Литературный обзор, Озон - Кинетика обезжелезивания подземной воды Лианозовского молочного комбината с помощью озона
Озон
Физико-химические свойства озона
Озон О3 - трехатомная аллотропная форма кислорода, существует во всех трех агрегатных состояниях. Открыт Х. Шенбейном в 1840 году.
При нормальных условиях представляет собой нестабильный диамагнитный газ синего цвета с резким запахом, ощущаемым уже при концентрациях 10?6%. При концентрациях порядка 10?5% запах озона ощущается хорошо, но через некоторое время ощущение практически исчезает. Озон - вещество токсичное, ПДК равно 5*10?6% [1,2].
Молекула О3 имеет угловую форму как и изоэлектронные частицы ONCl и ONO? По данным микроволновой спектроскопии угол между связями составляет 116,8±0,5O, а межатомные расстояния между центральным атомом О и каждым из концевых атомов О равны 0,1278±0,0003 нм [2].
Озон конденсируется в виде темно-синей жидкости (т. кип ?111,9OC) и затвердевает в виде фиолетово-черных кристаллов (Т. пл. ?192,5OС). Такой цвет обусловлен интенсивной полосой поглощения в красной области спектра между 500 и 700 нм. Как твердый, так и жидкий озон взрываются из-за разложения до газообразного кислорода с большим выделением тепла. Газообразный озон также термодинамически не устойчив к разложению на дикислород, однако при отсутствии катализаторов он разлагается весьма медленно даже при 200ОС:
3/2О2(г.) > О3(г.); [2] ДHєОбр = +142,7 кДж/моль
ДGєОбр = +163,2 кДж/моль;
Основные физико-химические характеристики озона приведены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-химические свойства О3 [1, 3]
Показатель |
Значение |
Молекулярный вес |
48 г./моль |
Температура плавления (1 атм) |
- 192,4 ?С |
Температура кипения (1 атм) |
- 112?С |
Плотность газа (273,15 К) |
2,144 г./л |
Стандартная энтальпия образования |
142,3 кДж/моль |
Стандартная энтропия |
238,8 Дж/(моль-К) |
Стандартная свободная энергия Гиббса |
162,7 кДж/моль |
Озон - один из самых сильных окислителей. Потенциалы реакций (1) и (2) положительны [4]:
О3 + 2 Н+ + 2e > O2 + Н2О Е?= + 2,076 В (1)
О3 + Н2О + 2e > O2 + 2 ОН - Е?= + 1,24 В (2).
Под его действием почти все металлы (кроме Au, Pt и Ir) превращаются в оксиды [5]. Например:
2 О3 + 2 Ag > Ag2O2 +2 O2 (Ag+1Ag+3O2).
Помимо того высокую окислительную способность характеризуют следующие реакции:
PbS + 4O3 > PbSO4 +O2
- 6NO2 + О3 > 3 N2O5 2Co2+ +O3 + 2H+> 2Co3+ + O2 +H2O
Также важным химическим свойством озона является реакция с алкенами, присоединение озона происходит по двойной связи с образованием озонидов и мольозонидов. Озониды в свою очередь легко гидролизуются водой с образованием карбонильных соединений и пероксида водорода. Эта реакция используется для определения положения двойной связи и строения алкенов [6].
Для снижения концентрации железа в воде до уровня ПДК (0,3 мг/л) часто используется озонирование, в процессе которого происходит окисление ионов Fe2+ в ионы Fe3+ по следующим уравнениям реакции:
2Fe2+ + O3 +2H+ > 2Fe3+ + O2 + H2O
Fe3+ + 3H2O > Fe(OH)3 + 3H+
Молярная стехиометрия O3/Fe2+ равна 0,5:1 или 0,43 мг O3 на 1 мг Fe.
Из табл. 1 следует, что отношение О3/Fe2+ = 0,5, которое соответствует уравнению (4) наблюдается только в случае высоких концентраций ионов железа (II). При озонировании природных вод, где концентрация Fe2+ Значительно ниже отношение О3/Fe2+ Увеличивается в 5 раз. Полученные результаты объясняются влиянием на механизм процесса озонирования быстрых реакций с участием радикалов ОHя, особо значимых в разбавленных растворах при малых концентрациях Fe2+.
Таблица 2. Влияние концентрации ионов железа (II) на отношение О3/Fe2+ При озонировании железосодержащих водных растворов
[Fe2+]Ж105, моль/л |
[O3]Ж104, моль/л |
Скорость потока, л/ч |
Количество озона на окисление Fe2+ [O3]105, моль/л |
[O3]/ [Fe2+]Ж |
1,3 |
2,3 |
9,0 |
3,1 |
2,4 |
8,2 |
2,5 |
9,0 |
9,6 |
1,2 |
89,5 |
2,4 |
12,9 |
42,5 |
0,5 |
Получение озона
В природных условиях озон образуется по большей части из атомарного кислорода в стратосфере, а также при действии грозовых разрядов в нижних слоях атмосферы.
