Озон в водоподготовке
К.х.н. О.В. Мосин
Озон в водоподготовке
Обработка воды газообразным озоном О3 является Многообещающим современным направлением в водоподготовке. Озон в силу собственных больших окислительных параметров способен отлично уничтожать патогенную бактериальную микрофлору и окислять многие органические соединения и металлы с их следующим разложением. Озонирование воды перспективно в водоподготовке питьевой воды и воды, применяемой для хозяйственных нужд, дезинфекции сточных вод, обратной воды бассейнов, обеззараживании воды, созданной для бутилирования, удаляя из воды противные привкусы и запахи, также для дезинфекции производственных и бытовых помещений и дезодорации воздуха. В данной статье рассмотрены главные нюансы внедрения озона в водоподготовке.
Чистка и получение применимой для употребления питьевой воды является принципиальным шагом водоподготовки. По классической схеме водоподготовка обычно включает три главных стадии: механическую фильтрацию, удаление из воды взвешенных и коллоидных веществ (осветление) и обеззараживание. Удаление из воды взвесей достигается с помощью сорбционных способов и фильтров. Для осветления воды применяется хим обработка особыми коагулянтами (сернокислый алюминий Аl(SO4)3·18Н2О, сернокислое железо FeSO4·7Н2О, хлорное железо FeCl3·6H2O), способными осаждать коллоидные частички гидроксидов железа либо алюминия с адсорбированными на их коллоидами загрязнений, размером до 0,07 микрон. Для обеззараживания воды употребляется обработка хлором и его производными (окись хлора (ClO2), гипохлорид натрия NaOCl), содержащими 95-97 % активного хлора. Необходимость использования трёх разных процессов существено усложняет технологию обработки воды. Из-за значимой цены сорбционных установок и трудности технологического процесса водоподготовки нередко приходится третировать улучшением вкусовых свойств воды. При обработке воды коагулянтами в воду поступают дополнительные загрязнения; хлорирование, в свою очередь приводит к образованию в воде токсически небезопасных хлорорганических соединений.
Другим хлорированию методом в водоподготовке является обработка воды озоном. Озон – газ голубого цвета с соответствующим резким запахом, образующийся при воздействии электронного разряда либо уф-излучения на воздух. При низких температурах (-112 °С) озон преобразуется в синюю жидкость, при более глубочайшем охлаждении образует фиолетовые кристаллы. Tпл – 192,7 0С, Ткип – 111,9 0С, растворимость в воде при 20 0С0.0394 масс.% (Табл. 1).
Таблица 1
Главные физико-химические характеристики озона
Наименование параметра
Значение
Молекулярный вес
49 г/моль
Температура кипения (1 атм.)
-111,9 °С
Температура плавления (1 атм.)
-192,7 °С
Плотность (0 °С)
2,144 г/л
Растворимость в воде (20 °С)
0,0394 масс.%
Озон применяется в чистке и доочистке питьевой воды, подготовке воды для производства пива безалкогольных напитков, стерилизации стеклянных и пластмассовых бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТ), озонирования воды в бассейнах, дезинфекционной обработке сточных вод, производственных, бытовых помещений и мест общего использования и др.
По степени угрозы озон относится к первому классу вредных веществ.
- Наибольшая разовая максимально допустимая концентрация (ПДК м.р.) озона в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м?.
- Среднесуточная максимально допустимая концентрация (ПДК с.с.) озона в атмосферном воздухе населённых мест 0,03 мг/м?.
- Максимально допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м?.
Хим характеристики озона
По хим строению озон представляет собой молекулу, состоящую из 3-х атомов кислорода с длиной связи 1.278 А0 и валентным углом 116,8 0 (рис. 1). Молекула озона полярна, её дипольный момент 0,534 D.
