Obstajata dve glavni metodi mešanja ozona z vodo: izmet in barbanje.
Brbotanje je metoda prehajanja plina skozi plast tekočine s pomočjo cevi, povezanih z dnom rezervoarja. To tehnologijo najdemo zelo pogosto v vsakdanjem življenju in industriji; vsak od vas je lahko videl, kako je voda v akvarijih nasičena s kisikom, ko so cevi položen na dno akvarija, iz katerega prihajajo zračni mehurčki, ki jih dovaja kompresor.
Pri uporabi metode mehurčkov so glavne značilnosti, ki vplivajo na kakovost raztapljanja ozona:
- Velikost mehurčkov (manjša kot je velikost, lažje se raztopi)
- Zunanji tlak (večji kot je zunanji tlak, boljše je mešanje)
- Čas, ki ga potrebujejo, da mehurčki preidejo skozi plast vode (dlje kot je mehurček v stiku z vodo, več ozona se raztopi)
- Temperatura vode (nižja kot je temperatura, boljše je raztapljanje)
Za izboljšanje topnosti ozona pri mehurčenju se najpogosteje uporabljajo tri metode in njihove kombinacije:
1. Zmanjšanje velikosti mehurčkov z zmanjšanjem premera lukenj in povečanjem njihovega števila. Izvaja se s pomočjo perforiranih cevi (mehurčkov) ali »difuzijskih kamnov« (»disperzanti«).
2. Mehansko mešanje, ki ga izvaja kateri koli vijak ali mešalnik, poveča čas stika mehurčkov z vodo s spreminjanjem smeri njihovega gibanja.
3. Uporaba »statičnega mešalnika«. "Statični mešalnik" poveča učinkovito debelino vodne plasti zaradi svoje spiralne zasnove, s čimer se poveča kontaktni čas ozonskih mehurčkov z vodo.
Izmet- ta metoda omogoča ozoniranje vode v toku in integracijo ozonizatorja v proizvodno linijo z uporabo visok pritisk. Mešanje poteka s posebno napravo - ejektorjem (hidrojet črpalka):
Mešanje z ejekcijsko metodo se lahko uporablja tako s kontaktnim rezervoarjem (za boljše raztapljanje, mešanje in podaljšanje časa priprave vode - uporablja se v vodnih linijah - kot brez kontaktnega rezervoarja, voda izstopa neposredno iz ejektorja, ki se uporablja za ozoniranje voda v potoku.
Shema čiščenja vode z ozonom v primeru uporabe kontaktne posode izgleda nekako takole:
Možnost 1.
Možnost 2.
Leta 1785 je nizozemski fizik Van Marum, ki je izvajal poskuse z elektriko, opozoril na vonj med nastajanjem isker v električnem stroju in na oksidacijske lastnosti zraka po prehajanju električnih isker.
Leta 1840 je nemški znanstvenik Sheinbein, ki se je ukvarjal s hidrolizo vode, poskušal to z električnim oblokom razdeliti na kisik in vodik. In potem je odkril, da je nastal nov, znanosti doslej neznan plin s specifičnim vonjem. Ime "ozon" je plinu dodelil Sheinbein zaradi njegovega značilnega vonja in izhaja iz grške besede "ozien", kar pomeni "vohati".
Leta 1857 je bilo s pomočjo "popolne magnetne indukcijske cevi", ki jo je ustvaril Werner von Siemens, mogoče zgraditi prvo tehnično napravo za ozon. Leta 1901 je Siemens v Wiesbandu zgradil prvo hidroelektrarno z generatorjem ozona.
Zgodovinsko gledano se je uporaba ozona začela z rastlinami za pripravo pitne vode, ko je bila leta 1898 v mestu Saint Maur (Francija) testirana prva pilotna naprava. Že leta 1907 je bila v mestu Bon Voyage (Francija) zgrajena prva ozonizacija vode za potrebe mesta Nica. Leta 1911 je v Sankt Peterburgu začela delovati postaja za ozonizacijo pitne vode (trenutno ne deluje). Leta 1916 je bilo že 49 naprav za ozoniranje pitne vode.
Do leta 1977 je bilo po vsem svetu že več kot 1000 instalacij. Ozon je postal razširjen šele v zadnjih 30 letih, zahvaljujoč pojavu zanesljivih in kompaktnih naprav za njegovo sintezo - ozonizatorjev (generatorjev ozona).
Trenutno je 95 % pitne vode v Evropi obdelane z ozonom. V ZDA poteka proces prehoda s kloriranja na ozoniranje. V Rusiji je več velikih postaj (v Moskvi, Nižnem Novgorodu in drugih mestih).
2. Ozon in njegove lastnosti
Mehanizem nastanka in molekulska formula ozona
Znano je, da je molekula kisika sestavljena iz 2 atomov: O2. Pod določenimi pogoji lahko molekula kisika disociira, tj. razpadejo na 2 ločena atoma. V naravi se ti pogoji ustvarijo med nevihto med izpusti atmosferske elektrike in v zgornjih plasteh ozračja pod vplivom ultravijoličnega sevanja sonca ( ozonski plašč Zemlja). Mehanizem nastanka in molekulska formula ozona. Vendar kisikov atom ne more obstajati ločeno in se znova združuje. Med to preureditvijo nastanejo 3-atomske molekule.
Molekula ozona Molekula, sestavljena iz 3 atomov kisika, imenovana ozon ali aktivirani kisik, je alotropska modifikacija kisik in ima molekulsko formulo O3 (d = 1,28 A, q = 116,5°).
Opozoriti je treba, da je vez tretjega atoma v molekuli ozona razmeroma šibka, kar povzroča nestabilnost molekule kot celote in njeno nagnjenost k samorazpadu.
Lastnosti ozona
Ozon O3 je modrikast plin z značilnim ostrim vonjem, molekulska masa 48 g/mol; gostota glede na zrak 1,657 (ozon je težji od zraka); gostota pri 0°C in tlaku 0,1 MPa 2,143 kg/m3. Proizvodnja ozona
V nizkih koncentracijah na ravni 0,01-0,02 mg/m3 (petkrat nižje od najvišje dovoljene koncentracije za človeka) daje ozon zraku značilen vonj po svežini in čistoči. Na primer, po nevihti je subtilen vonj po ozonu vedno povezan s čistim zrakom.
Kot je navedeno zgoraj, je molekula ozona nestabilna in ima lastnost samorazpada. Prav zaradi te lastnosti je ozon močan oksidant in izjemno učinkovito razkužilo.
Ozonski potencial
Merilo učinkovitosti oksidanta je njegov elektrokemijski (oksidacijski) potencial, izražen v voltih. Spodaj so vrednosti elektrokemičnega potenciala različnih oksidantov v primerjavi z ozonom:
| Oksidant | Potencial, V | % potenciala ozona | Uporaba oksidanta pri obdelavi vode |
| Fluorid (F2) | 2,87 | 139 | — |
| Ozon (O3) | 2,07 | 100 | + |
| Vodikov peroksid (H2O2) | 1,78 | 86 | + |
| Kalijev permanganat (KMnO4) | 1,7 | 82 | + |
| Hipobromna kislina (HOBr) | 1,59 | 77 | + |
| hipoklorovodikova kislina (HOCl) | 1,49 | 72 | + |
| Klor (Cl2) | 1,36 | 66 | + |
| Klorov dioksid (ClO2) | 1,27 | 61 | + |
| kisik (O2) | 1,23 | 59 | + |
| Kromova kislina (H2CrO2) | 1,21 | 58 | — |
| Brom (Br2) | 1,09 | 53 | + |
| Dušikova kislina (HNO3) | 0,94 | 45 | — |
| jod (I2) | 0,54 | 26 | — |
Tabela kaže, da je ozon najmočnejši od vseh oksidantov, ki se uporabljajo pri pripravi vode.
Aplikacija na kraju samem
Nestabilnost ozona zahteva njegovo uporabo neposredno na mestu proizvodnje. Ozona ni mogoče pakirati, skladiščiti ali prevažati.
Topnost ozona v vodi
Po Henryjevem zakonu se koncentracija ozona v vodi povečuje z naraščajočo koncentracijo ozona v plinski fazi, pomešani z vodo. Poleg tega višja kot je temperatura vode, nižja je koncentracija ozona v vodi.
Topnost ozona v vodi je 12-krat višja od topnosti kisika, vendar manjša od klora. Če upoštevamo 100% ozon, potem je omeji koncentracijo v vodi je 570 mg/l pri temperaturi vode 20C. Koncentracija ozona v plinu na izhodu iz sodobnih naprav za ozoniranje doseže 14 mas. Spodaj je prikazana odvisnost koncentracije ozona, raztopljenega v destilirani vodi, od koncentracije ozona v plinu in temperature vode.
| Koncentracija ozona v mešanici plinov | Topnost ozona v vodi, mg/l | |||
| 5°C | 10°C | 15°C | 20°C | |
| 1.5% | 11.09 | 9.75 | 8.40 | 6.43 |
| 2% | 14.79 | 13.00 | 11.19 | 8.57 |
| 3% | 22.18 | 19.50 | 16.79 | 12.86 |
Samorazgradnja ozona v vodi in zraku
Hitrost razgradnje ozona v zraku ali vodi je ocenjena z razpolovno dobo, tj. čas, v katerem se koncentracija ozona prepolovi.
