Методы озонирования

к.х.н. О.В. Мосин

ОЗОНИРОВАНИЕ ВОДЫ. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ОЗОНИРОВАНИЯ

Озон – газ синего цвета с резким характерным запахом, образующийся при воздействии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на воздух. По химическому строению представляет собой молекулу, состоящую из трех атомов кислорода, в отличие от двухатомного кислорода. T_пл – 192 ⁰С, Т_кип – 112 ⁰С, растворимость в воде при 20 ⁰С0.0394 масс.%. Озон – очень реакционноспособное соединение и химически неустойчив, разлагаясь до кислорода и атомарного кислорода.

Озон - сильный окислитель, со многими органическими соединениями образует озониды. При низких температурах (-112 °С) озон превращается в темно-синюю жидкость, а при еще более глубоком охлаждении образует темно-фиолетовые кристаллы.

Своим голубым цветом атмосфера Земли обязана озону. Основная часть природного озона сосредоточена в стратосфере на высоте от 15 до 50 км над поверхностью Земли. Больше всего озона в пятикилометровом слое (20-25 км), который называют защитным озоновым слоем, защищающем Землю от ультрафиолетового излучения. Содержание озона в атмосфере достигает 3 млрд. т. Содержание в воздухе летом – до 7 x 10^-6 об.%, зимой - 2 x 10^-6 об.%. 

Благодаря своим окислительным свойствам озон окисляет многие органические соединения, уничтожает бактерии в 2,5-6 раз эффективнее УФ-излучения и в 600-3000 раз сильнее хлора. Высокая химическая активность озона обусловлена его окислительными свойствами. В больших концентрациях озон взаимодействует и разрушает клеточную стенку бактерий, грибов, вирусов; окисляет высокомолекулярные вещества, биологически не разрушаемые вещества, токсины, ароматические и гидроциклические соединения; устраняет неприятные запахи и снижает концентрацию канцерогенных веществ в воздухе рабочей зоны.

Механизм бактерицидного действия озона объясняется его влиянием на обмен веществ в живой клетке, при котором нарушается равновесие превращения активной сульфидной группы в неактивную группу. Установлено, что озон универсально разрушает микроорганизмы в воде. Это можно объяснить способом действия озона. В отличие от обычно употребляемого хлора, озон не дает обратного замедляющего эффекта на внутриклеточные ферменты. Из-за высокой окислительной способности озон действует как окислитель на стенку-мембрану клетки вплоть до проникновения внутрь микроорганизма и окисления определенных важных компонентов (протеинов, ферментов, ДНК, РНК).

Всё эти вышеназванные факторы способствуют использованию озона в водоподготовке и водоочистке.

Молекулы кислорода (O2) состоят из двух атомов Электрический ток через катод превращает кислород в озон (O3) Озон (O3)превращается в кислород (O2), лишний атом окисляет загрязнение Загрязнения превращаются в безвредные вещества, удаляемые фильтрацией

Молекулы кислорода (O₂) состоят из двух атомов

Электрический ток через катод превращает кислород в озон (O₃)

Озон (O₃)превращается в кислород (O₂), лишний атом окисляет загрязнение

Загрязнения превращаются в безвредные вещества, удаляемые фильтрацией

В настоящее время существует несколько способов получения озона - электролитический, фотохимический и электросинтез в плазме газового разряда.

Электролитический метод синтеза озона осуществляется в специальных электролитических ячейках. В качестве электролитов используются растворы различных 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 и молекулу водорода. Этот метод позволяет получать концентрированный озон, но в силу своей энергоемкости широкого применения не нашел.

Фотохимический метод основан на диссоциации молекулы кислорода под действием коротковолнового УФ излучения. Метод нашел применение в медицине, пищевой промышленности.

Электросинтез в плазме газового разряда, основанный на различных видах газового разряда; барьерного, поверхностного и импульсного получил наибольшее распространение.

Этот метод позволяет получать озон высоких концентраций при большой производительности и невысоких энергозатратах оборудования.

