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Document type: Dissertação
Access type: Acesso Embargado
Embargo Date: 2026-04-25
Title: Projeto e construção de um ozonizador pela combinação de energia elétrica fotovoltaica com eletrólise alcalina aquosa
Alternate title (s): Design and construction of an ozonizer by combining photovoltaic electrical energy with aqueous alkaline electrolysis
Author: Reis, Olavo Antonio de Oliveira
First Advisor: Vieira, Luiz Gustavo Martins
First member of the Committee: Malagoni, Ricardo Amâncio
Second member of the Committee: Pedro, Rafael de Oliveira
Third member of the Committee: Vieira, Patrícia Angélica
Fourth member of the Committee: Ferrari, Daniela Pereira dos Santos
Summary: O ozônio é uma substância com alto poder de oxidação (2,07 V) e sua instabilidade com tempo de meia-vida curta de 20 min em água destilada lhe garante a característica de ser não residual e vantajosa em muitas aplicações industriais. A eletrólise aquosa alcalina é um processo com simplicidade relativa na produção do oxigênio de alta pureza (98%), que serve de matéria-prima para produção do ozônio em reatores corona. Considerando a fonte de energia renovável do tipo solar fotovoltaica como alimentadora para estes dois reatores (eletrolítico e corona), a produção de ozônio torna-se sustentável, vantajosa e pode ser realizada em pressão e temperatura ambiente. Por esta razão, este trabalho teve como objetivo o estudo da produção de ozônio por eletrólise em um gerador corona portátil a partir de energia renovável do tipo solar fotovoltaica nas condições meteorológicas da região do Triângulo Mineiro (MG). Uma célula eletrolítica foi projetada com volume de 1,13 L, com eletrodos de aço inoxidável 316 separados com uma membrana de Nafion®, imersos em solução de hidróxido de potássio (KOH) nas concentrações de 1,0 a 8,0 mol.L-1 em intervalos de 1,0 mol.L-1. Os resultados revelaram as melhores condições de geração volumétrica de oxigênio (3,51 mL/J e 481,56 mL/min) ocorreram na concentração de 7,0 mol.L-1 com três células eletrolíticas em série limitando a corrente abaixo de 20 A. A energia elétrica utilizada no processo foi gerada por uma placa solar fotovoltaica de 365 Wp, conectada por controlador de carga de 40 A em uma bateria automotiva de 45 Ah. Foram monitoradas as produções de oxigênio (O2), hidrogênio (H2), ozônio (O3), umidade relativa, temperaturas internas e externas, corrente e tensões elétricas nos reatores através de sensores eletroquímicos. Os sinais dos sensores foram enviados para a nuvem via wifi através de processadores programáveis ESP32 com a plataforma ThingSpeak do MATLAB. Os equipamentos e os reatores foram fixados em uma plataforma móvel de aço nas dimensões de 140x100 cm de base e 124 cm de altura, transportável em uma pick-up média. A geração de ozônio foi avaliada com sensores eletroquímicos aferidos com iodometria volumétrica. O sensor de ozônio apresentou baixa precisão, e conclui-se que são necessários estudos para melhorias na sensibilidade e nos métodos de análise dos dados como o uso de Redes Neurais. Foi constatado que o formato cilíndrico com dois tubos ocos concêntricos facilita as conexões entre os tubos de gás, comparando-se com reatores de placas planas paralelas. O volume de gás produzido foi proporcional ao volume do reator e ao nível de alta tensão elétrica aplicada e obteve-se uma produção condizente com a literatura (25 g/h e 90 W de consumo de energia elétrica) de acordo com as dimensões físicas do reator (3” de diâmetro e 30 cm de comprimento). Por fim, concluiu-se que o sistema projetado produziu ozônio a partir do oxigênio extraido do ar com uma proporção de 17% em comparação com o oxigênio gerado na célula eletrolítica. O custo financeiro do reator ($ 27,00 em junho de 2023) ficou dentro do esperado mostrando a viabilidade econômico-financeira do protótipo móvel construído.
Abstract: Ozone is a substance with a high oxidation potential (2.07 V), and its instability with a short half-life of 20 minutes in distilled water gives it the characteristic of being non-residual and advantageous in many industrial applications. Alkaline aqueous electrolysis is a relatively simple process in the production of high-purity oxygen (98%), which serves as raw material for ozone production in corona reactors. Considering renewable energy sources like photovoltaic solar as the power supply for these two reactors (electrolytic and corona), ozone production becomes sustainable, advantageous, and can be carried out at ambient pressure and temperature. For this reason, this work aimed to study ozone production by electrolysis in a portable corona generator using renewable energy from photovoltaic solar under the meteorological conditions of the Triângulo Mineiro region (MG). An electrolytic cell was designed with a volume of 1.13 L, using 316 stainless steel electrodes separated by a Nafion® membrane, immersed in potassium hydroxide (KOH) solution at concentrations ranging from 1.0 to 8.0 mol.L-1 in 1.0 mol.L-1 intervals. The results revealed that the best conditions for volumetric oxygen generation (3.51 mL/J and 481.56 mL/min) occurred at a concentration of 7.0 mol.L-1 with three electrolytic cells in series, limiting the current below 20 A. The electrical energy used in the process was generated by a 365 Wp photovoltaic solar panel, connected through a 40 A charge controller to a 45 Ah automotive battery. Productions of oxygen (O2), hydrogen (H2), ozone (O3), relative humidity, internal and external temperatures, current, and electrical voltages in the reactors were monitored using electrochemical sensors. Sensor signals were sent to the cloud via WiFi using ESP32 programmable processors with the MATLAB ThingSpeak platform. The equipment and reactors were mounted on a steel mobile platform measuring 140x100 cm at the base and 124 cm in height, transportable by a medium-sized pickup truck. Ozone generation was evaluated using calibrated electrochemical sensors with volumetric iodometry. The ozone sensor showed low precision, indicating a need for studies to improve sensitivity and data analysis methods such as using Neural Networks. It was found that the cylindrical shape with two concentric hollow tubes facilitated gas connections compared to reactors with parallel flat plates. The gas volume produced was proportional to the reactor volume and the level of high electrical voltage applied, resulting in production consistent with literature values (25 g/h and 90 W of electrical energy consumption) according to the physical dimensions of the reactor (3" diameter and 30 cm length). Finally, it was concluded that the designed system produced ozone from oxygen extracted from the air at a proportion of 17% compared to oxygen generated in the electrolytic cell. The financial cost of the reactor ($ 27 as of June 2023) remained within expectations, demonstrating the economic feasibility of the constructed mobile prototype.
Keywords: ozônio
ozone
corona
corona
eletrólise alcalina
alkaline electrolysys
luz solar
sunlight
energia fotovoltaica
photovoltaic energy
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA::FISICO QUIMICA INORGANICA
Subject: Engenharia Química
Ozônio
Geração de energia fotovoltaica
Eletrólise
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Química
Quote: REIS, Olavo Antonio de. Projeto e construção de um ozonizador pela combinação de energia elétrica fotovoltaica com eletrólise alcalina aquosa. 2024. 131 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2024. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.467.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2024.467
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/44088
Date of defense: 25-Apr-2024
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
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