К.х.н. О.В. Мосин
Озон в водоподготовке
Обработка воды газообразным озоном О3 является Перспективным современным направлением в водоподготовке. Озон в силу своих высоких окислительных свойств способен эффективно уничтожать патогенную бактериальную микрофлору и окислять многие органические соединения и металлы с их последующим разложением. Озонирование воды перспективно в водоподготовке питьевой воды и воды, используемой для хозяйственных нужд, дезинфекции сточных вод, оборотной воды бассейнов, обеззараживании воды, предназначенной для бутилирования, удаляя из воды неприятные привкусы и запахи, а также для дезинфекции производственных и бытовых помещений и дезодорации воздуха. В данной статье рассмотрены основные аспекты применения озона в водоподготовке.
Очистка и получение пригодной для потребления питьевой воды является важным этапом водоподготовки. По традиционной схеме водоподготовка обычно включает три основных стадии: механическую фильтрацию, удаление из воды взвешенных и коллоидных веществ (осветление) и обеззараживание. Удаление из воды взвесей достигается при помощи сорбционных методов и фильтров. Для осветления воды применяется химическая обработка специальными коагулянтами (сернокислый алюминий Аl(SO4)3·18Н2О, сернокислое железо FeSO4·7Н2О, хлорное железо FeCl3·6H2O), способными осаждать коллоидные частицы гидроксидов железа или алюминия с адсорбированными на них коллоидами загрязнений, размером до 0,07 микрон. Для обеззараживания воды используется обработка хлором и его производными (окись хлора (ClO2), гипохлорид натрия NaOCl), содержащими 95-97 % активного хлора. Необходимость использования трёх различных процессов существено усложняет технологию обработки воды. Из-за значительной стоимости сорбционных установок и сложности технологического процесса водоподготовки часто приходится пренебрегать улучшением вкусовых качеств воды. При обработке воды коагулянтами в воду поступают дополнительные загрязнения; хлорирование, в свою очередь приводит к образованию в воде токсически опасных хлорорганических соединений.
Альтернативным хлорированию способом в водоподготовке является обработка воды озоном. Озон – газ синего цвета с характерным резким запахом, образующийся при воздействии электрического разряда или ультрафиолетового излучения на воздух. При низких температурах (-112 °С) озон превращается в темно-синюю жидкость, при более глубоком охлаждении образует темно-фиолетовые кристаллы. Tпл – 192,7 0С, Ткип – 111,9 0С, растворимость в воде при 20 0С0.0394 масс.% (Табл. 1).
Таблица 1
Основные физико-химические свойства 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 очистке и доочистке питьевой воды, подготовке воды для производства пива безалкогольных напитков, стерилизации стеклянных и пластиковых бутылок из полиэтилентерефталата (ПЭТ), озонирования воды в бассейнах, дезинфекционной обработке сточных вод, производственных, бытовых помещений и мест общего пользования и др.
По степени опасности озон относится к первому классу вредных веществ.
- Максимальная разовая предельно допустимая концентрация (ПДК м.р.) озона в атмосферном воздухе населённых мест 0,16 мг/м³.
- Среднесуточная предельно допустимая концентрация (ПДК с.с.) озона в атмосферном воздухе населённых мест 0,03 мг/м³.
- Предельно допустимая концентрация (ПДК) озона в воздухе рабочей зоны 0,1 мг/м³.
Химические свойства озона
По химическому строению озон представляет собой молекулу, состоящую из трех 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. Химическое строение молекулы озона
Озон неустойчив и при нормальных условиях (20 0С, 1 атм.) самопроизвольно превращается в кислород O2 с генерированием атомарного кислорода и выделением тепла. Период полураспада озона в воздухе составляет 30-40 мин. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода озона О3 в O2. При больших концентрациях О3 процесс может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторыми металлами или их оксидами ускоряет превращение О3 в O2.
Озон - сильный окислитель и со многими непредельными органическими соединениями образует озониды – промежуточные 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 или кетоны (схема).
Схема. Реакция озонирования непредельных органических соединений (реакция Криге)
Реакция озонирования чрезвычайно экзотермична, избыток тепла уходит на электронноколебательное возбуждение образующихся продуктов реакции и частично рассеиваются молекулами растворителя. Промежуточные продукты, образующиеся в этой реакции, вновь реагируют в другой последовательности, образуя озониды. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с карбонилоксидом (спирты, кислоты), вместо озонидов образуются различные перекисные соединения.