Рис. 1. Хим строение молекулы озона
Озон неустойчив и при обычных критериях (20 0С, 1 атм.) самопроизвольно преобразуется в кислород O2 с генерированием атомарного кислорода и выделением тепла. Период полураспада озона в воздухе составляет 30-40 мин. Увеличение температуры и снижение давления наращивают скорость перехода озона О3 в O2. При огромных концентрациях О3 процесс может носить взрывной нрав. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некими металлами либо их оксидами ускоряет перевоплощение О3 в O2.
Озон — сильный окислитель и со многими непредельными органическими соединениями образует озониды – промежные продукты присоединения озона по двойной связи. Первичным продуктом взаимодействия озона является малозоид (1,2,3-триоксолан), который неустойчив и распадается на карбонилоксисид [>C=O-O]* и карбонильные соединения — альдегиды либо кетоны (схема).
Схема. Реакция озонирования непредельных органических соединений (реакция Криге)
Реакция озонирования очень экзотермична, излишек тепла уходит на электронноколебательное возбуждение образующихся товаров реакции и отчасти рассеиваются молекулами растворителя. Промежные продукты, образующиеся в этой реакции, вновь реагируют в другой последовательности, образуя озониды. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с карбонилоксидом (спирты, кислоты), заместо озонидов образуются разные перекисные соединения.
Озон интенсивно вступает в реакцию с ароматичными органическими соединениями, при всем этом реакция идет как с разрушением ароматичного ядра, так и без его разрушения. При содействии озона с оксибензолами происходит образование соединений с нарушенным ароматичным ядром (типа хиноина), также малотоксичных производных непредельных альдегидов и кислот.
В реакциях с насыщенными углеводородами, протекающих в аква смесях, озон сначала распадается с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное окисление. При всем этом выход товаров окисления соответствует уровням расхода озона.
Озон также способен вести взаимодействие с щелочными металлами – натрием (Na), калием (K), рубидием (Rb), цезием (Cs), средством формирования промежного неуравновешенного комплекса катиона металла с озоном [М+ – О – Н+– O3-]*, в итоге следующего аква гидролиза которого появляется смесь озонида МО3 и аква гидроксида щелочного металла (MOH).
Антибактериальное действие озона
Озон – сильный дезинфектант, оказывающий выраженное антибактериальное воздействие на многие патогенные мельчайшие организмы, бактерии и вирусы. При оценке эффективности озона употребляется С·Т аспект, т. е. произведение концентрации реагента на время его деяния. По собственному антисептическому действию озон превосходит хлор, хлорамин и двуокись хлора (Таблица 3).
Механизм антибактериального деяния озона разъясняется его высочайшей окислительной способностью. Озон действует как сильный окислитель на клеточную стену мембран микробов с следующим проникновением вовнутрь клеточки и окислением актуально принципиальных на биологическом уровне активных соединений (белки, ферменты, ДНК, РНК). Благодаряя своим окислительным свойствам озон уничтожает бактерии в 3-5 раз эффективнее Ультрафиолетового излучения и в 500-1000 раз посильнее хлора.
Таблица 3
Значение С·Т аспекта для разных микробов (99% инактивации при 5-25 °С. С·Т аспект (Мб/л·мин) )
Вид микробов
Озон
Свободный хлор
Хлорамин
Двуокись хлора
Пищеварительная палочка Е. coli
0,02
0,03-0,05
95-180
0,4-0,75
Полиовирусы
0,1-0,2
1,1-2,5
770-3470
0,2-6,7
Ретровирусы
0,006-0,06
0,01-0,05
3810-6480
0,2-2,1
Гардиалямблии (цисты)
0,5-0,6
47-150
—
—
Гардиацисты
1,8-2,0
30-630
1400
7,2-18,5
Криптоспоридиум
3,2-18,4
7200
7200
78
Озон более эффективен, чем хлор, при ликвидировании пищеварительной палочки Еcherihia coli, которая в воде уничтожается озоном в 1000 раз резвее, чем хлором. Время, нужное для ликвидирования Endamoeba hystolica при остаточной концентрации озона в воде 0.3 мг/л, составляет 2-7.5 мин, а для хлора (остаточная концентрация 0.5-1 мг/л) – 15-20 мин. Вирус полиоэмилита уничтожается озоном за 2 мин при концентрации 0.45 мг/л, тогда как при обработки воды хлором в концентрации 1 мг/л для этого требуется 3 часа.
