ОЗОН И ОЗОНИРОВАНИЕ, КАК СОВРЕМЕННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ ПОЛИГОНОВ - Очистка фильтрата полигона твердых бытовых отходов (биологические методы с химическим окислением)

В природных условиях все мы чувствовали "свежести" после сильной грозы. Это и есть озон, образующийся при молниях - высоковольтных электрических разрядах. Озон (от греческого оzon - пахнущий) - газ голубого цвета с резким запахом, сильный окислитель. Озон аллотроп кислорода. Молекулярная формула O3. Тяжелее кислорода в 2,5 раза. Молекулы этого газа состоят из атомов кислорода. Кислород, которым мы дышим, имеет формулу O2 т. е состоит из двух атомов, а озон имеет формулу O3 и благодаря этому "лишнему" атому кислорода озон является сильным окислителем, способным бороться с молекулами загрязнений. Благодаря тому, что озон является газом, он способен проникать не только в труднодоступные места, но и в толщу пористых материалов. Это свойство позволяет ему эффективно бороться как с самими молекулами запаха, так и с опасными для здоровья человека микроорганизмами и плесенью, питающимися источниками загрязнений.

Используется для обеззараживания воды и воздуха. Образуется из молекулярного кислорода (O2) при электрическом разряде или под действием ультрафиолетового излучения. При попадании солнечных лучей, в капле воды кислород преобразуется в озон. Озон является сильным окислителем. Здесь кроются его положительные и вредоносные свойства. Все зависит от концентрации, т. е. от процентного соотношения содержания озона в воздухе. Действие его подобно огню. В малых количествах он поддерживает и оздоравливает, в больших количествах - может погубить. Озон реагирует с большинством органических и неорганических веществ. В процессе реакций образуется кислород, вода, оксиды углерода и высшие оксиды других элементов. Все эти продукты не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию концерагенных веществ в отличие от соединений хлора и фтора. Концентрации озона, создаваемые бытовым озонатором приводят к образованию безвредных соединений в жилых помещениях. В результате озонирования помещения происходит увеличение содержания кислорода в воздухе и очистка от вирусов и бактерий. Большинство компонентов, окружающих нас соединений, реагируют с озоном, приводя к образованию безвредных соединений. Большинство из них распадаются на углекислый газ, воду и свободный кислород. В ряде случаев образуются неактивные (безвредные) соединения (оксиды). Есть еще так называемые нереагентные вещества - оксиды титана, кремния, кальция и т. д. Они в реакцию с озоном не вступают. Озон уничтожает все известные микроорганизмы: бактерии, вирусы, простейших, их споры, цисты и т. д.; при этом озон на 51% сильнее хлора и действует в 15-20 раз быстрее. в 300-600 раз сильнее хлора.

Озон - O3, аллотропная форма кислорода, являющаяся мощным окислителем химических и других загрязняющих веществ, разрушающихся при контакте. В отличие от молекулы кислорода, молекула озона состоит из трех атомов и имеет более длинные связи между атомами кислорода. По своей реакционной способности озон занимает второе место, уступая только фтору. Озон может существовать во всех трех агрегатных состояниях. При нормальных условиях озон - газ голубоватого цвета. Температура кипения озона - 112 С, а температура плавления составляет - 192 С. Озон, используемый для озонирования, получают из атмосферного воздуха в аппаратах, называемых озонаторами, в результате воздействия на него электрического заряда, сопровождающегося выделением озона.