Samorazgradnja ozona v vodi (pH 7)
| Temperatura vode, °C | Polovica življenja |
| 15 | 30 minut |
| 20 | 20 minut |
| 25 | 15 minut |
| 30 | 12 minut |
| 35 | 8 minut |
Samorazgradnja ozona v zraku
| Temperatura zraka, °C | Polovica življenja |
| -50 | 3 mesece |
| -35 | 18 dni |
| -25 | 8 dni |
| 20 | 3 dni |
| 120 | 1,5 ure |
| 250 | 1,5 sekunde |
Iz tabel je razvidno, da vodne raztopine ozon je veliko manj stabilen kot ozon. Podatki o razgradnji ozona v vodi so navedeni za čisto vodo, ki ne vsebuje raztopljenih in suspendiranih primesi. Hitrost razpada ozona v vodi se večkrat poveča v naslednjih primerih:
1. če so v vodi nečistoče, ki jih ozon oksidira (kemična potreba vode po ozonu)
2. s povečano motnostjo vode, ker na meji med delci in vodo hitreje potekajo reakcije samorazgradnje ozona (kataliza)
3. ko je voda izpostavljena UV sevanju
3. Metode za pridobivanje ozona
Trenutno se široko uporabljata dve metodi proizvodnje ozona:
* UV obsevanje
* pod vplivom tihe (tj. razpršene, brez isker) koronske razelektritve
1. UV obsevanje
Ozon lahko nastaja v bližini UV žarnic, vendar le v majhnih koncentracijah (0,1 mas.%).
2.Koronska razelektritev
Na enak način, kot se ozon proizvaja z električnimi razelektritvami med nevihtami, nastajajo velike količine ozona v sodobnih električnih generatorjih ozona. Ta metoda se imenuje koronska razelektritev. Visoka napetost teče skozi plinski tok, ki vsebuje kisik. Visokonapetostna energija razcepi molekulo kisika O2 na 2 atoma O, ki se združita z molekulo O2 in tvorita ozon O3.
Čisti kisik, doveden v generator ozona, je mogoče nadomestiti z zunanjim zrakom, ki vsebuje visok odstotek kisika.
Ta metoda poveča vsebnost ozona na 10-15 mas.%
Poraba energije: 20 - 30 W/g O3 za zrak 10 - 15 W/g O3 za kisik
4. Uporaba ozona za čiščenje in dezinfekcijo vode
Dezinfekcija vode
Ozon uniči vse znane mikroorganizme: bakterije, viruse, protozoe, njihove spore, ciste itd.; Poleg tega je ozon 51 % močnejši od klora in deluje 15- do 20-krat hitreje. Virus otroške paralize umre pri koncentraciji ozona 0,45 mg/l v 2 minutah, od klora pa le v 3 urah pri 1 mg/l.
Ozon vpliva na spore bakterij 300-600-krat močneje kot klor.
Ozon uničuje redoks sistem bakterij in njihovo protoplazmo.
Biološki koeficienti smrtnosti (BLC*) pri uporabi različnih razkužil
| Razkužilo | Enterobacteriaceae | Virusi | Polemika | Ciste |
| Ozon O3 | 500 | 5 | 2 | 0.5 |
| Hipoklorova kislina HOCl | 20 | 1 | 0.05 | 0.05 |
| Hipoklorit OCl- | 0.2 | <0.02 | <0.0005 | 0.0005 |
| Kloramin NH2Cl | 0.1 | 0.0005 | 0.001 | 0.02 |
*Višji kot je BLK, močnejše je razkužilo
Primerjava razkužil
| OZON | UV | KLOR | |
| E. coli | ja | ja | ja |
| Salmonela | ja | ja | ja |
| Giardia | ja | ja | ja |
| Legionar | ja | št | št |
| Crypto-sporidium | ja | št | št |
| Virus | ja | št | št |
| Mikroalge | ja | št | št |
| Nevarnost tvorbe trihalometanov | št | št | ja |
Dezodoracija vode
Pri ozoniranju pride do oksidacije organskih in mineralnih nečistoč, ki so vir vonjav in okusov. Voda, obdelana z ozonom, vsebuje več kisika in ima okus po izvirski vodi.
Končna priprava pitne vode na polnilnih linijah
Ozoniranje na polnilni liniji. Prečiščena in pripravljena za stekleničenje je voda nasičena z ozonom, popolnoma dezinficirana in relativno kratek čas. 
pridobi dezinfekcijske lastnosti. Zahvaljujoč temu se poveča mikrobiološka varnost postopka polnjenja; ozonirana voda zanesljivo sterilizira stene posode, zamašek in zračno režo pod zamaškom. Rok uporabnosti vode po ozoniranju se večkrat poveča. Posebej učinkovita je kombinirana obdelava vode z ozonom v kombinaciji z izpiranjem posode.
Oksidacija železa, mangana, vodikovega sulfida
Železo, mangan in vodikov sulfid zlahka oksidirajo z ozonom. V tem primeru se železo spremeni v netopen hidroksid, ki se nato zlahka zadrži v filtrih. Mangan se oksidira v permanganatni ion, ki ga zlahka odstranimo z ogljikovimi filtri. Vodikov sulfid, sulfidi in hidrosulfidi se spremenijo v neškodljive sulfate. Proces oksidacije in nastanek filtrirnih usedlin pri ozoniranju poteka v povprečju 250-krat hitreje kot pri prezračevanju. Uporaba ozona je še posebej učinkovita pri deferizaciji voda, ki vsebujejo organske komplekse železa in bakterijske oblike železa, mangana in vodikovega sulfida.
Čiščenje površinskih voda pred antropogenimi nečistočami
Ozoniranje prebistrene vode s filtracijo skozi aktivno oglje je zanesljiva metoda čiščenja površinske vode pred fenoli, naftnimi derivati, pesticidi in težkimi kovinami (oksidacijsko-sorpcijsko čiščenje).
Čiščenje in dezinfekcija vode v perutninskih tovarnah in farmah
Ozonizacija na perutninski farmi. Dovajanje vode, razkužene z ozonom, v napajalnike za perutnino in živali ne le pomaga zmanjšati obolevnost in nevarnost množičnih epidemij, temveč povzroča tudi pospešeno pridobivanje teže pri pticah in živalih.
Čiščenje in dezinfekcija odpadne vode
S pomočjo ozona se odpadna voda razbarva.
S pomočjo ozoniranja lahko odpadno vodo uskladimo s strogimi zahtevami ribiških rezervoarjev glede vsebnosti fenolov, naftnih derivatov in površinsko aktivnih snovi ter mikrobioloških indikatorjev.
Ozonizacija vode za sanitarno obdelavo izdelkov in opreme
Kot je navedeno zgoraj, se rok uporabnosti vode, ozonizirane med postopkom stekleničenja, znatno poveča zaradi dejstva, da voda iz izdelka pridobi lastnosti dezinfekcijske raztopine.
Pri predelavi živilskih izdelkov se na kontaminirani opremi razmnožujejo bakterije, ki proizvajajo močan vonj po gnitju in razpadu. Izpiranje opreme z ozonirano vodo po odstranitvi večine kontaminantov vodi do dezinfekcije površin, osvežilnega učinka na zrak v prostoru in izboljšanja splošnega sanitarnega in higienskega stanja proizvodnje.
Ozoniranje za sanitarno obdelavo. V vodi za sanitarno opremo se v nasprotju z ozoniranjem vode pred stekleničenjem ustvarijo višje koncentracije ozona.
Podobno lahko ribe in morske sadeže, trupe perutnine in zelenjavo pred pakiranjem obdelamo z ozonirano vodo. Življenjska doba izdelkov, predelanih pred skladiščenjem, se poveča, njihov videz po skladiščenju pa se malo razlikuje od svežih izdelkov.
5. Varnostni vidiki pri delovanju ozonske opreme
Plin ozon je strupen in lahko povzroči opekline zgornjih dihalnih poti in zastrupitev (kot kateri koli drug močan oksidant).
Najvišjo dovoljeno koncentracijo (MAC) ozona v zraku delovnega prostora ureja GOST 12.1.005 "Splošne sanitarne in higienske zahteve za zrak delovnega prostora", v skladu s katerim je 0,1 mg / m3.
Vonj po ozonu človek zaznava v koncentracijah 0,01-0,02 mg/m3, kar je 5-10-krat manj od najvišje dovoljene koncentracije, zato pojav rahlega vonja po ozonu v prostoru ni alarmanten znak. Za zagotovitev zanesljivega nadzora vsebnosti ozona je treba v proizvodnem prostoru namestiti plinske analizatorje, ki spremljajo koncentracijo ozona in v primeru presežene mejne koncentracije pravočasno ukrepajo za njeno znižanje na varno raven.
Vsaka tehnološka shema, ki vsebuje opremo za ozon, mora biti opremljena s plinskim separatorjem, s pomočjo katerega odvečni (neraztopljeni) ozon vstopi v katalitski destruktor, kjer se razgradi na kisik. Takšen sistem onemogoča vstop ozona v zrak proizvodnega prostora.