Методы получения озона
Хим метод осуществляется реакцией взаимодействия пентафторида висмута (BiF5) и других сильных окислителей с водой. Озон также появляется в почти всех процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, к примеру при разложении перекисей, окислении фосфора и др.
Электролитический метод реализуется в особых электролитических ячейках. В качестве электролитов употребляются смеси разных кислот и их соли (H2SO4 HClO4 NaClO4 KclO4). Образование озона происходит за счет разложения воды и образования атомарного кислорода, который присоединяясь к молекуле кислорода образует озон O3. Этот способ позволяет получать озон с высочайшими выходами, но из за собственной энергоемкости широкого внедрения не находит.
Фотохимический метод основан на диссоциации молекулы кислорода под воздействием коротковолнового УФ излучения c энергией 4.13 — 6.20 эВ. Аналогичный процесс протекает в верхних слоях атмосферы, где под воздействием солнечного излучения появляется т. н. озоновый слой. Способ отыскал применение в медицине, пищевой индустрии и др.
Электросинтез в газовом разряде — барьерном, поверхностом и импульсном, получил наибольшее распространение в промышленных и бытовых установках генерирования озона. Этот способ позволяет получать озон больших концентраций при большой производительности и низких затратах энергии оборудования.
Внедрение озона в водоподготовке
Озонирование воды в водоподготовке имет ряд неопровержимых преимуществ по сопоставлению с другими существующими технологиями, в т. ч. хлорированием воды (табл. 2). Принципиальным преимуществом является неспособность озона в отличие от хлора, к реакциям замещения с органическими соединениями, приводящими к образованию побочных ядовитых хлорорганических соединений – тригалометанов, основным представителем которых является хлороформ (СHCl3). Как понятно, что в процессе хлорирования воды может создаваться до 50 разных галогенсодержащих соединений, включая бромоформ (СHBr3), дибромхлорметан (CHBr2Cl), бромдихлорметан (CHBrCl2), и хлороформ (СHCl3).
Озонирование в водоподготовке не приводит к образованию тригалометанов и за счет высочайшей окислительной возможности озона позволяет сразу достигнуть осветления воды и осаждения примесей, также убрать привкусы и запахи при обеззараживании. По многим чертам, включая полный показатель токсичности и мутагеной активности, озон превосходит хлор и его производные (табл. 2).
Таблица 2
Сравнительные свойства озонирования и хлорирования воды
Парамет
Хлорирование воды
Озонирование воды
Концентрация свободного остаточного реагента
не наименее 0,5 мг/л
не более 0,3 мг/л
Значение рН
до 7,5
до 7,5
Мутность
До 2 мг/л
до 7 мг/л
Время контакта реагента с водой
не наименее 30 минут
до 5 минут
Уничтожение Е.coli
99%
до 100%
Уничтожение вирусов
70%
до 100%
Ликвидирование спор, цист и ооцист, ведущих паразитическую деятельность простых
50%
до 100%
Полный показатель токсичности и мутагенной активности
увеличение в 3 раза
уменьшение в 2,5 раза
Органические соединения
образование тригалометанов, хлораминов, диоксинов и т.п.
разрушение органического углерода, в т.ч. хлорорганических соединений
Растворенный кислород
Уменьшение до 50%
повышение до 100%
Ионы металлов:
Fe, Mn, Al, Pb, Hg и др.
сохраняются
окисляются до 90%
При растворении в воде озон разлагается на О2 с генерированием реакционноспособного атомарного кислорода, способного стремительно окислять загрязнения органической и неорганической природы, переводя их из растворенного состояния во взвеси, задерживаемые сорбционным фильтром.
