Quelle pureté d’oxygène pour produire de l’ozone ?
La pureté de l’oxygène utilisé pour alimenter un générateur d’ozone influence directement la concentration d’ozone produite, le rendement énergétique de l’installation, les coûts d’exploitation et la durée de vie des équipements. Pourtant, de nombreux exploitants se focalisent uniquement sur la production d’ozone alors que la qualité du gaz d’alimentation constitue l’un des paramètres les plus importants du procédé.
Faut-il utiliser de l’air sec, un concentrateur d’oxygène PSA ou de l’oxygène liquide (LOX) ? Quelle pureté est réellement nécessaire pour obtenir les meilleures performances ?
Pourquoi l’oxygène est-il indispensable à la production d’ozone ?
L’ozone est produit à partir de molécules d’oxygène (O₂) soumises à une décharge électrique haute tension dans une cellule à effet corona.
Lorsque les molécules d’oxygène sont dissociées, elles se recombinent sous forme d’ozone (O₃).
Plus la concentration en oxygène est élevée dans le gaz d’alimentation, plus la quantité d’ozone pouvant être produite est importante.
À l’inverse, lorsque le gaz contient une forte proportion d’azote, comme c’est le cas avec l’air, une partie de l’énergie est perdue dans des réactions parasites qui limitent le rendement de l’ozoneur.
Comparatif des différentes sources d’oxygène
| Source de gaz | Pureté O₂ | Concentration d’ozone typique |
|---|---|---|
| Air sec | 20,9 % | 10 à 60 g/Nm³ |
| PSA industriel | 90 à 95 % | 80 à 160 g/Nm³ |
| PSA haute performance | 95 à 96 % | 120 à 180 g/Nm³ |
| Oxygène liquide (LOX) | 99,5 % à 99,9 % | 180 à 300 g/Nm³ |
Ces valeurs peuvent varier selon la technologie des cellules d’ozonation, la pression de fonctionnement, la température de refroidissement et la fréquence électrique utilisée par le générateur.
L’air sec : une solution économique mais limitée
Historiquement, les premiers générateurs d’ozone utilisaient de l’air sec comme gaz d’alimentation.
Cette solution présente l’avantage de ne nécessiter aucun équipement complémentaire de production d’oxygène.
Cependant, l’air contient :
- 20,9 % d’oxygène ;
- 78 % d’azote ;
- des traces d’humidité et d’autres gaz.
La présence d’azote limite fortement la concentration d’ozone produite et favorise la formation d’oxydes d’azote (NOx), susceptibles de générer de l’acide nitrique dans les cellules d’ozonation.
Cette technologie reste adaptée à certaines applications de faible puissance mais devient rarement compétitive dans les installations industrielles modernes.
Le PSA : le meilleur compromis technico-économique
Aujourd’hui, la majorité des installations industrielles d’ozonation utilisent un concentrateur d’oxygène PSA (Pressure Swing Adsorption).
Cette technologie permet de produire sur site un oxygène généralement compris entre 90 et 95 % de pureté.
Les avantages sont nombreux :
- Production autonome d’oxygène.
- Coût d’exploitation réduit.
- Suppression des livraisons de gaz.
- Bon rendement énergétique.
- Concentrations d’ozone élevées.
- Simplicité d’exploitation.
Pour la plupart des applications industrielles telles que le traitement des effluents, l’agroalimentaire, l’aquaculture, la réutilisation des eaux usées (REUT) ou les tours de refroidissement, un PSA correctement dimensionné constitue souvent la meilleure solution.
Faut-il viser 95 % ou 99,5 % d’oxygène ?
Une question revient régulièrement lors de la conception d’un projet d’ozonation : faut-il investir dans une source d’oxygène très haute pureté ?
La réponse dépend principalement de l’application.
Le gain obtenu entre :
- 21 % et 90 % d’oxygène est considérable ;
- 90 % et 95 % reste significatif ;
- 95 % et 99,5 % devient plus limité.
Dans de nombreux cas, l’amélioration du transfert de masse, de l’injection ou du temps de contact apporte davantage de bénéfices qu’une augmentation marginale de la pureté du gaz.
Quand choisir l’oxygène liquide (LOX) ?
L’oxygène liquide devient particulièrement intéressant lorsque :
- Les besoins dépassent plusieurs kilogrammes d’ozone par heure.
- Des concentrations supérieures à 180 g/Nm³ sont recherchées.
- Une très forte efficacité énergétique est nécessaire.
- Une infrastructure LOX existe déjà sur le site.
- Le coût de l’électricité est particulièrement élevé.
Les grandes stations municipales, les installations de traitement d’eau potable ou certains procédés industriels utilisent fréquemment cette technologie.
La qualité du gaz est aussi importante que sa pureté
Une erreur fréquente consiste à se concentrer uniquement sur le pourcentage d’oxygène.
Un oxygène à 95 % contenant de l’humidité, de l’huile ou des particules peut rapidement dégrader les performances du générateur d’ozone.
Les paramètres à surveiller sont :
- La pureté en oxygène.
- Le point de rosée.
- La stabilité du débit.
- La pression d’alimentation.
- L’absence d’huile.
- L’absence de particules.
Dans de nombreuses installations industrielles, un PSA correctement entretenu fournissant un oxygène stable à 93 % permettra d’obtenir de meilleurs résultats qu’une alimentation plus pure mais mal maîtrisée.
Le véritable facteur de performance : l’ingénierie du procédé
Chez OXYTRADING, notre retour d’expérience montre qu’une installation performante repose davantage sur son ingénierie globale que sur quelques points supplémentaires de pureté d’oxygène.
Les performances réelles dépendent principalement :
- Du système d’injection.
- Du rendement de transfert gaz/liquide.
- Du temps de contact.
- Du réacteur d’ozonation.
- De la pression de fonctionnement.
- Du pilotage et de la régulation du procédé.
Une installation correctement conçue avec un PSA à 93 % peut largement surpasser un système alimenté en oxygène liquide mais mal dimensionné.
Nos préconisations
Pour la grande majorité des applications industrielles, une pureté d’oxygène comprise entre 90 et 95 % représente le meilleur compromis entre investissement, coût d’exploitation et performance.
L’oxygène liquide à 99,5 % devient pertinent pour les installations de forte capacité ou lorsque des concentrations très élevées d’ozone sont nécessaires.
Avant de chercher à gagner quelques points de pureté d’oxygène, il est généralement plus rentable d’optimiser le transfert de masse, l’injection, le temps de contact et le dimensionnement global du procédé. Dans la pratique, ces paramètres représentent souvent plus de 80 % de la performance réelle d’une installation d’ozonation.
