Подготовка питьевой воды с помощью озонирования

Дія	Озон	Хлор	Окис хлору	Пермангант	Повітря
Залізо	+++	++	++	+	++
Марганець	+++	+	++	+++	0
Кольоровість	++	+	+	0	0
Запах	+++	-	+	0	+
Присмак	+++	+	+	+	+
Амоній	0	+	0	0	0
Органика	+	+	+	0	0
Відновлювальні	++	++	++	+	0
Біоокисляючи	++	-	-	0	0
0 Знезаражуваючи	++	++	++	+	0

де +++ –  висока дія;

++  – задовільна дія;

+  –  мала дія;

0 – не діє.

  Установки озонування води містять такі основні апарати як генератор озону; систему введення озону в воду і його змішування; реактор - ємність, в якій за рахунок перемішування і витримки забезпечується необхідний час реакції озону з водою; деструктор озону для видалення залишкового озону,що не прореагував; прилади контролю озону у воді і повітрі. Існує декілька способів отримання озону, серед яких найбільш поширеними є: електролітичний, фотохімічний та електросинтез в плазмі газового розряду. У більшості випадків озон одержують електросинтезом в спеціальних апаратах - генераторах озону. Повітря попередньо очищають від пилу за допомогою фільтрів і осушують. Далі повітря пропускають через простір між електродами, на які подається висока напруга. Кисень, що входить до складу повітря іонізується і утворюється озон. Після озоногенератора газ надходить в реактор, де відбувається взаємодія газу і рідини, що очищається. У складі будь-якого обладнання присутня деструктор, який забезпечує видалення зайвого, озону,який не прореагував. Відповідна установка розміщується в окремому приміщенні, де присутня ефективна вентиляція. Очищена вода надходить в резервуар чистої води по трубі. Таким чином, ми отримуємо ідеально очищену питну воду, збагачену киснем, в якій залишилися всі необхідні людині мінеральні солі.

Необхідна доза озону при знезаражування питних вод становить 0,6- 
3,5 мг/дм3. Концентрація залишкового озону після камер змішування підтримується на рівні 0,1 - 0,3 мг/дм3. Дози озону для знезараження стічних вод складають 6 - 10 мг/дм3. Тривалість контакту 8-20 хв.     

Досвід використання озонування на сучасному етапі, накопичений для систем різної продуктивності, говорить те, що цю технологію можна і потрібно застосовувати не тільки на потужних водопровідних станціях, що відповідають за постачання водою великих міст, але й у системах водопідготовки малої і середньої продуктивності.

Безсумнівно, що якість води при водопідготовці з використанням озонування буде значно вище, ніж при інших технологіях. Ще однією перевагою використання озонування є те, що при відносно високій вартості первинних капітальних витрат експлуатаційні витрати пов'язані тільки зі споживанням електроенергії (в середньому 0,05 - 0,07 кВт на 1 г озону) [3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ФІЗІКО-ХІМІЧНІ ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПРОЦЕСУ

 

Озон – О3, алотропна форма кисню, що є потужним окислювачем хімічних і інших забруднюючих речовин, які руйнуються при контакті. На відміну від молекули кисню, молекула озону складається з трьох атомів і має довші зв'язки між атомами кисню. За своєю реакційної здатності озон займає друге місце, поступаючись лише фтору. Озон може існувати у всіх трьох агрегатних станах. При нормальних умовах озон - газ голубуватого кольору. Фізико-хімічні властивості озону наведено у таблиці 2.1.

 

Таблиця 2.1 - Основні фізико-хімічні властивості озону

Найменування параметру	Значення
Молекулярна вага	48 г/моль
Температура кипіння (при 1 атм)	-111,9 0С
Температура плавлення (при 1 атм)	-192,7 0С
Густина газу (при 0 0С)	2,144 г/л
Розчинність у воді (от 0 до 30 0С)	в 13 разів вище, ніж у кисня
Коефіцієнт розчинності у воді (при температурі 0 0С) 20 0С	0,49 0,29

 

У штучних умовах озон отримують різними методами, але завжди розчиненим у повітрі або кисні. У виробничих процесах отримання озону для очищення води озоноповітряну суміш отримують за допомогою «тихого» електричного розряду в озонаторах. Реакція отримання озону характерна отриманням з кисню повітря при його збудженні не тільки озону, але й атомарного кисню:

                                      2О3 = 3О2 + Q,                                                          (2.1)

де Q — тепловий ефект реакції, кДж.

Як зазначалося вище, озон має високий окислювально-відновний потенціал, що є головною причиною його активності по відношенню до різного роду забруднень води, включаючи мікроорганізми. При диспергуванні озону в воду здійснюють два основних процеси - окислення і дезинфекція. Крім того, відбувається значне збагачення води розчиненим киснем. 
Окислювальна дія озону може проявлятися в наступних формах: пряме окислення, окислення радикалами (непряме окислення), озоноліз, каталіз. 
           Прямі реакції окислення озоном розчинених речовин описують у вигляді:

                                 речовина + О3 = оксид речовини                                            (2.2) 

Прикладом таких реакцій може служити окислення ряду органічних і мінеральних речовин (Fe 2+, Mn2+), які після озонування осаджуються у формі нерозчинних гідроксидів або переводяться в діоксиди і перманганати, що видаляються наступним очищенням на фільтрах. 
          Кінетика прямих реакцій може бути виражена рівнянням:

                                     

,                                                              (2.3)

де , – начальна и кінцева концентрації       речовини, мг/дм3;

k- константа швидкості реакції, дм3/(моль·с);

 – середня концентрація озону під час прохождения реакції, мг/дм3;

 t – тривалість озонування, с.