Ker Ozon je močan oksidant; vse plinske cevi morajo biti izdelane iz materialov, odpornih na ozon, kot sta nerjavno jeklo in fluoroplastika.
Fizikalne lastnosti ozona so zelo značilne: je lahko eksploziven plin modre barve. Liter ozona tehta približno 2 grama, zrak pa 1,3 grama. Zato je ozon težji od zraka. Tališče ozona je minus 192,7ºС. Ta "stopljeni" ozon je temno modra tekočina. Ozonski "led" je temno modre barve z vijoličastim odtenkom in postane neprozoren, ko njegova debelina preseže 1 mm. Vrelišče ozona je minus 112ºС. V plinastem stanju je ozon diamagneten, tj. nima magnetnih lastnosti, v tekočem stanju pa je šibko paramagneten. Topnost ozona v stopljeni vodi je 15-krat večja od topnosti kisika in znaša približno 1,1 g/l. V litru ocetne kisline se pri sobni temperaturi raztopi 2,5 grama ozona. Dobro se topi tudi v eteričnih oljih, terpentinu in ogljikovem tetrakloridu. Vonj po ozonu se čuti pri koncentracijah nad 15 µg/m3 zraka. V minimalnih koncentracijah se zaznava kot "vonj po svežini", v višjih koncentracijah pa dobi oster, dražeč odtenek.
Ozon nastane iz kisika po naslednji formuli: 3O2 + 68 kcal → 2O3. Klasični primeri nastajanja ozona: pod vplivom strele med nevihto; pod vplivom sončne svetlobe v zgornji atmosferi. Ozon lahko nastane tudi med kakršnimi koli procesi, ki jih spremlja sproščanje atomskega kisika, na primer med razgradnjo vodikovega peroksida. Industrijska sinteza ozona vključuje uporabo električnih razelektritev pri nizkih temperaturah. Tehnologije za proizvodnjo ozona se lahko med seboj razlikujejo. Tako se za proizvodnjo ozona, ki se uporablja v medicinske namene, uporablja samo čisti (brez primesi) medicinski kisik. Ločevanje nastalega ozona od kisikovih primesi običajno ni težavno zaradi razlik v fizikalnih lastnostih (ozon se lažje utekočini). Če določeni kvalitativni in kvantitativni reakcijski parametri niso potrebni, potem pridobivanje ozona ne predstavlja posebnih težav.
Molekula O3 je nestabilna in se s sproščanjem toplote precej hitro spremeni v O2. Pri majhnih koncentracijah in brez tujih primesi se ozon razgrajuje počasi, pri velikih pa eksplozivno. Alkohol se ob stiku z njim takoj vname. Ogrevanje in stik ozona tudi z neznatnimi količinami oksidacijskega substrata (organske snovi, nekatere kovine ali njihovi oksidi) močno pospeši njegovo razgradnjo. Ozon se lahko dolgo časa hrani pri -78ºС v prisotnosti stabilizatorja (majhna količina HNO3), pa tudi v posodah iz stekla, nekaterih plastičnih mas ali plemenitih kovin.
Ozon je najmočnejši oksidant. Razlog za ta pojav je v dejstvu, da med procesom razpadanja nastaja atomski kisik. Takšen kisik je veliko bolj agresiven od molekularnega kisika, saj v molekuli kisika pomanjkanje elektronov na zunanji ravni zaradi njihove skupne uporabe molekularne orbite ni tako opazno.
Že v 18. stoletju so opazili, da živo srebro v prisotnosti ozona izgubi sijaj in se lepi na steklo, t.j. oksidira. In ko ozon prehaja skozi vodno raztopino kalijevega jodida, se začne sproščati plin jod. Isti "triki" niso delovali s čistim kisikom. Kasneje so bile odkrite lastnosti ozona, ki jih je človeštvo takoj sprejelo: ozon se je izkazal za odličen antiseptik, ozon je hitro odstranil organske snovi katerega koli izvora (parfumi in kozmetika, biološke tekočine) iz vode, začel se je široko uporabljati v industriji in vsakdanjem življenju ter se je izkazal kot alternativa zobnemu svedru.
V 21. stoletju uporaba ozona na vseh področjih človekovega življenja in delovanja narašča in se razvija, zato smo priča njegovi preobrazbi iz eksotike v poznano orodje za vsakdanje delo. OZON O3, alotropna oblika kisika.
Priprava in fizikalne lastnosti ozona.
Znanstveniki so prvič izvedeli za obstoj neznanega plina, ko so začeli eksperimentirati z elektrostatičnimi stroji. To se je zgodilo v 17. stoletju. Toda nov plin so začeli preučevati šele konec naslednjega stoletja. Leta 1785 je nizozemski fizik Martin van Marum pridobil ozon s prepuščanjem električnih isker skozi kisik. Ime ozon se je pojavilo šele leta 1840; Izumil ga je švicarski kemik Christian Schönbein, izpeljan iz grške besede ozon - vonj. Kemična sestava tega plina se ni razlikovala od kisika, vendar je bil veliko bolj agresiven. Tako je takoj oksidiral brezbarvni kalijev jodid, pri čemer se je sprostil rjavi jod; Schönbein je s to reakcijo določil ozon s stopnjo modrine papirja, namočenega v raztopino kalijevega jodida in škroba. Tudi živo srebro in srebro, ki sta pri sobni temperaturi neaktivni, v prisotnosti ozona oksidirata.
Izkazalo se je, da so molekule ozona, tako kot kisik, sestavljene le iz atomov kisika, vendar ne iz dveh, ampak iz treh. Kisik O2 in ozon O3 sta edini primer tvorbe dveh plinastih (v normalnih pogojih) enostavnih snovi z enim kemičnim elementom. V molekuli O3 so atomi nameščeni pod kotom, zato so te molekule polarne. Ozon nastane kot posledica »lepljenja« prostih atomov kisika na molekule O2, ki nastanejo iz molekul kisika pod vplivom električnih razelektritev, ultravijoličnih žarkov, žarkov gama, hitrih elektronov in drugih visokoenergijskih delcev. V bližini delujočih električnih strojev, v katerih ščetke "iskrijo", in v bližini baktericidnih živosrebrnih kvarčnih žarnic, ki oddajajo ultravijolično svetlobo, je vedno vonj po ozonu. Atomi kisika se sproščajo tudi med nekaterimi kemičnimi reakcijami. Ozon nastaja v majhnih količinah pri elektrolizi zakisane vode, pri počasni oksidaciji mokrega belega fosforja na zraku, pri razgradnji spojin z visoko vsebnostjo kisika (KMnO4, K2Cr2O7 itd.), pri delovanju fluora na vodo. ali koncentrirano žveplovo kislino na barijevem peroksidu. Atomi kisika so vedno prisotni v plamenu, zato, če usmerite tok stisnjenega zraka čez plamen kisikovega gorilnika, bo v zraku zaznati značilen vonj po ozonu.
Reakcija 3O2 → 2O3 je zelo endotermna: za pridobitev 1 mola ozona je treba porabiti 142 kJ. Povratna reakcija se pojavi s sproščanjem energije in se izvede zelo enostavno. V skladu s tem je ozon nestabilen. V odsotnosti nečistoč se plin ozon počasi razgradi pri temperaturi 70° C in hitro nad 100° C. Hitrost razgradnje ozona se znatno poveča v prisotnosti katalizatorjev. Lahko so plini (na primer dušikov oksid, klor) in številne trdne snovi (celo stene posode). Zato je čisti ozon težko dobiti, delo z njim pa je nevarno zaradi možnosti eksplozije.
Ni presenetljivo, da dolga desetletja po odkritju ozona niso bile znane niti njegove osnovne fizikalne konstante: dolgo časa nihče ni mogel dobiti čistega ozona. Kot je zapisal D.I. Mendelejev v svojem učbeniku Osnove kemije, je »pri vseh metodah priprave plina ozona njegova vsebnost v kisiku vedno nepomembna, običajno le nekaj desetink odstotka, redko 2%, in le pri zelo nizkih temperaturah doseže 20 %.« Šele leta 1880 sta francoska znanstvenika J. Gotfeil in P. Chappuis pridobila ozon iz čistega kisika pri temperaturi minus 23 ° C. Izkazalo se je, da ima ozon v debelem sloju lepo modro barvo. Pri počasnem stiskanju ohlajenega ozoniranega kisika se je plin obarval temno modro, po hitri sprostitvi tlaka pa je temperatura še padla in nastale so temno vijolične kapljice tekočega ozona. Če plin ni bil hitro ohlajen ali stisnjen, se je ozon takoj, z rumenim bliskom, spremenil v kisik.
Kasneje je bila razvita priročna metoda za sintezo ozona. Če zgoščeno raztopino perklorove, fosforne ali žveplove kisline podvržemo elektrolizi z ohlajeno anodo iz platine ali svinčevega (IV) oksida, bo plin, ki se sprosti na anodi, vseboval do 50 % ozona. Izpopolnjene so bile tudi fizikalne konstante ozona. Utekočini se veliko lažje kot kisik - pri temperaturi -112° C (kisik - pri -183° C). Pri -192,7° C se ozon strdi. Trden ozon ima modro-črno barvo.