Наиболее распространены системы генерации озона на основе ультрафиолетового излучения в плазме газового разряда:

Таблица. Системы генерации озона на основе ультрафиолетового излучения

Код Технические данные Объем бассейна Цена UV 250 220 В, 16 Вт, насос 0.7 кВт Частный - до 80 м3 Общественный - до 40 м3 5960 € UV 500 220 В, 32 Вт, насос 0.7 кВт Частный - до 160 м3 Общественный - до 80 м3 6372 €

• Код; Технические данные; Объем бассейна; Цена
• UV 250; 220 В, 16 Вт, насос 0.7 кВт; Частный - до 80 м3 Общественный - до 40 м3; 5960 €
• UV 500; 220 В, 32 Вт, насос 0.7 кВт; Частный - до 160 м3 Общественный - до 80 м3; 6372 €

Таблица. Системы генерации озона на основе коронного разряда

Код Технические данные Комплект поставки Цена Т2 (2 г/ч) Озонатор TOG B2 (220 В, 85 Вт) Дегазатор TDG A1 Насос CH2-50-1 (220 В, 0.7 кВт) до 100 м3 7944 € Т4 (4 г/ч) Озонатор TOG B2 (220 В, 85 Вт) Дегазатор TDG A1 Насос CH2-50-1 (220 В, 0.7 кВт) Осушитель TAD B1 (220 Вб 60 Вт) до 200 м3 12312 € Т8 (8 г/ч) 2 шт. Озонатор TOG B2 (220 В, 85 Вт) Дегазатор TDG A1 Насос CH4-50-1 (220 В, 0.7 кВт) Осушитель TAD B1 (220 Вб 60 Вт) до 400 м3 18055 € M6 Комплексная система > 400 м3 38280 € Spazone 75 Компактная комплексная система Для СПА 5200 € Din-o-zoN Комплексная система (2 г/ч) Германия до 150 м3 11900 €

• Код; Технические данные; Комплект поставки; Цена
• Т2 (2 г/ч); Озонатор TOG B2 (220 В, 85 Вт) Дегазатор TDG A1 Насос CH2-50-1 (220 В, 0.7 кВт); до 100 м3; 7944 €
• Т4 (4 г/ч); Озонатор TOG B2 (220 В, 85 Вт) Дегазатор TDG A1 Насос CH2-50-1 (220 В, 0.7 кВт) Осушитель TAD B1 (220 Вб 60 Вт); до 200 м3; 12312 €
• Т8 (8 г/ч); 2 шт. Озонатор TOG B2 (220 В, 85 Вт) Дегазатор TDG A1 Насос CH4-50-1 (220 В, 0.7 кВт) Осушитель TAD B1 (220 Вб 60 Вт); до 400 м3; 18055 €
• M6; Комплексная система; > 400 м3; 38280 €
• Spazone 75; Компактная комплексная система; Для СПА; 5200 €
• Din-o-zoN; Комплексная система (2 г/ч) Германия; до 150 м3; 11900 €

Озонирование воды

Одной из альтернативных методов обеззараживания воды, является обработка озоном. Озонирование — экологически чистая технология очистки воды от растворенных в ней металлов, стерилизации и очистки воды от бактерий, вирусов и спор. Озонатор вырабатывает озон из кислорода, содержащегося в атмосферном воздухе. После взаимодействия с загрязняющими химическими веществами озон превращается в обычный кислород.

Химизм реакций озона с органическими загрязнениями воды достаточно хорошо сложен. Будучи сильным окислителем озон взаимодействует со многими органическими соединениями, переводя их в озониды. Эта действие озона даже выше, чем окисление органических загрязнений (мочевины, креатинов и др.). Преимущество озона в том, что он способствует протеканию реакций, заставляющих молекулы загрязнений собираться в конгломераты, достаточно крупные, чтобы их можно было уловить методом флокуляции или сорбировать на угольном фильтре. Озон реагирует с хлори нитро-органическими соединениями с образованием хлоридов и нитратов и как следствие этого выводит из воды аммиак (напрямую озон с аммиаком не реагирует). Некоторые продукты реакций озона с органическими соединениями могут быть токсичными. Кроме того озон – прекрасный бактерицид, убивающий многие патогенные микроорганизмы и вирусы. Этот сильный бактериостатический эффект озона используется в специальных озонирующих установках для обеззараживания воды и воздуха. Следует отметить, что при применении озонирующей установки необходимо наличие фильтра на основе активированного угля. Комбинация этих средств позволяет держать свободный хлор на уровне 0,2 мг/л.