Непряме окислювання здійснюється великим числом активних радикалів, що утворюються в результаті переходу озону з газової фази в рідину і його саморозкладу. Інтенсивність непрямого окислення прямо пропорційна кількості розклалася озону і обернено пропорційна концентрації присутніх у воді забруднювачів. Деякі речовини піддаються лише прямому окисленню, інші (наприклад, органічні кислоти з малою молекулярною вагою) - окисленню радикалами. Нерідко спостерігаються процеси окислення якої-небудь речовини спільним або послідовним впливом прямого окислення і окислення радикалами. Озоноліз являє собою процес фіксації озону на подвійний або потрійний вуглецевого зв'язку з подальшим її розривом і утворенням озонідів, які, так само як озон, є нестійкими сполуками і швидко розкладаються.

Каталітичний вплив озонування полягає в посиленні їм окислювальної здатності кисню, який присутній в озонованому повітрі.

Перераховуючи можливі форми окислюючого впливу озону, не можна не відзначити того факту, що в порівнянні з іншими окислювачами озон швидше вступає в реакції і в меншій дозі.

Як відомо, вода транспортуючим середовищем для мікроорганізмів: сапрофітних і патогенних бактерій, різних вірусів, водоростей, грибів і т. д. Озон є сильним бактерицидним і віруліцидним агентом, але на сьогоднішній день механізми інактивації окремих груп мікроорганізмів ще точно не визначені. Згідно з останніми уявленнями про бактерицидним впливі озону, дезінфектант робить безпосередній вплив на цитоплазму і ядерну структуру клітини бактерії, викликаючи припинення активності складних органічних речовин білкової природи - ензимів. Віруси знищуються при повному окисленні їх матерії, що складається з білка і однією з нуклеїнових кислот. Інактивація бактерій і вірусів розглядається не тільки як наслідок прямого впливу озону, але і як вплив ряду інших окислювачів, що утворюються при дифузії дезінфектанту в воду, зокрема вільних радикалів.

Реакція озону з неорганічними речовинами. Хлор окиснюється озоном дуже повільно з утворенням хлорнуватистої кислоти. Ця кислота потім окислюється в хлорат з частковим утворенням хлору. Можна вважати, що хлор стабільний у розчині при умовах постозонування.

Бром спочатку окислюється в гипобромит. Окислення в броматные з'єднання йде дуже ефективно, паралельно з взаємодією органічних сполук з гипобромитом. 
             Йод реагує з озоном дуже швидко з утворенням йодноватистой кислоти та йодату. 
             Хлорит-іон. Загальна схема може бути записана наступним чином: 

                                       ClO2 + O3 = ClO3- + O2                                            (2.4)

 

Ціаніди легко окислюються озоном в цианати, які потім самі окислюються, але дуже повільно:                                        

 

                                       CN- + O3 = CNO- + O2                                              (2.5)

 

Сульфіти і сірка є відновниками і реагують з озоном з утворенням сульфату. 
Іони заліза і марганцю швидко окислюються озоном до гідроксилу і діоксиду марганцю. Процес окислення двовалентного заліза може бути представлений схемою:

 

                        Fe+2 + O3 + H2O → Fe+3 + 2OH-,                                           (2.6)

                        Fe+3 + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3 H+.                                         (2.7)

 

Окислення марганцю - процес більш складний. В області рН від 5 до 7 має місце утворення чотирьохвалентної окису марганцю, який малорозчинен у воді:

 

                  Mn+2 + O3 + H2O = Mn4- + O2 + 2ОH- ,                                       (2.8)

                        Mn+4 + 4OН- = MnO2↓ + 2Н2О.                                              (2.9)

                                                                                                                

Одночасно з цим відбувається окислення вихідного розчинного двовалентного марганцю до більш високого ступеня окислення з утворенням перманганату, розчинного у воді:

          

                2Mn+2 + 5O3 + 3H2O = 2MnO4- + 5O2 + 6H+                              (2.10)

 

Реакція озону з органічними речовинами:

- насичені алкільні сполуки реагують з озоном дуже повільно. Більшість хлорованих вуглеводнів і навіть ненасичені вуглеводні не реагують прямо з озоном через радикал ОН-. Бензол окиснюється озоном дуже повільно, а поліциклічні вуглеводні швидше;

- час реакції озону з фенольними сполуками становить кілька секунд; 
            - карбоксильні кислоти, кетонові кислоти і ряд подібних сполук представляють собою кінцеві стабільні продукти процесу окислення органічних речовин озоном;

- аміни при нейтральних значеннях рН реагують досить повільно з озоном, при рН > 8 реакції окиснення відбуваються швидше. Однак в основному реакції окислення амінів йдуть через ОН- радикали. Четвертинні аміни реагують з озоном швидше;

- спирти можуть взаємодіяти з озоном, утворюючи в якості проміжних сполук гідропероксиди. При цьому вони окислюються до карбоксильних кислот, в той час як вторинні спирти - до кетонів;