Poskusi z ozonom so nevarni. Ozon lahko eksplodira, če njegova koncentracija v zraku preseže 9%. Tekoči in trdni ozon še lažje eksplodirata, še posebej v stiku z oksidativnimi snovmi. Ozon lahko pri nizkih temperaturah skladiščimo v obliki raztopin v fluoriranih ogljikovodikih (freonih). Takšne rešitve so modre barve.
Kemijske lastnosti ozona.
Za ozon je značilna izjemno visoka reaktivnost. Ozon je eno najmočnejših oksidantov in je v tem pogledu na drugem mestu takoj za fluorom in kisikovim fluoridom OF2. Aktivni princip ozona kot oksidanta je atomski kisik, ki nastane pri razpadu molekule ozona. Zato molekula ozona, ki deluje kot oksidant, praviloma "uporablja" samo en atom kisika, druga dva pa se sprostita v obliki prostega kisika, na primer 2KI + O3 + H2O → I2 + 2KOH + O2. Pride tudi do oksidacije mnogih drugih spojin. Vendar pa obstajajo izjeme, ko molekula ozona za oksidacijo uporabi vse tri atome kisika, ki jih ima, na primer 3SO2 + O3 → 3SO3; Na2S + O3 → Na2SO3.
Zelo pomembna razlika med ozonom in kisikom je, da ima ozon oksidativne lastnosti že pri sobni temperaturi. Na primer, PbS in Pb(OH)2 v normalnih pogojih ne reagirata s kisikom, medtem ko se v prisotnosti ozona sulfid pretvori v PbSO4, hidroksid pa v PbO2. Če koncentrirano raztopino amoniaka vlijemo v posodo z ozonom, se pojavi bel dim - to je amoniak, ki oksidira ozon in tvori amonijev nitrit NH4NO2. Posebej značilna za ozon je sposobnost "črnjenja" srebrnih predmetov s tvorbo AgO in Ag2O3.
Ko dodamo en elektron in postanemo negativni ion O3-, postane molekula ozona bolj stabilna. "Ozonske kislinske soli" ali ozonidi, ki vsebujejo takšne anione, so znani že dolgo - tvorijo jih vse alkalijske kovine razen litija, stabilnost ozonidov pa se poveča od natrija do cezija. Znani so tudi nekateri ozonidi zemeljskoalkalijskih kovin, na primer Ca(O3)2. Če tok plinastega ozona usmerimo na površino trdne suhe alkalije, nastane oranžno rdeča skorja, ki vsebuje ozonide, na primer 4KOH + 4O3 → 4KO3 + O2 + 2H2O. Hkrati trdna alkalija učinkovito veže vodo, kar ščiti ozonid pred takojšnjo hidrolizo. Vendar pa s presežkom vode ozonidi hitro razpadejo: 4KO3+ 2H2O → 4KOH + 5O2. Razgradnja poteka tudi med skladiščenjem: 2KO3 → 2KO2 + O2. Ozonidi so zelo topni v tekočem amoniaku, kar je omogočilo njihovo izolacijo v čisti obliki in proučevanje njihovih lastnosti.
Organske snovi, s katerimi pride ozon v stik, se običajno uničijo. Tako je ozon, za razliko od klora, sposoben razcepiti benzenski obroč. Pri delu z ozonom ne morete uporabljati gumijastih cevi in cevi - takoj bodo puščale. Reakcije ozona z organskimi spojinami sproščajo velike količine energije. Na primer, eter, alkohol, vata, namočena v terpentin, metan in številne druge snovi se ob stiku z ozoniranim zrakom spontano vnamejo, mešanje ozona z etilenom pa povzroči močno eksplozijo.
Uporaba ozona.
Ozon ne "sežge" vedno organske snovi; v nekaterih primerih je mogoče izvesti posebne reakcije z visoko razredčenim ozonom. Na primer, pri ozoniranju oleinske kisline (v velikih količinah jo najdemo v rastlinskih oljih) nastane azelainska kislina HOOC(CH2)7COOH, ki se uporablja za proizvodnjo visokokakovostnih mazalnih olj, sintetičnih vlaken in mehčal za plastiko. Podobno se pridobiva adipinska kislina, ki se uporablja pri sintezi najlona. Leta 1855 je Schönbein odkril reakcijo nenasičenih spojin, ki vsebujejo dvojne vezi C=C, z ozonom, vendar je šele leta 1925 nemški kemik H. Staudinger ugotovil mehanizem te reakcije. Molekula ozona se veže na dvojno vez, da nastane ozonid - tokrat organski, in atom kisika nadomesti eno od vezi C=C, skupina -O-O- pa prevzame mesto druge. Čeprav so nekateri organski ozonidi izolirani v čisti obliki (na primer etilen ozonid), se ta reakcija običajno izvaja v razredčeni raztopini, saj so prosti ozonidi zelo nestabilni eksplozivi. Organski kemiki zelo cenijo reakcijo ozoniranja nenasičenih spojin; Težave s to reakcijo se pogosto ponujajo tudi na šolskih tekmovanjih. Dejstvo je, da pri razgradnji ozona z vodo nastaneta dve molekuli aldehida ali ketona, ki ju je enostavno prepoznati in nadalje ugotoviti strukturo prvotne nenasičene spojine. Tako so kemiki v začetku 20. stoletja ugotovili strukturo številnih pomembnih organskih spojin, tudi naravnih, ki vsebujejo vezi C=C.
Pomembno področje uporabe ozona je dezinfekcija pitne vode. Običajno je voda klorirana. Nekatere nečistoče v vodi pa se pod vplivom klora spremenijo v spojine z zelo neprijetnim vonjem. Zato se že dolgo predlaga zamenjava klora z ozonom. Ozonirana voda ne pridobi tujega vonja ali okusa; Ko številne organske spojine popolnoma oksidira ozon, nastaneta samo ogljikov dioksid in voda. Ozon čisti tudi odpadno vodo. Produkti oksidacije ozona celo takšnih onesnaževal, kot so fenoli, cianidi, površinsko aktivne snovi, sulfiti, kloramini, so neškodljive spojine brez barve in vonja. Odvečni ozon precej hitro razpade in nastane kisik. Vendar je ozonizacija vode dražja od kloriranja; Poleg tega ozona ni mogoče prenašati in ga je treba proizvesti na mestu uporabe.
Ozon v ozračju.
V Zemljini atmosferi je malo ozona – 4 milijarde ton, tj. v povprečju le 1 mg/m3. Koncentracija ozona narašča z oddaljenostjo od zemeljske površine in doseže največjo vrednost v stratosferi, na nadmorski višini 20-25 km - to je "ozonski plašč". Če bi ves ozon iz atmosfere zbrali na površini Zemlje pri normalnem tlaku, bi bila nastala plast debela le približno 2-3 mm. In tako majhne količine ozona v zraku dejansko podpirajo življenje na Zemlji. Ozon ustvarja »zaščitni zaslon«, ki preprečuje močnim ultravijoličnim sončnim žarkom, ki so uničujoči za vsa živa bitja, da bi dosegli zemeljsko površje.
V zadnjih desetletjih je bilo veliko pozornosti namenjene pojavu tako imenovanih "ozonskih lukenj" - območij z bistveno zmanjšano vsebnostjo stratosferskega ozona. Skozi tak "puščajoč" ščit doseže površje Zemlje močnejše ultravijolično sevanje Sonca. Zato znanstveniki že dalj časa spremljajo ozon v ozračju. Leta 1930 je angleški geofizik S. Chapman za razlago stalne koncentracije ozona v stratosferi predlagal shemo štirih reakcij (te reakcije so se imenovale Chapmanov cikel, v katerem M pomeni vsak atom ali molekulo, ki odnaša presežek energije) :
O + O + M → O2 + M
O + O3 → 2O2
O3 → O2 + O.
Prva in četrta reakcija tega cikla sta fotokemični, potekata pod vplivom sončnega sevanja. Za razgradnjo molekule kisika na atome je potrebno sevanje z valovno dolžino, manjšo od 242 nm, medtem ko ozon razpade, ko se svetloba absorbira v območju 240-320 nm (slednja reakcija nas ravno ščiti pred močnim ultravijoličnim sevanjem, saj kisik ne absorbirajo v tem spektralnem območju). Preostali dve reakciji sta termični, tj. brez vpliva svetlobe. Zelo pomembno je, da ima tretja reakcija, ki vodi do izginotja ozona, aktivacijsko energijo; to pomeni, da lahko hitrost takšne reakcije povečamo z delovanjem katalizatorjev. Kot se je izkazalo, je glavni katalizator za razgradnjo ozona dušikov oksid NO. Nastaja v zgornjih plasteh atmosfere iz dušika in kisika pod vplivom najmočnejšega sončnega sevanja. Ko je v ozonosferi, vstopi v cikel dveh reakcij O3 + NO → NO2 + O2, NO2 + O → NO + O2, zaradi česar se njegova vsebnost v ozračju ne spremeni, stacionarna koncentracija ozona pa se zmanjša. Obstajajo tudi drugi cikli, ki vodijo do zmanjšanja vsebnosti ozona v stratosferi, na primer s sodelovanjem klora:
Cl + O3 → ClO + O2
ClO + O → Cl + O2.