Молекулы озона являются нестабильными. Спустя небольшой интервал времени после образования, молекула озона распадается, возвращаясь в свое естественное состояние: молекулу кислорода, состоящую из двух атомов. При этом остаются свободные атомы кислорода, которые агрессивно стремятся присоединиться к любым инородным частицам, содержащимся в воде. При этом вода оказывается той средой, в которой бактерии и прочие органические примеси легко разлагаются под действием этих свободных атомов кислорода. Благодаря этому, озон оказывается очень сильным окислителем, и его дезинфицирующие свойства во много раз сильнее других распространенных дезинфекторов, таких как хлор. Предпочтительность использования озона в индустрии подготовки питьевой воды, обусловлена также тем фактом, что озон, в отличие от хлора, не оставляет никакого запаха, полностью разлагаясь на кислород. Прозрачная и чистая ключевая вода и воды горных рек, малозагрязненные посторонними примесями, требуют примерно 0,5 мг/л озона. Вода, поступающая из открытых водохранилищ, может вызывать расход озона до 2 мг/л. Средняя доза озона составляет 1 мг/л. Продолжительность контакта озоно-воздушной смеси с обрабатываемой водой колеблется от 5 до 15 минут сообразно с типами установок и их производительностью, (при повышении температуры время контакта увеличивается). По своей сути очистка воды озоном эквивалентна многократно ускоренной процедуре природной очистки воды, протекающей в естественных условиях под действием кислорода воздуха и солнечного излучения. Озон очень сильный окислитель, его окислительный потенциал -- 2,06 В.

Таким образом, одним из наиболее сильных окислителей, уничтожающих бактерии, споры и вирусы, является озон. Механизм обеззараживания воды озоном основан на его способности инактивировать сложные органические вещества белковой природы, содержащиеся в животных и растительных организмах. При озонировании, одновременно с обеззараживанием происходит обесцвечивание воды, а также ее дезодорация и улучшение вкусовых качеств. Озонирование - это прежде всего технология очистки, основанная на использовании газа озона -- сильного окислителя. Озонатор вырабатывает озон из кислорода, содержащегося в атмосферном воздухе. При производстве озона необходимо удалять влагу из воздуха, иначе в озонаторе будет образовываться азотная кислота. После взаимодействия с загрязняющими химическими и микробиологическими веществами озон превращается в обычный кислород. Озонирование, применение озона для проведения реакций окисления, но главным образом для обработки воздуха и воды с целью их обеззараживания и устранения дурного запаха. Для стерилизации воды ее насыщают озонированным воздухом в специальных резервуарах -- стерилизаторах; большое достоинство метода -- отсутствие каких-либо остаточных веществ в воде. Озонирование представляет собой единственный современный метод обработки воды, который действительно универсален, поскольку он проявляет свое действие одновременно в бактериологическом, физическом и органолептическом отношении.

Поэтому к преимуществам озонирования следует отнести:

    - озон уничтожает все известные микроорганизмы: вирусы, бактерии, грибки, водоросли, их споры, цисты простейших и т. д.; - не существует и не может возникнуть устойчивых к озону форм микробов; - остаточный озон стерилизует поверхность; - озон действует очень быстро -- в течение секунд; - озон удаляет неприятные запахи и привкус; - озонирование не придает дополнительных вкусов и запахов; - озонирование не изменяет кислотность воды и не удаляет из нее необходимые человеку вещества; - остаточный озон быстро превращается в кислород; - озон вырабатывается на месте, не требуя хранения и перевозки; - озон уничтожает микроорганизмы в 300-3000 раз быстрее, чем любые другие дезинфекторы.

Наряду с несомненными преимуществами, как наиболее эффективного, комплексного и естественного реагента, у озона есть и недостатки. Метод озонирования намного дороже традиционного хлорирования воды. Озонирование не может быть единственным универсальным методом очистки воды, избавляющим ее от всех возможных загрязнений, и является только одной из ступеней водоподготовки. Кроме того, применение озона накладывает некоторые технологические ограничения.

Во-первых, из-за насыщения воды озоно-воздушной смесью она приобретает высокую окислительную способность и становится коррозионно-активной. Особенно коррозионная активность может возрасти при повышении температуры или снижения давления в системе, при этом падает растворимость кислорода в воде. Это требует использования оборудования и материалов, стойких к озону - трубы из ПВХ или нержавеющей стали.