Озон активно вступает в реакцию с ароматическими органическими соединениями, при этом реакция идет как с разрушением ароматического ядра, так и без его разрушения. При взаимодействии озона с фенолами происходит образование соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и кислот.
В реакциях с насыщенными углеводородами, протекающих в водных растворах, озон вначале распадается с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное окисление. При этом выход продуктов окисления соответствует уровням расхода озона.
Озон также способен взаимодействовать с щелочными металлами – натрием (Na), калием (K), рубидием (Rb), цезием (Cs), посредством формирования промежуточного неустойчивого комплекса катиона металла с озоном [М+ – О – Н+– O3-]*, в результате последующего водного гидролиза которого образуется смесь озонида МО3 и водного гидроксида щелочного металла (MOH).
Бактерицидное действие озона
Озон – сильный дезинфектант, оказывающий выраженное бактерицидное воздействие на многие патогенные микроорганизмы, бактерии и вирусы. При оценке эффективности озона используется С·Т критерий, т. е. произведение концентрации реагента на время его действия. По своему дезинфицирующему действию озон превосходит хлор, хлорамин и двуокись хлора (Таблица 3).
Механизм бактерицидного действия озона объясняется его высокой окислительной способностью. Озон действует как сильный окислитель на клеточную стенку мембран микроорганизмов с последующим проникновением внутрь клетки и окислением жизненно важных биологически активных соединений (белки, ферменты, ДНК, РНК). Благодаряя своим окислительным свойствам озон уничтожает бактерии в 3-5 раз эффективнее УФ-излучения и в 500-1000 раз сильнее хлора.
Таблица 3
Значение С·Т критерия для различных микроорганизмов (99% инактивации при 5-25 °С. С·Т критерий (Мб/л·мин) )
- Вид микроорганизмов; Озон; Свободный хлор; Хлорамин; Двуокись хлора
- Кишечная 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 уничтожении кишечной палочки Еcherihia coli, которая в воде уничтожается озоном в 1000 раз быстрее, чем хлором. Время, необходимое для уничтожения 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.
Способы получения озона
Химический способ осуществляется реакцией взаимодействия пентафторида висмута (BiF5) и других сильных окислителей с водой. Озон также образуется во многих процессах, сопровождающихся выделением атомарного кислорода, например при разложении перекисей, окислении фосфора и др.
Электролитический способ реализуется 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 O3. Этот метод позволяет получать озон с высокими выходами, однако из за своей энергоемкости широкого применения не находит.
Фотохимический способ 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 образуется т. н. озоновый слой. Метод нашел применение в медицине, пищевой промышленности и др.
Электросинтез в газовом разряде - барьерном, поверхностом и импульсном, получил наибольшее распространение в промышленных и бытовых установках генерирования озона. Этот метод позволяет получать озон высоких концентраций при большой производительности и невысоких энергозатратах оборудования.
Использование озона в водоподготовке
Озонирование воды в водоподготовке имет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими существующими технологиями, в т. ч. хлорированием воды (табл. 2). Важным преимуществом является неспособность озона в отличие от хлора, к реакциям замещения с органическими соединениями, приводящими к образованию побочных токсичных хлорорганических соединений – тригалометанов, главным представителем которых является хлороформ (СHCl3). Как известно, что в процессе хлорирования воды может образовываться до 50 различных галогенсодержащих соединений, включая бромоформ (СHBr3), дибромхлорметан (CHBr2Cl), бромдихлорметан (CHBrCl2), и хлороформ (СHCl3).
Озонирование в водоподготовке не приводит к образованию тригалометанов и за счет высокой окислительной способности озона позволяет одновременно достичь осветления воды и осаждения примесей, а также устранить привкусы и запахи при обеззараживании. По многим характеристикам, включая комплексный показатель токсичности и мутагеной активности, озон превосходит хлор и его производные (табл. 2).