Ozon uničujejo tudi prah in plini, ki v velikih količinah pridejo v ozračje ob vulkanskih izbruhih. Pred kratkim so domnevali, da je ozon učinkovit tudi pri uničevanju vodika, ki se sprošča iz zemeljske skorje. Kombinacija vseh reakcij nastajanja in razpada ozona vodi do tega, da je povprečna življenjska doba molekule ozona v stratosferi približno tri ure.
Menijo, da poleg naravnih obstajajo tudi umetni dejavniki, ki vplivajo na ozonski plašč. Znan primer so freoni, ki so viri atomov klora. Freoni so ogljikovodiki, v katerih so atomi vodika nadomeščeni z atomi fluora in klora. Uporabljajo se v hladilni tehniki in za polnjenje aerosolnih pločevink. Končno freoni vstopijo v zrak in se z zračnimi tokovi počasi dvigajo višje in višje ter končno dosežejo ozonski plašč. Freoni, ki se razgradijo pod vplivom sončnega sevanja, sami začnejo katalitično razgraditi ozon. Za zdaj še ni natančno znano, v kolikšni meri so freoni krivi za "ozonsko luknjo", kljub temu pa so že dolgo sprejeti ukrepi za omejitev njihove uporabe.
Izračuni kažejo, da se lahko v 60-70 letih koncentracija ozona v stratosferi zmanjša za 25%. Hkrati se bo povečala koncentracija ozona v prizemni plasti - troposferi, kar je prav tako slabo, saj so ozon in produkti njegovih pretvorb v zraku strupeni. Glavni vir ozona v troposferi je prenos stratosferskega ozona z zračnimi masami v nižje plasti. Vsako leto v prizemno plast pride približno 1,6 milijarde ton ozona. Življenjska doba molekule ozona v spodnjem delu atmosfere je veliko daljša – več kot 100 dni, saj je v prizemni plasti nižja jakost ultravijoličnega sončnega sevanja, ki uničuje ozon. Običajno je ozona v troposferi zelo malo: v čistem svežem zraku je njegova koncentracija v povprečju le 0,016 μg/l. Koncentracija ozona v zraku ni odvisna le od nadmorske višine, ampak tudi od terena. Tako je nad oceani vedno več ozona kot nad kopnim, saj tam ozon počasneje razpada. Meritve v Sočiju so pokazale, da je v zraku ob morski obali 20 % več ozona kot v gozdu 2 km od obale.
Sodobni ljudje vdihavamo bistveno več ozona kot njihovi predniki. Glavni razlog za to je povečanje količine metana in dušikovih oksidov v zraku. Tako vsebnost metana v ozračju od sredine 19. stoletja, ko se je začela uporaba zemeljskega plina, nenehno narašča. V ozračju, onesnaženem z dušikovimi oksidi, metan vstopi v zapleteno verigo transformacij s sodelovanjem kisika in vodne pare, katere rezultat lahko izrazimo z enačbo CH4 + 4O2 → HCHO + H2O + 2O3. Kot metan lahko delujejo tudi drugi ogljikovodiki, na primer tisti, ki jih vsebujejo avtomobilski izpušni plini med nepopolnim zgorevanjem bencina. Zaradi tega se je koncentracija ozona v zraku velikih mest v zadnjih desetletjih povečala za desetkrat.
Že od nekdaj velja, da se med nevihto koncentracija ozona v zraku močno poveča, saj strele spodbujajo pretvorbo kisika v ozon. Pravzaprav je porast nepomemben in se ne pojavi med nevihto, ampak nekaj ur pred njo. Med nevihto in nekaj ur po njej se koncentracija ozona zmanjša. To je razloženo z dejstvom, da pred nevihto pride do močnega navpičnega mešanja zračnih mas, tako da dodatna količina ozona prihaja iz zgornjih plasti. Poleg tega se pred nevihto poveča električna poljska jakost in ustvarijo se pogoji za nastanek koronske razelektritve na konicah različnih predmetov, na primer na konicah vej. To prispeva tudi k nastanku ozona. In potem, ko se razvije nevihtni oblak, se pod njim pojavijo močni dvigovalni tokovi zraka, ki zmanjšajo vsebnost ozona neposredno pod oblakom.
Zanimivo je vprašanje o vsebnosti ozona v zraku iglastih gozdov. Na primer, v tečaju anorganske kemije G. Remyja lahko preberete, da je "ozoniziran zrak iglastih gozdov" fikcija. Je to res? Seveda nobena rastlina ne proizvaja ozona. Toda rastline, zlasti iglavci, oddajajo v zrak veliko hlapnih organskih spojin, vključno z nenasičenimi ogljikovodiki razreda terpenov (veliko jih je v terpentinu). Tako na vroč dan bor sprosti 16 mikrogramov terpenov na uro za vsak gram suhe teže iglic. Terpene ne sproščajo samo iglavci, ampak tudi nekateri listavci, med drugim topol in evkaliptus. In nekatera tropska drevesa so sposobna sprostiti 45 mcg terpenov na 1 g suhe mase listov na uro. Posledično lahko en hektar iglastega gozda sprosti do 4 kg organske snovi na dan, listavcev pa približno 2 kg. Gozdno območje Zemlje je na milijone hektarjev in vse oddajajo na stotine tisoč ton različnih ogljikovodikov, vključno s terpeni, na leto. In ogljikovodiki, kot se je pokazalo na primeru metana, pod vplivom sončnega sevanja in ob prisotnosti drugih nečistoč prispevajo k nastanku ozona. Kot so pokazali poskusi, so terpeni v ustreznih pogojih res zelo aktivno vključeni v cikel atmosferskih fotokemičnih reakcij s tvorbo ozona. Ozon v iglastem gozdu torej sploh ni izmišljotina, ampak eksperimentalno dejstvo.
Ozon in zdravje.
Kako lepo se je sprehoditi po nevihti! Zrak je čist in svež, zdi se, da njegovi poživljajoči tokovi brez napora tečejo v pljuča. "Smrdi po ozonu," pogosto rečejo v takih primerih. “Zelo dobro za zdravje.” Je to res?
Včasih je ozon gotovo veljal za zdravju koristnega. Če pa njegova koncentracija preseže določeno mejo, lahko povzroči veliko neprijetnih posledic. Odvisno od koncentracije in časa vdihavanja povzroča ozon spremembe v pljučih, draženje sluznice oči in nosu, glavobol, vrtoglavico in znižan krvni tlak; Ozon zmanjšuje odpornost telesa na bakterijske okužbe dihalnih poti. Največja dovoljena koncentracija v zraku je le 0,1 μg/l, kar pomeni, da je ozon veliko nevarnejši od klora! Če več ur preživite v prostoru s koncentracijo ozona le 0,4 μg/l, se lahko pojavijo bolečine v prsnem košu, kašelj, nespečnost, zmanjša se ostrina vida. Če dlje časa vdihavate ozon v koncentraciji nad 2 mcg/l, so lahko posledice hujše - celo otrplost in upad srčne aktivnosti. Pri vsebnosti ozona 8-9 µg/l se v nekaj urah pojavi pljučni edem, ki je lahko usoden. Toda tako majhne količine snovi je običajno težko analizirati z običajnimi kemičnimi metodami. Na srečo človek čuti prisotnost ozona že pri zelo nizkih koncentracijah - okoli 1 µg/l, pri katerih škrobni jod papir še ne bo pomodrel. Nekaterim ljudem je vonj ozona v nizkih koncentracijah podoben vonju klora, drugim - žveplovemu dioksidu, tretjim - česnu.
Ni samo ozon strupen. Z njegovo udeležbo v zraku na primer nastane peroksiacetilnitrat (PAN) CH3-CO-OONO2 - snov, ki ima močan dražilni učinek, tudi solzeče, otežuje dihanje, v višjih koncentracijah pa povzroča paralizo srca. PAN je ena izmed sestavin tako imenovanega fotokemičnega smoga, ki nastane poleti v onesnaženem zraku (beseda izhaja iz angleških smoke - dim in fog - megla). Koncentracija ozona v smogu lahko doseže 2 µg/l, kar je 20-krat več od najvišje dovoljene vrednosti. Upoštevati je treba tudi, da je skupni učinek ozona in dušikovih oksidov v zraku desetkrat močnejši od vsake snovi posebej. Ni presenetljivo, da so lahko posledice takšnega smoga v velikih mestih katastrofalne, še posebej, če zraka nad mestom ne prepiha »prepih« in nastane stagnirno območje. Tako je leta 1952 v Londonu zaradi smoga v nekaj dneh umrlo več kot 4000 ljudi. In smog v New Yorku leta 1963 je ubil 350 ljudi. Podobne zgodbe so bile v Tokiu in drugih velikih mestih. Niso samo ljudje tisti, ki trpijo zaradi atmosferskega ozona. Ameriški raziskovalci so na primer dokazali, da se na območjih z visoko vsebnostjo ozona v zraku življenjska doba avtomobilskih gum in drugih izdelkov iz gume znatno skrajša.
Kako zmanjšati vsebnost ozona v prizemni plasti? Zmanjšanje izpusta metana v ozračje je komaj realno. Ostaja še en način - zmanjšati emisije dušikovih oksidov, brez katerih se krog reakcij, ki vodijo v ozon, ne more nadaljevati. Tudi ta pot ni enostavna, saj dušikovih oksidov ne izpuščajo le avtomobili, ampak (predvsem) termoelektrarne.