Во-вторых, озонирование -- это процесс, требующий определенного состава оборудования:

    - озоногенератор, в котором осуществляется выработка озона из воздуха или кислорода; - система введения озона в воду и его смешения; - реактор -- емкость, в которой за счет перемешивания и выдержки обеспечивается необходимое время реакции озона с водой; - деструктор озона для удаления остаточного не прореагировавшего озона; - приборы контроля озона в воде и воздухе.

К тому же это оборудование надо размещать в отдельном помещении с вентиляцией, эксплуатировать, выполняя необходимые профилактические мероприятия.

В-третьих, существуют ограничения по количеству озона в воде (доза остаточного озона -- не более 0,1 мг/л) и в воздухе (ПДК озона в помещении, где работают люди, -- не более 0,1 мкг/л).

Таким образом, к недостатком озонирования можно отнести следующее:

    - дороговизна озонатора, так стоимость растет в геометрической прогрессии в зависимости от производительности; - необходимость специальной подготовки воздуха (осушка) или работа на кислороде; - недостаточная способность озона к разрушению фенольных соединений; - необходимость длительного контакта озона с загрязнителем в случае комплексных соединений;

Итак, озонирование широко используется для обработки воды и воздуха. Озон является очень сильным окислителем и чрезвычайно ядовит даже в низких концентрациях. Озон, относится к самому высокому классу опасности вредных веществ, поэтому его использование должно контролироваться специальными датчиками. Совсем недавно было выяснено, что при совместном воздействии ультрафиолетового света и озона эффективность окисления органических молекул увеличивается в 100-10000 раз по сравнению с раздельным использованием УФ-света и озона. Такой метод получил название фотолитическое озонирование. Эффективность использования озона при фотолитическом озонировании существенно повышается (даже для простейшего реактора коэффициент полезного использования озона возрастает с 20 до 70 %, необходимое время контакта для окисления и стерилизации уменьшается по сравнению с озонированием (до нескольких секунд).

Химические свойства озона (два основных свойства озона):

    1. Озон в отличие от атомарного кислорода является относительно устойчивым соединением. Он самопроизвольно разлагается при высоких концентрациях, при этом чем выше концентрация, тем выше скорость реакции разложения. При концентрациях озона 12-15 % озон может разлагаться со взрывом. Следует также отметить, что процесс разложения озона ускоряется с ростом температуры, а сама реакция разложения 2O3>3O2+68 ккал экзотермична и сопровождается выделением большого количества тепла.

O3 О + O2

O3 + O 2О2

O2+ O О

2. Озон является одним из сильнейших природных окислителей. Окислительный потенциал озона составляет 2,07 В (для сравнения у фтора 2,4 В, а у хлора 1,7 В).

Образование озона проходит по обратимой реакции:

3O2 + 68 ккал/моль (285 кДж/моль) <> 2 O3

Молекула O3 неустойчива и при достаточных концентрациях в воздухе при нормальных условиях самопроизвольно за несколько десятков минут превращается в O2 с выделением тепла. Повышение температуры и понижение давления увеличивают скорость перехода в двухатомное состояние. При больших концентрациях переход может носить взрывной характер. Контакт озона даже с малыми количествами органических веществ, некоторых металлов или их окислов резко ускоряет превращение.

В присутствии небольших количеств HNO3 озон стабилизируется, а в герметичных сосудах из стекла, некоторых пластмасс или чистых металлов озон при низких температурах ( - 78 °С) практически не разлагается.

Озон -- мощный окислитель, намного более реакционноспособный, чем двухатомный кислород. Окисляет почти все металлы (за исключением золота, платины и иридия) до их высших степеней окисления. Окисляет многие неметаллы. Продуктом реакции в основном является кислород.