По современной технологии создание озона осуществляется на месте употребления на особых установках – озоногенераторах, генерирующих озон при высокочастотном коронном разряде в потоке осушенного воздуха. Расход энергии в этом процессе составляет 5–15 кВт/кг О3·ч, концентрация озона в воздушно-озонной консистенции — 50–250 г/м3. Приобретенный озон, потом подаётся в систему водоподготовки за барботажа и инжекции.
В больших промышленных установках более нередко употребляется барботаж озоно-воздушной консистенции через очищаемую воду. При всем этом, принципиальным технологическим шагом является обеспечение схожего времени контакта газообразного озона с водой, также равномерное введение его по всему объему обрабатываемой воды.
В установках относительно маленький производительности по озону более всераспространен и довольно эффективен способ инжекции. Очищаемая вода проходя через инжектор, делает в нем разрежение, при котором в воду поступает нужное количество газообразного озона. Насыщенное смешивание в инжекторе диспергирует озон на мелкие пузырьки с большой поверхностью контакта, что увеличивает скорость растворения озона в воде.
Для наилучшего растворения озона в воде используются пульсационные колонны со особыми распределительными тарелками. Озоно-воздушная смесь поступает в нижнюю часть колонны; возвратно-поступательное движение воды, создаваемое особым пульсатором, и распределительные тарелки обеспечивают ее диспергирование до пузырьков данных хороших размеров, которые подымаются противотоком к двигающемуся вниз сгустку воды. В итоге этого достигается высочайшая степень дисперегирования озона при большой удельной производительности аппарата.
После растворения озона в воде нужно обеспечить определенное время его контакта с водой для воплощения хим реакций окисления и удаления из воды лишнего количества непрореагировавшего озона и товаров распада. Для этого применяется контактно-фильтровальный аппарат, из которого вода направляется на угольный фильтр на базе активированного угля для каталитического окисления товаров взаимодействия озона с органическими соединениями с следующей их задержкой фильтром и деструкцией озона (рис. 2).
Рис. 2. Принципная схема озонатора воды
Применение современных ведущих технологий производства озона позволяют создавать компактные, надежные, высокопроизводительные и легкие в наладке и обслуживании российские системы озонирования воды, снабжённые датчиками электрического контроля и системами регулирования (рис. 3).
Рис. 4. Принципная схема системы озонирования воды. OB –осушитель воздуха; О1 – озонатор; ДУ1, ДУ2 – датчики уровня; ДО – деструктор озона; Н – насос; ОК1 – оборотный клапан магистрали озона; М – манометр; И – инжектор; YA1 – электрический клапан.
Выводы
Достоинства озона по сопоставлению с технологией хлорирования заключаются в последующих факторах:
- Озон экологически неопасен и не образует ядовитых побочных товаров распада.
- Остаточный озон стремительно преобразуется в кислород.
- Озон вырабатывается на месте водообработки, не требуя хранения и перевозки.
- Озон уничтожает все известные мельчайшие организмы: вирусы, бактерии, грибы, споры, цисты, простых и т.д. в 300-1000 раз резвее, чем другие дезинфектанты.
- Не существует и не может появиться устойчивых к озону форм бактерий.
- Обработка воды озоном занимает пару минут.
- Озонирование удаляет из воды противные запахи и привкусы.
- Сразу с обеззараживанием происходит осветление воды.
К недочетам озона следует отнести сложность его производства на месте конкретного использования, необходимость значимых энергозатрат, связанных с его получением, также недостаточно высшую устойчивость озона в воде, разлагающегося в ней в течении 30-40 минут.
Литературные источники:
Мосин О.В. Внедрение озона в водоподготовке // Сантехника, 2011, ; 4, с. 47-49.
При использовании материалов веб-сайта ссылка на авторство неотклонима.