Viri ozona niso samo na ulici. Nastaja v rentgenskih prostorih, v prostorih za fizioterapijo (njegov vir so živosrebrne kvarčne žarnice), med delovanjem kopirne opreme (kopirni stroji), laserski tiskalniki (tukaj je vzrok za nastanek visokonapetostna razelektritev). Ozon je neizogiben spremljevalec proizvodnje perhidrolnega in argonoobločnega varjenja. Za zmanjšanje škodljivih učinkov ozona je potrebna prezračevalna oprema v bližini ultravijoličnih žarnic in dobro prezračevanje prostora.
In vendar je komaj pravilno, da ozon štejemo za brezpogojno škodljivega za zdravje. Vse je odvisno od njegove koncentracije. Študije so pokazale, da svež zrak zelo slabo sveti v temi; Razlog za sijaj so oksidacijske reakcije, ki vključujejo ozon. Sijaj smo opazili tudi pri stresanju vode v bučko, v katero smo predhodno vnesli ozoniziran kisik. Ta sij je vedno povezan s prisotnostjo majhnih količin organskih nečistoč v zraku ali vodi. Ko se je svež zrak pomešal s človekovim izdihom, se je intenzivnost sijaja povečala za desetkrat! In to ni presenetljivo: v izdihanem zraku so našli mikronečistoče etilena, benzena, acetaldehida, formaldehida, acetona in mravljinčne kisline. Ozon jih "poudari". Obenem se »zastareli«, tj. popolnoma brez ozona, čeprav zelo čist, zrak ne daje sijaja in ga človek zazna kot "plesni". Takšen zrak lahko primerjamo z destilirano vodo: je zelo čist, praktično brez primesi, pitje pa je škodljivo. Popolna odsotnost ozona v zraku je očitno neugodna tudi za človeka, saj povečuje vsebnost mikroorganizmov v njem in vodi do kopičenja škodljivih snovi in neprijetnih vonjav, ki jih ozon uničuje. Tako postane jasna potreba po rednem in dolgotrajnem prezračevanju prostorov, tudi če v njih ni ljudi: navsezadnje ozon, ki vstopi v prostor, v njem ne ostane dolgo - delno razpade, v veliki meri pa se usede. (adsorbira) na stene in druge površine. Koliko ozona naj bo v prostoru, je težko reči. V minimalnih koncentracijah pa je ozon verjetno potreben in koristen.
Tako je ozon tempirana bomba. Če bo pravilno uporabljen, bo služil človeštvu, a takoj ko bo uporabljen v druge namene, bo takoj povzročil globalno katastrofo in Zemlja se bo spremenila v planet, kot je Mars.
Obdelava vode s plinastim ozonom O 3 je obetavna sodobna smer čiščenja vode. Ozon lahko zaradi svojih visokih oksidacijskih lastnosti učinkovito uničijo patogeno bakterijsko mikrofloro in oksidirajo številne organske spojine in kovine z njihovo kasnejšo razgradnjo.Ozonizacija vode je obetavna pri čiščenju pitne vode in vode za gospodinjstvo, dezinfekciji odpadne vode, reciklirane vode bazenov, dezinfekciji vode, namenjene polnjenju, odstranjevanju neprijetnih okusov in vonjav iz vode ter za dezinfekcijo. industrijskih in gospodinjskih prostorov ter dezodoracija zraka. Ta članek obravnava glavne vidike uporabe ozona pri čiščenju vode.
Čiščenje in pridobivanje pitne vode, primerne za uživanje, je pomembna stopnja priprave vode. Po tradicionalni shemi čiščenje vode običajno vključuje tri glavne stopnje: mehansko filtracijo, odstranitev suspendiranih in koloidnih snovi iz vode (bistrenje) in dezinfekcijo. Odstranjevanje suspendiranih snovi iz vode se doseže z uporabo sorpcijskih metod in filtrov. Za bistrenje vode se uporablja kemična obdelava s posebnimi koagulanti (aluminijev sulfat Al(SO 4) 3 18H 2 O, železov sulfat FeSO 4 7H 2 O, železov klorid FeCl 3 6H 2 O), ki lahko obarjajo koloidne delce železa ali aluminija. hidroksidi z adsorbiranimi koloidi kontaminantov, velikosti do 0,07 mikronov. Za dezinfekcijo vode se uporablja obdelava s klorom in njegovimi derivati (klorov oksid (ClO 2), natrijev hipoklorid NaOCl), ki vsebujejo 95-97 % aktivnega klora. Nujna je uporaba treh različnih procesov zaplete tehnologijo čiščenja vode. Zaradi znatnih stroškov sorpcijskih naprav in zapletenosti tehnološkega procesa obdelave vode je pogosto treba zanemariti izboljšanje okusa vode. Ko je voda obdelana s koagulanti, v vodo vstopijo dodatni onesnaževalci; kloriranje pa povzroči nastanek strupeno nevarnih organoklorovih spojin v vodi.
Alternativa kloriranju pri obdelavi vode je obdelava vode z ozonom. Ozon je modri plin z značilnim ostrim vonjem, ki nastane, ko je zrak izpostavljen električni razelektritvi ali ultravijoličnemu sevanju. Pri nizkih temperaturah (-112 °C) se ozon spremeni v temno modro tekočino, pri globljem ohlajanju pa tvori temno vijolične kristale. Tm – 192,7 0 C, T bp – 111,9 0 C, topnost v vodi pri 20 0 C 0,0394 mas. % (Tabela 1).
Tabela 1
Osnovne fizikalne in kemijske lastnosti ozona
Ime parametra
Pomen
Molekulska teža
49 g/mol
Vrelišče (1 atm.)
Tališče (1 atm.)
Gostota (0 °C)
Topnost v vodi (20 °C)
0,0394 mas. %
Ozon se uporablja pri čiščenju in čiščenju pitne vode, pripravi vode za proizvodnjo piva in brezalkoholnih pijač, sterilizaciji steklenih in plastičnih steklenic iz polietilen tereftalata (PET), ozonizaciji vode v bazenih, dezinfekciji odpadne vode, industrijskih , domačih prostorih in javnih površinah itd.
Po stopnji nevarnosti spada ozon v prvi razred škodljivih snovi.
- Najvišja posamezna najvišja dovoljena koncentracija (MPC m.r.) ozona v atmosferskem zraku naseljenih območij je 0,16 mg/m³.
- Povprečna najvišja dnevna dovoljena koncentracija (MDK) ozona v atmosferskem zraku naseljenih območij je 0,03 mg/m³.
- Najvišja dovoljena koncentracija (MPC) ozona v zraku delovnega območja je 0,1 mg/m³.
Kemijske lastnosti ozona
Po kemijski strukturi je ozon molekula, sestavljena iz treh atomov kisika z vezno dolžino 1,278 A 0 in veznim kotom 116,8 0 (slika 1). Molekula ozona je polarna, njen dipolni moment je 0,534 D.
riž. 1. Kemična zgradba molekule ozona
Ozon je nestabilen in pri normalnih pogojih (20 0 C, 1 atm.) spontano prehaja v kisik O 2 z nastajanjem atomskega kisika in sproščanjem toplote. Razpolovna doba ozona v zraku je 30-40 minut. Zvišanje temperature in znižanje tlaka povečata hitrost prehoda ozona O 3 v O 2. Pri visokih koncentracijah O 3 je proces lahko eksploziven. Stik ozona že z majhnimi količinami organskih snovi, nekaterih kovin ali njihovih oksidov pospeši pretvorbo O 3 v O 2.
Ozon je močan oksidant in s številnimi nenasičenimi organskimi spojinami tvori ozonide - vmesne produkte adicije ozona pri dvojni vezi. Primarni produkt interakcije ozona je malozoid (1,2,3-trioksolan), ki je nestabilen in razpade na karbonil oksid [>C=O-O]* in karbonilne spojine - aldehide ali ketone (shema).
Shema. Reakcija ozoniranja nenasičenih organskih spojin (Krigejeva reakcija)
Reakcija ozoniranja je izjemno eksotermna; odvečna toplota se izgubi zaradi elektronskega vibracijskega vzbujanja nastalih reakcijskih produktov in jo delno razpršijo molekule topila. Vmesni produkti, ki nastanejo pri tej reakciji, ponovno reagirajo v drugačnem zaporedju in tvorijo ozonide. V prisotnosti snovi, ki lahko reagirajo s karbonil oksidom (alkoholi, kisline), se namesto ozonidov tvorijo različne peroksidne spojine.
Ozon aktivno reagira z aromatičnimi organskimi spojinami, reakcija pa poteka z uničenjem aromatskega jedra in brez njega. Pri reakciji ozona s fenoli nastanejo spojine s poškodovanim aromatskim obročem (kot je kinoin), pa tudi nizkotoksični derivati nenasičenih aldehidov in kislin.
Pri reakcijah z nasičenimi ogljikovodiki, ki se pojavljajo v vodnih raztopinah, ozon najprej razpade, da nastane atomski kisik, ki sproži verižno oksidacijo. V tem primeru izkoristek produktov oksidacije ustreza ravni porabe ozona.