2 Cu + 2 HO + O > 2 Cu + 3 H2O + O

Озон повышает степень окисления оксидов:

NO + O3 > N O2 + O2

Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией. Двуокись азота может быть окислена до трехокиси азота:

NO2 + O3 > NO3 + O2

С образованием азотного ангидрида N2O5:

NO2 + N O3 > N2O5

Озон реагирует с углеродом при нормальной температуре с образованием двуокиси углерода:

C + 2 O3 > CO2 + 2 O2

Озон не реагирует с аммониевыми солями, но реагирует с аммиаком с образованием нитрата аммония:

2 NH3+ 4 O3 > N H4N O3 + 4 O2 + H2O

Озон реагирует с водородом с образованием воды и кислорода:

O3 + H2 > H2O + O2

Озон реагирует с сульфидами с образованием сульфатов:

PbS + 2 O3 > PbS O4+ O2

С помощью озона можно получить cерную кислоту как из элементарной серы, так и из двуокиси серы:

    S + H2O + O3 > H2SO4 3 SO2 + 3 H2O + O3 > 3 H2SO4

Все три атома кислорода в озоне могут реагировать по отдельности в реакции хлорида олова с соляной кислотой и озоном:

3 SnCl2+ 6 HCl + O3 > 3 SnCl4+ 3 H2O

В газовой фазе озон взаимодействует с сероводородом с образованием двуокиси серы:

H2S + O3 > SO2 + H2O

В водном растворе проходят две конкурирующие реакции с сероводородом, одна с образованием элементарной серы, другая с образованием серной кислоты:

H2S + O3 > S + O2 + O3O

3 H2S + 4 O3 > 3 H2SO4

Обработкой озоном раствора йода в холодной безводной хлорной кислоте может быть получен перхлорат йода (III):

I2+ 6 HClO5+ O3 > 2 I(ClO4)3 + 3 H2O

Твердый нитрилперхлорат может быть получен реакцией газообразных NO2, ClO2 и O3:

2 NO2 + 2 ClO2 + 2 O3 > 2 NO2ClO4+ O2

Озон может участвовать в реакциях горения, при этом температуры горения выше, чем с двухатомным кислородом:

3 C4N2+ 4 O3 > 12 CO + 3 N2

Озон может реагировать при низких температурах. При 77 K (-196 °C), атомарный водород взаимодействует с озоном с образованием супероксидного радикала с димеризацией последнего[6] :

H + O3 > HO2 + O

2 HO2 > H2O2+ O2

Озон может образовывать озониды, содержащие анион O. Эти соединения взрывоопасны и могут храниться при низких температурах. Известны озониды всех щелочных металлов. KO3, RbO3, и CsO3 могут быть получены из соответствующих супероксидов:

KO2 + O3 > KO3 + O2

Озонид калия может быть получен и другим путем из гидроокиси калия [7]:

2 KOH + 5 O3 > 2 KO3 + 5 O2 + H2O

NaO3 и LiO3 могут быть получены действием CsO3 в жидком аммиаке NH3 на ионообменные смолы, содержащие ионы Na или Li:

CsO3 + Na+ > Cs+ + NaO3

Обработка озоном раствора кальция в аммиаке приводит к образованию озонида аммония, а не кальция:

3 Ca + 10 NH3 + 6O3 > Ca*6NH3 + Ca(OH)2 + Ca(NO3)2 + 2 NH4O3 + 2 O2 + H2

Озон может быть использован для удаления марганца из воды с образованием осадка, который может быть удален фильтрованием:

2 Mn + 2 O3 + 4 H2O > 2 MnO(OH)2 (s) + 2 O2 + 4 H

Озон превращает цианиды во много раз менее токсичные цианаты:

CN + O3 > CNO + O2

Озон может полностью разлагать мочевину:

(NH2)2CO + O3 > N2+ CO2 + 2 H2O

Взаимодействие озона с органическими соединениями с активированным или третичным атомом углерода при низких температурах приводит к соответствующим гидротриоксидам.