Таблица 2
Сравнительные характеристики озонирования и хлорирования воды
Парамет
Хлорирование воды
Озонирование воды
Концентрация свободного остаточного реагента
не менее 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 менее 30 минут
до 5 минут
Уничтожение Е.coli
99%
до 100%
Уничтожение вирусов
70%
до 100%
Уничтожение спор, цист и ооцист, паразитирующих простейших
50%
до 100%
Комплексный 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%
увеличение 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 быстро окислять загрязнения органической и неорганической природы, переводя их из растворенного состояния во взвеси, задерживаемые сорбционным фильтром.
По современной технологии производство озона осуществляется на месте потребления на специальных 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 смеси - 50–250 г/м3. Полученный озон, затем подаётся в систему водоподготовки за барботажа и инжекции.
В крупных промышленных установках наиболее часто используется барботаж озоно-воздушной смеси через очищаемую воду. При этом, важным технологическим этапом является обеспечение одинакового времени контакта газообразного озона с водой, а также равномерное введение его по всему объему обрабатываемой воды.
В установках относительно небольшой производительности по озону наиболее распространен и достаточно эффективен метод инжекции. Очищаемая вода проходя через инжектор, создает в нем разрежение, при котором в воду поступает необходимое количество газообразного озона. Интенсивное перемешивание в инжекторе диспергирует озон на мельчайшие пузырьки с большой поверхностью контакта, что повышает скорость растворения озона в воде.
Для лучшего растворения озона в воде применяются пульсационные колонны со специальными распределительными тарелками. Озоно-воздушная смесь поступает в нижнюю часть колонны; возвратно-поступательное движение воды, создаваемое специальным пульсатором, и распределительные тарелки обеспечивают ее диспергирование до пузырьков заданных оптимальных размеров, которые поднимаются противотоком к двигающемуся вниз потоку воды. В результате этого достигается высокая степень дисперегирования озона при большой удельной производительности аппарата.
После растворения озона в воде необходимо обеспечить определенное время его контакта с водой для осуществления химических реакций окисления и удаления из воды избыточного количества непрореагировавшего озона и продуктов распада. Для этого применяется контактно-фильтровальный аппарат, из которого вода направляется на угольный фильтр на основе активированного угля для каталитического окисления продуктов взаимодействия озона с органическими соединениями с последующей их задержкой фильтром и деструкцией озона (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная схема озонатора воды
Применение современных передовых технологий производства озона позволяют создавать малогабаритные, надежные, высокопроизводительные и легкие в наладке и обслуживании отечественные системы озонирования воды, снабжённые датчиками электронного контроля и системами регулирования (рис. 3).
Рис. 4. Принципиальная схема системы озонирования воды. OB –осушитель воздуха; О1 – озонатор; ДУ1, ДУ2 – датчики уровня; ДО – деструктор озона; Н – насос; ОК1 – обратный клапан магистрали озона; М – манометр; И – инжектор; YA1 – электромагнитный клапан.
Выводы
Преимущества озона по сравнению с технологией хлорирования заключаются в следующих факторах:
- Озон экологически безопасен и не образует токсичных побочных продуктов распада.
- Остаточный озон быстро превращается в кислород.
- Озон вырабатывается на месте водообработки, не требуя хранения и перевозки.
- Озон уничтожает все известные микроорганизмы: вирусы, бактерии, грибы, споры, цисты, простейших и т.д. в 300-1000 раз быстрее, чем другие дезинфектанты.
- Не существует и не может возникнуть устойчивых к озону форм микробов.
- Обработка воды озоном занимает несколько минут.
- Озонирование удаляет из воды неприятные запахи и привкусы.
- Одновременно с обеззараживанием происходит осветление воды.
К недостаткам озона следует отнести сложность его производства на месте непосредственного использования, необходимость значительных энергозатрат, связанных с его получением, а также недостаточно высокую устойчивость озона в воде, разлагающегося в ней в течении 30-40 минут.
Литературные источники:
Мосин О.В. Использование озона в водоподготовке // Сантехника, 2011, ; 4, с. 47-49.
При использовании материалов сайта ссылка на авторство обязательна.
Я сам давно знал о пользе озона, но испробовать на практике смог только купив универсальный озонатор воды и воздуха sititek gl-3188. Вода становится после обработки вкусная и чистая, поливаю ею цветы и озонирую воду в аквариуме. Везде только положительный эффект.