Ozon lahko medsebojno deluje tudi z alkalijskimi kovinami - natrijem (Na), kalijem (K), rubidijem (Rb), cezijem (Cs), s tvorbo vmesnega nestabilnega kompleksa kovinskega kationa z ozonom [M + - O - H + - O 3 - ] *, zaradi nadaljnje vodne hidrolize katere nastane zmes ozonida MO 3 in vodnega hidroksida alkalijske kovine (MOH).
Baktericidni učinek ozona
Ozon je močno razkužilo, ki ima izrazit baktericidni učinek na številne patogene mikroorganizme, bakterije in viruse. Pri ocenjevanju učinkovitosti ozona se uporablja kriterij C·T, to je zmnožek koncentracije reagenta in časa njegovega delovanja. Po dezinfekcijskem učinku je ozon boljši od klora, kloramina in klorovega dioksida (Tabela 3).
Mehanizem baktericidnega delovanja ozona je razložen z njegovo visoko oksidativno sposobnostjo. Ozon deluje kot močan oksidant na celično steno membran mikroorganizmov, čemur sledi prodiranje v celico in oksidacija vitalnih biološko aktivnih spojin (proteini, encimi, DNA, RNA). Zaradi svojih oksidativnih lastnosti ozon uničuje bakterije 3-5-krat učinkoviteje kot UV-sevanje in 500-1000-krat močneje kot klor.
Tabela 3
vrednost C· T kriterij za različne mikroorganizme (99% inaktivacija pri 5-25 °C. C· T kriterij (Mb/l· min))
- Vrsta mikroorganizmov; Ozon; prosti klor; kloramin; Klorov dioksid
- Escherichia coli E. coli; 0,02; 0,03-0,05; 95-180; 0,4-0,75
- poliovirusi; 0,1-0,2; 1,1-2,5; 770-3470; 0,2-6,7
- retrovirusi; 0,006-0,06; 0,01-0,05; 3810-6480; 0,2-2,1
- Gardialamblia (ciste); 0,5-0,6; 47-150; -; -
- Varuhi; 1,8-2,0; 30-630; 1400; 7,2-18,5
- Cryptosporidium; 3,2-18,4; 7200; 7200; 78
Ozon je pri ubijanju E. coli učinkovitejši od klora Echerihiacoli, ki ga v vodi uniči ozon 1000-krat hitreje kot klor. Čas, potreben za uničenje Endamoeba hystolica z rezidualno koncentracijo ozona v vodi 0,3 mg / l je 2-7,5 minut, za klor (rezidualna koncentracija 0,5-1 mg / l) pa 15-20 minut. Polio virus uniči ozon v 2 minutah pri koncentraciji 0,45 mg/l, pri obdelavi vode s klorom v koncentraciji 1 mg/l pa to zahteva 3 ure.
Metode za pridobivanje ozona
Kemična metoda izvedemo z reakcijo bizmutovega pentafluorida (BiF 5) in drugih močnih oksidantov z vodo. Ozon nastaja tudi v številnih procesih, ki jih spremlja sproščanje atomskega kisika, na primer med razgradnjo peroksidov, oksidacijo fosforja itd.
Elektrolitska metoda izvajajo v posebnih elektrolitskih celicah. Kot elektrolite se uporabljajo raztopine različnih kislin in njihovih soli (H 2 SO 4 HClO 4 NaClO 4 KclO 4). Do nastanka ozona pride zaradi razgradnje vode in tvorbe atomarnega kisika, ki ob dodajanju molekule kisika tvori ozon O 3 . Ta metoda omogoča pridobivanje ozona z visokimi izkoristki, vendar zaradi svoje energijske intenzivnosti ni v široki uporabi.
Fotokemična metoda temelji na disociaciji molekule kisika pod vplivom kratkovalovnega UV sevanja z energijo 4,13 - 6,20 eV. Podoben proces poteka v višjih plasteh atmosfere, kjer pod vplivom sončnega sevanja nastajajo t.i. ozonski plašč. Metoda je našla uporabo v medicini, prehrambeni industriji itd.
Elektrosinteza v plinski razelektritvi-bariera, površinska in impulzna, je postala najbolj razširjena v industrijskih in domačih napravah za proizvodnjo ozona. Ta metoda omogoča pridobivanje visokih koncentracij ozona z visoko produktivnostjo in nizko porabo energije opreme.
Uporaba ozona pri čiščenju vode
Ozonizacija vode pri čiščenju vode ima vrsto nespornih prednosti v primerjavi z drugimi obstoječimi tehnologijami, vključno s kloriranjem vode (tabela 2). Pomembna prednost je nezmožnost ozona, za razliko od klora, za substitucijske reakcije z organskimi spojinami, ki vodijo v nastanek stranskih strupenih organoklorovih spojin - trihalometanov, katerih glavni predstavnik je kloroform (CHCl 3). Znano je, da lahko v procesu kloriranja vode nastane do 50 različnih spojin, ki vsebujejo halogene, med drugim bromoform (CHBr 3), dibromoklorometan (CHBr 2 Cl), bromodiklorometan (CHBrCl 2) in kloroform (CHCl 3).
Ozoniranje pri čiščenju vode ne vodi do nastajanja trihalometanov in zaradi visoke oksidacijske sposobnosti ozona omogoča hkratno bistrenje vode in usedanje nečistoč ter odstranjevanje okusov in vonjav med dezinfekcijo. V številnih značilnostih, vključno s kompleksnim indikatorjem toksičnosti in mutagenega delovanja, je ozon boljši od klora in njegovih derivatov (tabela 2).
Tabela 2
Primerjalne značilnosti ozoniranja in kloriranja vode
Parameter
Kloriranje vode
Ozonizacija vode
Koncentracija prostega preostalega reagenta
ne manj kot 0,5 mg/l
ne več kot 0,3 mg/l
pH vrednost
Motnost
Do 2 mg/l
do 7 mg/l
Čas stika reagenta z vodo
vsaj 30 minut
do 5 minut
Uničenje E.coli
Uničenje virusov
Celovit indikator toksičnosti in mutagenega delovanja
3-kratno povečanje
zmanjšanje za 2,5-krat
Organske spojine
nastajanje trihalometanov, kloraminov, dioksinov itd.
uničenje organskega ogljika, vklj. organoklorove spojine
Raztopljeni kisik
Znižaj do 50%
povečanje do 100%
Kovinski ioni: Fe, Mn, Al, Pb, Hg itd.
so shranjeni
oksidira do 90%
Ko se ozon raztopi v vodi, razpade na O 2 s tvorbo reaktivnega atomarnega kisika, ki lahko hitro oksidira organska in anorganska onesnaževala in jih iz raztopljenega stanja prenese v suspenzije, ki jih zadrži sorpcijski filter.
V skladu s sodobno tehnologijo se proizvodnja ozona izvaja na mestu porabe v posebnih napravah - generatorjih ozona, ki ustvarjajo ozon med visokofrekvenčnim koronskim praznjenjem v toku posušenega zraka. Poraba energije pri tem procesu je 5–15 kW/kg O 3 ·h, koncentracija ozona v mešanici zrak-ozon je 50–250 g/m 3 . Nastali ozon se nato z mehurčenjem in vbrizgavanjem dovaja v sistem za obdelavo vode.
V velikih industrijskih obratih se najpogosteje uporablja barbotanje mešanice ozona in zraka. skozi prečiščeno vodo. Hkrati je pomembna tehnološka faza zagotoviti enak kontaktni čas ozonskega plina z vodo, pa tudi njegovo enakomerno vnos v celotno količino obdelane vode.
V napravah z relativno nizko produktivnostjo ozona je metoda vbrizgavanja najpogostejša in zelo učinkovita. Prečiščena voda, ki gre skozi injektor, v njej ustvari vakuum, pri katerem v vodo vstopi zahtevana količina ozona. Intenzivno mešanje v injektorju razprši ozon v drobne mehurčke z veliko kontaktno površino, kar poveča hitrost raztapljanja ozona v vodi.
Za boljše raztapljanje ozona v vodi se uporabljajo pulzacijske kolone s posebnimi razdelilnimi ploščami. Mešanica ozona in zraka vstopi v spodnji del stolpca; Izmenično gibanje vode, ki ga ustvarja poseben pulzator in razdelilne plošče, zagotavljajo njeno razpršitev v mehurčke danih optimalnih velikosti, ki se dvigajo v nasprotnem toku proti toku vode navzdol. Posledično je dosežena visoka stopnja disperzije ozona z visoko specifično produktivnostjo aparata.
