Образование и распад озона

Известно, что молекула кислорода состоит из 2-х атомов: O2. При определенных условиях молекула кислорода может диссоциировать, т.е. распадаться на 2 отдельных атома. В природе эти условия создаются во время грозы при

разрядах атмосферного электричества и в верхних слоях атмосферы, под воздействием ультрафиолетового излучения солнца (озоновый слой Земли).

Механизм образования и молекулярная формула озона

Однако атом кислорода не может существовать отдельно и стремится сгруппироваться вновь. В ходе такой перегруппировки образуются 3-х атомные молекулы.

Молекула, состоящая из 3-х атомов кислорода, называется озон или активированный кислород, представляет собой аллотропную модификацию кислорода и имеет молекулярную формулу O3 (d = 1.28 A, q = 116.5°).

Следует отметить, что связь третьего атома в молекуле озона относительно непрочна, что обуславливает нестабильность молекулы в целом и ее склонность к самораспаду.

Т.к. молекула озона нестабильна, озон д.б. использован немедленно на месте его получения. Для производства озона служат специальные устройства – генераторы озона, которые часто называют также озонаторами. В настоящее время в промышленных условиях озон получают 3-мя способами:

• при помощи УФ облучения

• электролитическим

• при помощи электросинтеза с использованием коронного разряда

   

Получение озона при помощи УФ облучения

Воздух, содержащий кислород или очищенный кислород пропускают через специальную камеру, где под воздействием коротковолнового УФ-облучения молекула кислорода диссоциирует на 2 атома и затем образуется озон путем слияния атома и целой молекулы кислорода (в кабинетах физиотерапии запах озона сопровождает известную многим процедуру кварцевания). Метод применяется весьма ограниченно, т.к. концентрации получаемого озона не превышают 0,1% по весу, что недостаточно для эффективной очистки и обеззараживания воды в промышленных условиях.

Электролитический способ производства озона

Основан на электрохимических реакциях: при пропускании тока через растворы электролитов, помещенные в специальные ячейки, происходит разложение молекул воды с образованием атомарного кислорода и затем озона.

При помощи данного способа воду можно обрабатывать большими дозами озона и создавать значительные концентрации озона в воде благодаря отсутствию потерь, связанных с недостаточным массопереносом озона из газовой фазы в раствор, характерных для технологий получения озона УФ-облучением или электросинтезом.

Однако, большие энергозатраты не позволили электролитической технологии получения озона найти широкое распространение в промышленности.

Электросинтез озона в коронном разряде

Этот способ получения озона является самым надежным и эффективным из всех известных и поэтому получил наибольшее распространение в промышленных условиях. Отличается оптимальным соотношением энергозатрат к концентрации вырабатываемого озона.

Коронный разряд (корона — слабое голубовато-фиолетовое свечение) возникает в газе в сильно неоднородном электрическом поле между двумя электродами – высоковольтным и заземленным, разделенными зазором (разрядный промежуток) и диэлетриком, см. рис. Озон образуется в результате диссоциации молекулы кислорода в результате воздействия энергии электронов, движущихся между электродами через разрядный промежуток. Концентрация озона зависит от величины напряжения,его частоты, толщины диэлектрика, величины диэлектрической постоянной, а также от концентрации кислорода в рабочем газе, определяемой типом рабочего газа — осушенный или неосушенный воздух, кислород, а также давлением рабочего газа в разрядном промежутке.

Растворение озона в воде

Для очистки и обеззараживания воды озон, полученный в генераторе, необходимо растворить в обрабатываемой воде. Все известные способы растворения озона в воде основаны на разбиении газового потока, содержащего озон на мельчайшие пузырьки. Последние, совершая движение в потоке воды, обеспечивают переход озона из газообразного состояния в раствор. Этот переход озона через границу раздела газовой и жидкой фазы называется массопереносом озона в воду.

Лишь часть озона из газового потока переходит в раствор и участвует в окислительно-восстановительных реакциях и обеззараживает воду. Оставшаяся часть озона не растворяется и выделяется из воды в воздух (избыточный газ).

Эффективность массопереноса – важнейший параметр, характеризующий систему растворения озона и выбор требуемой производительности генератора по озону.

На ЭМП оказывают прямое влияние следующие параметры:

• Концентрация озона в газовой фазе с выхода генератора

• Давление воды

• Размер пузырьков газа в воде (определяет площадь раздела фаз)

• Химическая потребность воды в озоне

В настоящее время в промышленности получили распространение следующие способы растворения озона:

• диспергирование через специальные пористые насадки – диспергаторы

• эжектирование через вакуумные инжекторы

• интенсивное подмешивание вращающимся лопастным смесителем – турбиной.

