Очищення води за допомогою озонування (стр. 2 из 5)
В основу промислового одержання озону покладено реакцію розщеплення молекули кисню на атоми під дією тихого або бар’єрного розряду. Висока реакційна здатність озону зумовлена великою надлишковою енергією молекули:
О3 = 3/2 О2 + 100 кДж/моль (2.5)
Озон реагує з насиченими органічними сполуками з утворенням вільних радикалів. Лімітуючою стадією процесу є вплив озону на зв'язок С-Н
RH + O3 = R. + HO. + O2 ( або R + HO.3). (2.6)
Радикали R., які утворилися в атмосфері оксисену, переважно перетворюються на пероксид радикали помірної активності. Тому ланцюгова реакція окиснення може виникнути лише за достатньо високої температури, коли швидкість реакції зростання ланцюга перевищує реакцію його обірванця. За невисокої температури окиснення озоном відбувається як не ланцюгова реакція з утворенням гілроксигідропероксидів:
R. + О2 = RО2.; (2.7)
RО2. + RH = RООH + R.. (2.8)
Альдегіди в свою чергу, окислюються до надто кислот, які розкладаються в розбавлених водних розчинах до органічних кислот та пероксиду гідрогену. Паралельно може відбуватися реакція окиснення гідроксильного радикалу:
HO. + O3 = HO2. + O2 (2.9)
з наступною комбінацією пероксид радикалів:
2HO2. = Н2О2 + O2. (2.10)
Проте насправді пероксид гідрогену не накопичується і витрата озону в нейтральному та кислому середовищах відповідає реакції
R-CH2OH + 2O3 = RCOOH + 2O2 + H2O. (2.11)
Мабуть, у момент виділення пероксид гідрогену реагує з озоном:
H2O2 + O3 = H2O + 2O2. (2.12)
Крім того, можливо, що озон витрачається на розкладання гідрокси – гідроксипероксидів та надкислот. Швидкість реакції за цих умов зростає, що, ймовірно, зумовлено розкладання пероксид гідрогену, гідропероксиду, надкислоти та озону. Одночасне збільшення кількості генерованих первинних радикалів ініціює процес окиснення. Отже для прискорення процесу ініціювання процес окиснення озоном доцільно проводити в лужному середовищі. Для більшості органічних сполук проміжними та кінцевими продуктами окиснення є спирти, альдегіди(кетони) та кислоти [1].
Озон утворюється з кисню. Його синтез може бути здійснений різними методами; найбільш поширеними є: електролітичний, хімічний, фотохімічний і електросинтез. Крім того, озон отримують при іонізуючих випромінюваннях.
1. Електролітичний метод. Синтезу озону відомий давно. Механізм же утворення озону в електролітичних процесах до теперішнього часу до кінця ще не вивчений.
Синтез озону здійснюють в спеціальних комірках, в ролі електролітів використовують розчини різних кислот (H2SO4, НС1О4) або їх солі (NaClO4> КСlO4 і ін.) Кислоти або їх солі, що беруть участь в реакціях електролізу, не віддають свого кисню, а при утворенні озону відбувається розкладання іонів і радикалів:
Н2О+О2 = Оз+2Н+ +2е (2.10)
Електролітичним способом можна отримати концентрований озон (30—58%-ний), наприклад при електролізі 40%-ній оксихлоридный кислоти з охолодженими до —65° З платиновими анодами; середня температура електроліту повинна наближатися до температури замерзання (—56° С). Густина струму на аноді —0,13— 2,16 А/дм2, напруга —8—13 В, загальний тиск над електролітом — в межах 10—100 мм рт. ст. При електролізі розчинів солей утворення озону йде ефективніше, ніж при електролізі розчинів кислот, сам процес стабільніший, максимальний вихід по струму озону досягається за мінімальний час (10 хв), переривання струму не змінює синтезу озону [2].
2. Фотохімічне утворення озону відбувається в основному в природних умовах за рахунок дії сонячної радіації. Проте фотохімічно неможливо отримати озон у високих концентраціях. Основна область фотохімічного здобуття озону в малих концентраціях — це лабораторна практика (вивчення біологічної дії озону, випробування гум, клеїв, озонування повітря у виробничих приміщеннях і ін.).
На практиці озон отримують в спеціальних апаратах – озонаторах, в яких повітря з певною швидкістю пропускається між двома електродами, що з’єднані з джерелом живлення (5 – 20 кВ) [6]. Конструктивно електроди виконані у вигляді двох концентрично розміщених циліндрів різного діаметру (рисунок2.2) або у вигляді двох паралельних пластин (рисунок 2.3).
Рисунок 2.2 Розміщення електродів та діалектрика в трубчастому озонаторі
1 – трубка з нержавіючої сталі( електрод низької напруги; 2 – склянна трубка;
3 – фольга( електрод високої напруги).