Озонирование воды проходит следующим образом. По трубе вода попадает в камеру очистителя, испытывая на себе действие озона (газ добывается из кислорода в озонаторе установки). В процессе нейтрализуются все вредоносные бактерии и вирусы, а растворенные металлы окисляются и принимают вид взвеси. Деструктор остаточного озона вбирает остатки реактива и выпускает его в атмосферу. После вода проходит через угольный фильтр – на этом этапе взвесь из тяжелых металлов и прочих загрязнителей отсеивается и остается в угольном слое. Очищенная вода подается через трубу в вашу водопроводную систему.

Озонирование воды имеет ряд неоспоримых преимуществ перед другими технологиями, представленными на рынке. Озон, как природный окислитель, благодаря своей высокой активности, при смешивании с очищаемой водой, достаточно быстро окисляет загрязнения, переводя их из растворенного состояния во взвесь, которая легко задерживается на угольном фильтре. Остаток озона транформируется в кислород, из которого он и был произведен, вода же, пройдя через угольный фильтр - осветлитель подается непосредственно Потребителю.

     Озонирование воды широко применяется при очистке воды из подземных и поверхностных источников, оборотной воды бассейнов, очистке и стерилизации сточных вод, используется для обеззараживания воды, предназначенной для бутилирования, удаляя из воды все неприятные привкусы и запахи, используется для дезодорации воздуха, очистки вентиляционных выбросов и т.д. Одной из актуальных проблем человечества в новом тысячелетии является водоподготовка: очистка и получение пригодной для потребления воды. На сегодня вода (по данным ВОЗ) менее чем из 1% источников хозяйственного водоснабжения не требует дополнительной очистки. Во всех остальных случаях подготовка и особенно обеззараживание воды просто необходимы, так как при использовании некачественной воды достаточно велик риск получения всевозможных заболеваний.

Преимущества озонирования:

• Озон уничтожает все известные микроорганизмы: вирусы, бактерии, грибки, споры, цисты, простейших и т.д.
• Не существует и не может возникнуть устойчивых к озону форм микробов.
• Остаточный озон стерилизует поверхность.
• Озон действует очень быстро — в течение секунд.
• Озон удаляет неприятные запахи и привкус.
• Озонирование не придаёт дополнительных вкусов и запахов.
• Озонирование существенно не изменяет кислотность воды и не удаляет из неё необходимые человеку вещества.
• Озон не образует токсичных побочных продуктов.
• Остаточный озон быстро превращается в кислород.
• Озон вырабатывается на месте, не требуя хранения и перевозки.
• Озон уничтожает микроорганизмы в 300-3000 раз быстрее, чем любые другие дезинфекторы.

Важным преимуществом озонирования воды является неспособность озона в отличие от хлора, к реакциям замещения. Озонирование за счет высокой окислительной способности озона позволяет одновременно достичь обесцвечивания воды, устранения привкусов и запахов и ее обеззараживания.

Другой особенностью озона и быстрое разложение в воде с образованием кислорода, т. е. озон экологически безопасен.

К недостаткам озона относится сложность его производства на месте использования, необходимость больших затрат электроэнергии на его синтез, а также малое последействие, поскольку озон разлагается в воде примерно за 30 минут. Это заставляет проводить хлорирование воды, правда, с дозой, существенно меньшей по сравнению с обычным способом, что предотвращает образование в воде токсичных хлорпроизводных.

По современной технологии производство озона осуществляется на месте применения на специальных установках – озоногенераторах. Озон образуется при высокочастотном коронном разряде в потоке осушенного воздуха. Расход энергии составляет 5–15 кВт/кг О₃·ч . Концентрация озона в воздухо-озонной смеси составляет 50–250 г/м³. Для растворения озона в воде используются методы барботажа и эжекции. Окисленные примеси и продукты распада подаются на фильтр из активированного угля, где абсорбируются.  

Рис. Схема озонатора

Источник: ozon-voda.ru/podrobnosti/podrobno-o-tehnologii-3.html

На поверхности угля происходят следующие процессы:

-          Каталитическое доокисление продуктов озонолиза с последующей их задержкой фильтром.

