per rivestire gli elettrodi su larga scala necessari per disinfettare l'acqua di zavorra delle navi marine. Però, gli elettrodi necessari per il generatore MIKROOZON sono molto più piccoli. Sono fatti di silicio e hanno trincee finemente incise che attraversano gli elettrodi per formare strette fessure sul retro. Per poter incidere queste trincee con la precisione richiesta, i ricercatori del Fraunhofer ISIT hanno dovuto produrre materiale per wafer secondo le proprie specifiche.

Per costruire un generatore di ozono, coppie di questi elettrodi sono montati schiena contro schiena, con una membrana di separazione tra di loro. I gas vengono rilasciati all'interfaccia con la membrana del separatore e quindi fuoriescono attraverso la struttura a trincea verso l'altro lato dell'elettrodo, dove la turbolenza del flusso d'acqua assicura che siano efficacemente dissolti e dispersi.

Il chip sensore di Fraunhofer ISIT è dotato di tre sensori per misurare la conducibilità, flusso di massa e temperatura. Questi parametri devono essere monitorati per controllare il processo elettrolitico. Il chip del sensore fornisce i dati necessari per controllare la produzione di ozono in linea con la qualità e la quantità di acqua utilizzata. "Al fine di garantire che ci sia abbastanza ozono disponibile nel periodo richiesto, la temperatura deve essere monitorata, " Spiega Laske. "Questo perché l'ozono si decompone più rapidamente a temperature più elevate." La conduttività è correlata al grado di durezza dell'acqua:più dura è l'acqua, maggiore è la conduttività, il che significa che deve fluire più corrente per ottenere l'effetto desiderato. Se dotato di un sistema per monitorare questi parametri, il generatore di ozono dovrebbe essere in grado di elaborare fino a 6 litri di acqua al minuto, senza il chip del sensore, attualmente è specificato da 0,5 a 1,5 litri.

CONDIAS sta commercializzando il minigeneratore con il marchio MIKROZON. "Ogni partner ha contribuito con anni di esperienza nella propria area di specializzazione, "dice Volker Hollinder, CEO di CONDIAS GmbH. "Questo ha creato un prodotto che ora può essere fabbricato su scala industriale. La diffusione del coronavirus ha sottolineato l'importanza della disinfezione. L'uso di disinfettanti chimici è spesso problematico, perché lasciano residui nocivi. Il nostro sistema utilizza l'ozono generato elettroliticamente per eliminare i germi. Non produce quindi alcun residuo di disinfettanti".