Для отримання тихого розряду електроди озонаторів розділюють діалектриком с максимально можливим гранично поверхневим опором і
Рисунок 2.3 Розміщення електродів та діалектрика в пластинчастому озонаторі
1 – пластинка звичайного скла (діалектрик); 2 – профільні пластинки; 3 – пола пластинка із листового алюмінію
Для отримання тихого розряду електроди озонаторів розділюють діалектриком с максимально можливим гранично поверхневим опором і діалектричною сталою. Шар такого матеріалу слугує діалектричним бар’єром, що виключає отримання іскрового чи дугового розряду та обумовлює рівномірну структуру тихого розкладу. Одночасно він слугує реактивним буферним опором, що обмежує струм в ланцюгу розряду. В якості діалектриків використовуються звичайне або боросилікатне скло, емаль, пластмаси.
В зв’язку з тим, що 85 – 95% енергії, яку споживає озонатор затрачається на тепловиділення, електродну систему необхідно охолоджувати, бо озон при підвищеній температурі швидко розкладається. Основною величиною, що визначає синтез озону, слугує потужність розряду, віднесена до витрати газу, тобто, кількість енергії, що приходиться на об’єм пропущеного через озонатор газу.
2.1 Сорбційний метод очищення води на активованих вугіллях в поєднанні з озонуванням
Сорбційні методи очищення води засновані на процесах адсорбції та іонного обміну. Вилучення іонів з розчину здійснюється методом іонного обміну. Витяг молекул з розчину здійснюється методом адсорбції [7].
Найбільш поширені адсорбенти - активні (активоване) вугілля різних марок. Активні вугілля є пористі вуглецеві тіла, зернові або порошкоподібні, що мають велику площу поверхні. Неоднорідна маса, що складається з кристалітів графіту та аморфного вуглецю, визначає своєрідну пористу структуру активних вугіль, а також їх адсорбційні та фізико-механічні властивості. Пориста структура активних вугіль(рисунок 2.1.1) характеризується наявністю розвиненої системи пір, які класифікуються за розмірами в такий спосіб:
• вугілля з мікропорами - з розміром до 20 A,
• вугілля з мезопорами - з розміром 20-500 A,
• вугілля з макропорами - з розміром більше 500 A
Рисунок 2.1.1 Пориста структура активних вугіль
Адсорбційні властивості активних вугіль оцінюються кількістю модельної речовини, сорбованої одиницею маси вугілля за певних умов, а також часом захисної дії одиниці об'єму вугілля до повного його насичення.
Підвищена окислювальна здатність озону у воді ефективно використовується для розкладання великої кількості органічних речовин, розчинених у виробничих стічних водах (СВ) підприємств текстильною, коксохімічною, целюлозно-паперовою нафтохімічною і інших галузях промисловості.
2.2 Очищення води за допомогою озонування
Озонування стічних вод з метою їх очищення найраціональніше, коли концентрації забруднюючих речовин знаходяться в діапазоні від декількох мг/л до 100-200 мг/л.
Очищення води озонуванням протікає по одній з чотирьох реакцій: прямого окислення, непрямого окислення, каталізу або озоноліза. Окрім хімічної дії, озон проявляє себе і як флокулянта, що дозволяє застосовувати його вже на стадії механічної обробки води для коагуляції зважених часток. В таблиці 2.2.1 приведені дані по окисленню деяких важкокисляємих речовин [6].
Таблиця 2.2.1
Дані по окисненню озоном
| Речовина | Дані по окисненню озоном |
| Феноли та його похідні | Всі феноли при озонування з розкриттям бензольного кільця; хлор-, нітро- та аміно- феноли при окиснення відповідно утворюють хлорид та нітрид-іони. Питома витрата озону залежить від вигляду похідних фенолу, величини рН і вагається від 0.4 до 2.5 мг/мг фенолу. Міра очищення складає 97-98%. |
| Гідролізний лігнін та гуміноподіні речовини | Дані з'єднання містяться в стоках мікробіологічних виробництв (дріжджове, спиртне, гідролізне, лимонної кислоти і ін.). Витрату озону складає всього 10-35 мг/л стічної води. |
| Водорозчинні смоли | Містяться в стоках підприємств по виробництву деревно-волокнистих і деревно-стружкових плит, виготовлення пластмас і лаків. Дані з'єднання інтенсивно розкладаються озоном, при цьому хінон і гідрохінон не виявляються в стоках. Витрата озону при цьому складає 0.5-1.0 мг/розчиненої смоли. Міра очищення – не нижче 90%. |
| СПАР | Речовини цього ряду поширені в стоках виробництв синтетичних миючих засобів. СПАВ добре окислюються в будь-яких середовищах при питомій витраті озону 1-20 мг/ мг речовини. |
| Барвники | Метод озонування є універсальним по відношенню до всіх основних груп фарбників, розчинних у воді. Він дозволяє не лише видалити забарвлення води, але і підвищити її здатність до її подальшому очищенню. |
| Стирол | При початковій концентрації 50-150 мг/л можлива ефективність очищення до 90%. |
Компанією «ЕЛЕКТРОЕКОЛОГІЯ» розроблена і виготовлена установка озонно-електрокоагуляційної очистки стічних вод «ЕЛОН». Дана установка водоочистки складається з блоку озонування, електрокоагулятора і відстійника[8].