Po raztapljanju ozona v vodi je treba zagotoviti določen čas njegovega stika z vodo, da se izvedejo kemične oksidacijske reakcije in iz vode odstranijo presežne količine nezreagiranega ozona in produktov razgradnje. V ta namen se uporablja kontaktna filtrirna naprava, iz katere se voda usmeri v ogleni filter na osnovi aktivnega oglja za katalitično oksidacijo. produkti interakcije ozona z organskimi spojinami z njihovim naknadnim zadrževanjem v filtru in uničenje ozona (slika 2).
riž. 2. Shematski diagram ozonizatorja vode
Uporaba sodobnih naprednih tehnologij za proizvodnjo ozona omogoča ustvarjanje majhnih, zanesljivih, visoko zmogljivih in enostavnih za nastavitev in vzdrževanje sistemov ozonizacije sanitarne vode, opremljenih z elektronskimi krmilnimi senzorji in krmilnimi sistemi (slika 3).
riž. 4. Shematski prikaz sistema za ozonizacijo vode. OB – sušilnik zraka; O1 – ozonator; DU1, DU2 – senzorji nivoja; DO – destruktor ozona; N – črpalka; OK1 – povratni ventil ozonskega voda; M – manometer; I – injektor; YA1 – elektromagnetni ventil.
Sklepi
Prednosti ozona v primerjavi s tehnologijo kloriranja vključujejo naslednje dejavnike:
- Ozon je okolju prijazen in ne proizvaja strupenih stranskih produktov.
- Preostali ozon se hitro spremeni v kisik.
- Ozon se proizvaja na mestu čiščenja vode in ne zahteva skladiščenja ali transporta.
- Ozon uniči vse znane mikroorganizme: viruse, bakterije, glive, spore, ciste, praživali itd. 300-1000-krat hitreje kot druga razkužila.
- Na ozon odporne oblike mikrobov ne obstajajo in se ne morejo pojaviti.
- Obdelava vode z ozonom traja nekaj minut.
- Ozoniranje iz vode odstrani neprijetne vonjave in okuse.
- Hkrati z dezinfekcijo poteka bistrenje vode.
Slabosti ozona vključujejo zapletenost njegove proizvodnje na mestu neposredne uporabe, potrebo po znatnih stroških energije, povezanih z njegovo proizvodnjo, pa tudi nezadostno visoko stabilnost ozona v vodi, ki se v njej razgradi v 30-40 minutah.
Literarni viri:
Mosin O.V.. Uporaba ozona pri čiščenju vode // Vodovod, 2011, ; 4, str. 47-49.
» članek Ozon za čiščenje vode. Kje bomo govorili o uporabi tega plina za ustvarjanje čistejše vode.
Ozon za čiščenje vode je časovno preizkušena tehnologija. Evropske države že več kot stoletje uporabljajo ozoniranje kot prednostno metodo čiščenja vode. Prva država, ki je uporabila ozon za čiščenje vode, je bila Francija.
Glavna razlika med ozonom kot reagentom pri čiščenju vode v primerjavi z drugimi snovmi je, da se proizvaja iz okoliškega zraka, ne da bi bilo treba kupiti nadomestne elemente, reagente itd.
Ozon je aktivna kemična spojina, sestavljena iz treh atomov kisika. Ta spojina je stabilna; tretji dodatni atom kisika se zlahka odcepi in deluje superaktivno z okoliškimi spojinami. Na tem pojavu temelji tehnologija ozoniranja vode.
Ozon zaradi svoje povečane reaktivnosti oksidira organske nečistoče, jih naredi netopne, spodbuja njihovo širjenje in s tem poveča učinkovitost naslednjih stopenj čiščenja vode, kjer se te spojine filtrirajo.
Ozon oksidira v vodi raztopljene železo, mangan in težke kovine, jih pretvori v netopno stanje in olajša njihovo nadaljnje odstranjevanje.
Brez neprijetnih ali škodljivih vonjav. Če sta vodikov sulfid in amoniak prisotna v vodi, potem ozonizacija vode popolnoma odstrani te snovi.
Ozon ima delni učinek proti vodnemu kamnu. Ozonizacija vode upočasni nastajanje kalcijevih soli na stenah vročega cevovoda in delno odstrani obstoječe usedline krede.
Sodobne tehnologije ozoniranja so zaradi uporabe polprevodnikov vse cenejše. Ker je učinek ozoniranja kompleksen, je pri čiščenju vode za celotno hišo v mnogih primerih, zlasti pri "težki" vodi, možno vključiti to tehnologijo.
Primer organizacije čiščenja vode z uporabo ozona.
To ni recept za vse tegobe, je poskus pokazati z zgledom, kako se lahko ozoniranje uporablja pri čiščenju vode.
Predpostavimo situacijo: izvirna voda vsebuje 2,5 mg/l raztopljenega železa, oksidabilnost 12 mgO2/l, motnost 5 mg/l, obarvanost 30 stopinj. To pomeni, da je voda motna, zelena in vsebuje veliko organskih snovi in železa. Ni najslabša situacija, s tem se lahko spopade preprost odstranjevalec železa. Ampak recimo, da bomo uporabili cenejše ozoniranje.
Obstaja pravilo, da je odmerek ozona za obdelavo vode za odstranjevanje železa 0,14*, kar je 0,14-kratnik koncentracije železa. Na žalost se ne spomnim vira. V našem primeru bo doza ozona 0,35 mg/l. Ker je oksidabilnost kompleksen kazalnik in se pravzaprav ne ve, kaj je tam, lahko dozo ozona natančno izračunamo le v praksi. V našem primeru je potrebnih približno 2 mg/l ozona. V skladu s tem 1000 litrov zahteva 2000 miligramov ozona ali 2 grama. 1000 litrov je količina vode, ki jo dnevno potrebuje družina 3-4 članov.
Ozonizatorje delimo po produktivnosti: 1 g/uro, 2 g/uro, 4 g/uro itd. Več gramov na uro, dražje je. Predpostavimo, da smo izbrali ozonizator 1 g/uro. To pomeni, da bo obdelava vode po našem primeru trajala 2 uri. Kako bomo dobavljali ozon? To je zelo preprosto - uporabite kompresor, da ga prepihnete v zalogovniku. Mehurčki zraka, nasičeni z ozonom, prehajajo skozi vodo, oksidirajo vse, kar se lahko oksidira, in počijo na površini vode. Neuporabljen ozon je treba odstraniti, saj je ozon precej strupen. Za to je na izhodu rezervoarja nameščen filter z aktivnim ogljem, ki razgrajuje ozon. Vse to naj bo v dobro prezračenem prostoru.
Voda se usede, železo in organske snovi postanejo večje in jih je mogoče filtrirati na naslednji stopnji čiščenja vode z uporabo običajnih kartušnih mehanskih filtrov. Filter z aktivnim ogljem in mrežasti pralni filter ne bosta odveč. Ampak to je že treba gledati z vidika denarja.
Torej, potrebujete: ozonator s kapaciteto 1 g/uro, rezervoar za shranjevanje 1000 litrov, kompresor za dovod mešanice ozona in zraka v rezervoar, sistem za dovod ozona v rezervoar, grobi filter, črpanje postaja, mehanski filtri za čiščenje vode.
Shematično bo to videti takole:
Torej, voda prihaja iz vodnjaka in se zbira v posodo. Nivo vode nadzira plovec iz potopne črpalke in elektromagnetni ventil. Vse je povezano s časovnikom, ki omogoča zbiranje vode samo ponoči. Drugi časovnik vključuje ozonizator in kompresor za dovajanje mešanice zraka in ozona v vodo. Časovnik je programiran za 2 uri delovanja. Po 2 urah izklopi ozonator in kompresor.
V teh 2 urah vstopata ozon in zrak v rezervoar skozi cev z luknjami, da enakomerno dovajata ozon po celotni prostornini rezervoarja. Železo oksidira, organske snovi oksidirajo, povečajo se in izločijo.
Nato prebivalci hiše vstanejo, odprejo pipo - in črpalna postaja dovaja že prečiščeno vodo skozi vrsto filtrov (na primer mrežica 100 mikronov, valovita kartuša 30 mikronov, kartuša 5 mikronov in filter z aktivnim ogljem) v hiša.
Zaradi tega voda ne vsebuje železa in ima veliko manj organskih snovi.
Da bi bilo odstranjevanje nečistoč popolnejše, se čas ozoniranja preprosto poveča. Postopek eksperimenta je preprost - v rezervoar smo natočili vodo, prepuščali ozon 2 uri, uro, 3 ure, 4 ure in primerjali videz vode.
Ne smemo pozabiti, da se v onesnaženi vodi ozon skoraj popolnoma razgradi in postane varen za človeka v 20 in seveda v 30 minutah. To pomeni, da lahko pijete vodo šele po tem času.
Štejemo čas: rezervoar se začne polniti ob enih zjutraj. Polnjenje rezervoarja 2 uri - 3 zjutraj. Čas za uničenje ozona v vodi je 30 minut. 3.30 - voda je pripravljena za uporabo.
Stroški projekta so minimalni, edini zamenljivi elementi so vložki za mehansko čiščenje ogljikove filtracije, ki bi bili prisotni v vsaki shemi priprave vode - tako z ozonom kot brez njega. Ni drugih zamenljivih elementov ali potrošnega materiala - ni zamenjave katalitičnega polnila, ni stroškov za kalijev permanganat ali sol.
Kje dobite ozonizatorje? Predvsem od tistih podjetij, ki se ukvarjajo z bazeni. Povedali vam bodo in pokazali ter morda tudi vgradili.
Tako je ozoniranje s pravilnim pristopom celovito čiščenje vode.
Na podlagi gradiva iz http://voda.blox.ua/2008/10/Kak-vybrat-filtr-dlya-vody-34.html