Растворение озона при помощи диспергаторов

Газовая смесь, содержащая озон, под давлением подается в диспергаторы цилиндрической или плоской формы, выполненные из керамики, нержавеющей стали или титана, расположенные в донной части контактного резервуара. Образующиеся пузырьки имеют размеры от 100 микрон до нескольких миллиметров в зависимости от типа диспергатора. Массоперенос озона происходит в процессе всплывания пузырьков к поверхности резервуара.

Этот способ растворения озона длительное время применялся повсеместно и применяется до сих пор на некоторых озоновых станциях старой постройки.

К преимуществам диспергирования можно отнести:

• Простоту и надежность вследствие отсутствия

движущихся частей

• Высокую эффективность массопереноса озона в глубоких резервуарах

Основные недостатки следующие:

• Необходимость изготовления глубоких резервуаров (глубина не менее 6 м)

• Поверхность диспергаторов в грязной воде быстро засоряется, приводя к увеличению объема пузырьков и соответственно ухудшению массопереноса

• Возможно образование зон – вертикальных каналов – с неоднородной концентрацией озона и различными скоростями движения воды, что может привести к проскоку на выход резервуара недостаточно очищенной или обеззараженной воды

• Давление к трубках, подводящих озон к диспергатору, может служить причиной выхода озона в помещение при повреждениях трубок и их соединений и представляет потенциальную опасность отравления персонала

Вакуумные инжекторы для растворения озона

Вакуумный инжектор (эжектор, струйный насос) – устройство, в котором для всасывания газа или жидкости используется кинетическая энергия другого газа или жидкости. Для растворения озона в воде эжекторы используют кинетическую энергию потока воды, который направляется в трубку меньшего сечения (трубка Вентури), где скорость воды значительно увеличивается и одновременно падает давление. В результате образуется вакуум, который и является в данном случае движущей силой, обеспечивающей подмес газовой смеси от генератора озона в поток воды, как показано на рис. ниже.

Важнейшим параметром, от которого зависит эффективность массопереноса озона в эжекторе является коэффициент эжекции – отношение объема подмешиваемого газа к объему воды.

Эжекторы могут устанавливаться как на весь поток воды, который необходимо обработать озоном, так и на часть потока, который после растворения в нем озона подмешивается к необработанной части потока.

Эжекторный способ растворения озона имеет ряд существенных преимуществ:

• Высокая эффективность массопереноса (при правильном выборе коэффициента эжекции, давления на выходе эжектора и использовании дополнительных устройств для интенсификации перемешивания – статических смесителей, специальных насадок), может достигать 99% при растворении высококонцентрированного озона (6-14%)

• Оборудование для растворения озона и контакта с водой имеет значительно меньшие габариты, нежели чем в системах с диспергированием

• Отсутствие механических частей, надежность

• Высокая степень безопасности – при повреждении озоновых трубок и уплотнений вакуум не дает озону выделяться в воздух помещения

Основной недостаток эжектора – потери давления воды, обуславливающие необходимость использования дополнительных насосов и повышение тем самым энергозатрат.

Несмотря на указанный недостаток эжекторный способ растворения озона получил наибольшее распространение в промышленности вследствие эффективности и надежности.

Растворение озона турбинными смесителями

Способ заключается в следующем: турбина, закрепленная на валу, передающем крутящий момент от двигателя, помещается в контактный резервуар с обрабатываемой водой. Озон подается в область вращения турбины, где происходит образование и разбиение пузырьков лопастями турбины и их интенсивное перемешивание с водой. Перемешивание с высокой скоростью способствует постоянному обновлению границы раздела фаз и улучшению таким образом условий перехода озона в раствор. Указанным способом можно достигать высокой эффективности массопереноса озона в воду (более 90%).

Мотор, вал и турбина представляют собой движущиеся части, которые подвержены износу и быстро выходят из строя в агрессивной среде озон-вода. Поэтому турбинная технология растворения озона не нашла широкого применения в промышленности.

Скорость разложения озона в водной среде оценивается при помощи периода полураспада, т.е. времени, в течение которого концентрация озона уменьшается вдвое.

Распад озона

В чистой воде распад озона ускоряется с ростом рН и температуры воды и наоборот. Ниже приведена зависимость периода полураспада озона в воде от температуры при нейстральном рН:

Следующие факторы (помимо температуры и рН воды) ведут к ускорению процесса распада озона:

• ультрафиолетовое излучение

• наличие в воде примесей, окисляемых озоном

• наличие в воде взвешенных веществ, которые представляют собой поверхность раздела фаз, на которой происходит каталитический распад озона

28.07.2011, 17700 просмотров.