Озон окисляет все металлы за исключением золота и группы платины, доокисляет оксиды серы и азота, окисляет аммиак с образованием нитрита аммония.

Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями с разрушением ароматического ядра. В частности озон реагирует с фенолом с разрушением ядра. Озон активно взаимодействует с насыщенными углеводородами с разрушением двойных углеродных связей.

Взаимодействие озона с органическими соединениями находит широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях. Реакции озона с ароматическими соединениями легли в основу технологий дезодорации различных сред, помещений и сточных вод.

В последние 20 лет области применения озона значительно расширились и во всем мире ведутся новые разработки. Столь бурному развитию технологий с использованием озона способствует его экологическая чистота. В отличие от других окислителей озон в процессе реакций разлагается на молекулярный и атомарный кислород и предельные оксиды. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ как, например, при окислении хлором или фтором.

Озон применяется как для очистки воды, так и воздуха:

    1. В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. 2. Применение озона в системах очистки воды доказано в высшей степени эффективным, однако до сих пор не создано таких же эффективных и доказано безопасных воздухоочистительных систем. Озонирование считается нехимическим способом очистки и поэтому популярно среди населения. Вместе с тем, хроническое воздействие микро-концентраций озона на организм человека достаточно не изучено.

Принцип действия озона состоит в том, что озон образуется из кислорода. Существует несколько способов получения озона, среди которых наиболее распространенными являются: электролитический, фотохимический и электросинтез в плазме газового разряда. Дабы избежать нежелательных окисей предпочтительнее получать озон из чистого медицинского кислорода используя электросинтез. Концентрацию получаемой озоно-кислородной смеси в таких аппаратах легко варьировать -- либо задавая определенную мощность электрического разряда, либо регулируя поток входящего кислорода (чем быстрее кислород проходит через озонатор, тем меньше озона образуется).

Электролитический метод синтеза озона осуществляется 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 и молекулу водорода. Этот метод позволяет получить концентрированный озон, однако он весьма энергоемкий, и поэтому он не нашел широкого распространения.

Фото-химический метод получения озона представляет из себя наиболее распространенный в природе способ. Образование озона происходит при диссоциации молекулы кислорода под действием коротковолнового УФ излучения. Этот метод не позволяет получать озон высокой концентрации. Приборы, основанные на этом методе, получили распространение для лабораторных целей, в медицине и пищевой промышленности.

Электросинтез озона получил наибольшее распространение. Этот метод сочетает в себе возможность получения озона высоких концентраций с большой производительностью и относительно невысокими энергозатратами.

В результате многочисленных исследований по использованию различных видов газового разряда для электросинтеза озона распространение получили аппараты использующие три формы разряда:

    1. Барьерный разряд - получивший наибольшее распространение, представляет из себя большую совокупность импульсных микроразрядов в газовом промежутке длиной 1-3 мм между двумя электродами, разделенными одним или двумя диэлектрическими барьерами при питании электродов переменным высоким напряжением частотой от 50 Гц до нескольких килогерц. Производительность одной установки может составлять от граммов до 150 кг озона в час. 2. Поверхностный разряд - близкий по форме к барьерному разряду, получивший распространение в последнее десятилетие благодаря своей простоте и надежности. Так же представляет из себя совокупность микроразрядов, развивающихся вдоль поверхности твердого диэлектрика при питании электродов переменным напряжением частотой от 50 Гц до 15-40 кГц. 3. Импульсный разряд - как правило стримерный коронный разряд, возникающий в промежутке между двумя электродами при питании электродов импульсным напряжением длительностью от сотен наносекунд до единиц микросекунд.

Похожие статьи




ОЗОН И ОЗОНИРОВАНИЕ, КАК СОВРЕМЕННЫЙ МЕТОД ОЧИСТКИ ПОЛИГОНОВ - Очистка фильтрата полигона твердых бытовых отходов (биологические методы с химическим окислением)

Предыдущая | Следующая