-          Озон превращается в кислород.

Активированный уголь в установке работает не как адсорбент, имеющий ограниченный срок действия, а как катализатор. Промывки производятся в ручном или автоматическом режиме.

В крупных промышленных установках наиболее часто используется барботаж озоно-воздушной смеси через очищаемую воду . Сложнейшей проблемой является обеспечение одинакового времени контакта пузырьков с водой. Для этого необходимо создание равномерных пузырьков, а также их введение по всему объему воды.

В установках небольшой производительности наиболее распространен и достаточно эффективен метод эжекции. Очищаемая вода проходит через эжектор, создает в нем разрежение, при котором в воду засасывается необходимое количество озона. Интенсивное перемешивание в эжекторе диспергирует озон на мельчайшие пузырьки с огромной поверхностью контакта. Поэтому скорость растворения велика. Кроме того, разрежение на линии после озоногенератора гарантирует безопасность от попадания озона в воздух рабочих помещений.

После растворения озона необходимо обеспечить определенное время его контакта с водой для осуществления химических реакций окисления и удаления из воды избыточного количества воздуха и озона. Для этого устанавливают контактно-сепарационный аппарат, из которого вода направляется на угольный фильтр для доочистки от органики и деструкции озона.

Совместить эффективное растворение озона и заданную длительность его контактирования с водой позволяют пульсационные колонны со специальными распределительными тарелками. Озоно-воздушная смесь вводится в нижнюю часть колонны; возвратно-поступательное движение воды, создаваемое специальным пульсатором, и распределительные тарелки обеспечивают ее диспергацию до пузырьков заданных оптимальных размеров, которые поднимаются противотоком к двигающемуся вниз потоку воды. Этим достигается высокая степень использования озона при большой удельной производительности аппарата. При любом методе подачи озона он полностью никогда не растворяется и удаляется с отходящими из адсорбера газами.

Следует отметить, что озон является очень сильным окислителем и чрезвычайно ядовит даже в низких концентрациях. Предельно Допустимая Концентрация озона в воздухе 0,1 мг/м³ (СанПиН).

Таблица. Концентрации озона, используемые Российской школой озонотерапии

Концентрация О3 , мкг\л Диапазон концентраций 1 – 100 Сверхнизкий 101 – 400 Низкий 401 – 2000 Средний 2001 – 10000 Высокий > 10000 Сверхвысокий

Концентрация О3 , мкг\л

Диапазон концентраций

1 – 100

Сверхнизкий

101 – 400

Низкий

401 – 2000

Средний

2001 – 10000

Высокий

> 10000

Сверхвысокий

Области применения озонаторов: 

Медицина:

-          в хирургии, терапии (озонотерапия), дерматологии, косметологии, акушерстве и гинекологии, стоматологии, анестезиологии, реанимации, интенсивной терапии, онкологии, невропатологии, кардиологии;

-          для лечения туберкулеза, венерических и инфекционных, глазных и сосудистых болезней;

-          дезинфекционная обработка функциональных помещений, мест общего пользования, оборудования.

Санитария и эпидемиология:

-          дезинфекция, санация различных помещений, цехов, складов, больничных палат, столовых,

-          стерилизация медицинского и другого инструмента и материалов, очистка и стерилизация воды..

Озонатор в бытовом применении:

-          Очистка и доочистка питьевой воды.

-          Санация жилых помещений;

-          Очистка питьевой воды, озонирования ванн, бассейнов и аквариумов;

-          Санация стоков.

-          Уничтожение и предохранения от гниения, плесени, грибка в подвалах, погребах, овощехранилищах, банях, в местах содержания скота и птицы, домашних фермах;

-          Обработка кормов, мест содержания скота, инкубаторов, парников, яиц;    

При работе с озонаторами необходимо соблюдать определённые меры предосторожности. Озон является токсичным для человека газом, и его "период полураспада" в холодном сухом воздухе составляет 30-40 минут (в воздухе озон более стабилен, чем в воде).

К.х.н. О. В. Мосин

Источник

www.mediana-filter.ru/water_filter_ozon.html