Существуют разные методы получения озона искусственным путем, однако наибольшее распространение получили следующие три: фотохимическое, синтез в электролитических ячейках и синтез в газовой фазе из кислорода посредством барьерного разряда.
В качестве источника света в УФ-озонаторах могут использоваться Хе-лампы с длиной волны 170 нм или Hg-лампы низкого давления с длиной волны 190 нм. Так, например, в патенте [7] предложено использовать ртутные лампы низкого давления с действующей в реакции () длиной волны 190 нм:
О2 > О + О
О + О2 > О3 (1)
В патенте [8] указывается на то, что интенсивность излучения на 190 нм у Hg-лампы мала, и производительность такого озонатора низка и не превышает 0,1 мг / Вт. Там же предлагается использовать более интенсивное излучение Хе-лампы на длине волны 170 нм. В этом случае удельная (на Вт потребляемой электроэнергии) производительность озонатора возрастает в 5 раз до 0,5 мг / Вт. В общем же случае максимальная производительность ламп не превышает 30 г./кВт [9]. В целом, главное достоинство таких озонаторов заключается в чистоте получаемого озона.
При синтезе озона в электролитических ячейках в качестве электролита используется холодный раствор H2SO4 (или HClO4), и при высокой плотности анодного тока синтезируется озон в умеренной концентрации, наряду с О2 и H2S2O8, в качестве побочного продукта. [2]
Наиболее распространенным и удобным на сегодняшний день является метод синтеза озона в барьерном разряде. Под барьерным разрядом понимается разряд, возникающий между двумя диэлектриками или диэлектриком и металлом. Для синтеза озона в системе поддерживается переменное напряжение между диэлектриками. Впервые озонатор, в котором использовался барьерный разряд, был предложен Сименсом в 1897 году. В настоящее время разработаны озонаторы производительностью по O3 До 4,7 кг/час, однако в промышленности также применяются озонаторы меньшей мощности, которые при необходимости получения большего количества озона соединяются в блоки. [1]. При синтезе озона из кислорода воздуха у метода появляется существенный недостаток - образование оксидов азота в качестве побочного продукта, однако обычно эта проблема решается путем обогащения исходной газовой смеси кислородом [10].
Помимо вышеописанных методов озон также можно получать при разложении йодной кислоты при 130C, а также в качестве побочного продукта реакции F2 и воды, однако эти методы не получили распространения [2].
Методы анализа озона
В настоящее время существует множество методов анализа озона. Ниже будут перечислены лишь некоторые, наиболее распространенные.
Прежде всего стоит отметить химический метод - йодометрический. Основан метод на реакции окисления KI озоном (1) и на дальнейшем титровании выделившегося йода (2):
O3 + 2KI + H2O > I2v + 2KOH + O2^ (1)
I2 + 2Na2S2O3 > 2NaI + Na2S4O6 (2)
Технологически метод осуществляется путем барботажа озонсодержащей газовой смеси через аналитический раствор до появления слабой желтоватой окраски (от I2). При очень малых концентрациях озона в исходной газовой смеси увеличивают время барботажа и дополнительно в конце титрования добавляют в аналитический раствор крахмал, и раствор приобретает синюю окраску.
При концентрациях ниже 0,1 ppm титрование "на глаз" необходимо заменить спектральным измерением поглощения света. Система анализа довольно проста: она состоит из трех барботеров, соединенных последовательно, компрессора и измерителя расхода газа. Во всех трех барботерах - раствор K1. Первый барботер - измерительный, в нем поглощается почти весь озон; второй - страховочный, в нем проверяется отсутствие озона; третий - сравнительный. После прокачки озонсодержащего газа, добавляют крахмал, выжидают 2 минуты, а затем измеряют поглощение света I0 в третьем барботере и I в первом барботере (максимум поглощения у соединения включения I2 И крахмала - примерно 350 нм, зависит от сорта крахмала). Затем рассчитывают количество выпавшего йода и далее, учитывая время и скорость прокачки, определяют концентрацию озона. [1]
К несомненным преимуществам метода относятся простота методики, а также высокая чувствительность - (1-2)-10-3 ppm, что сравнимо с лучшими оптическими приборами. Однако у метода есть свои недостатки: длительность анализа составляет примерно 1 час, в результате чего получается усредненная по времени концентрация, а также кропотливость работы, требующая аккуратности и немалых аналитических навыков. Из вышесказанного следует, что использовать данный метод в качестве экспресс-метода определения концентрации озона весьма затруднительно [1].
Одним из наиболее распространенных методов определения концентрации озона в газовой смеси, применимых в экспресс режиме, является оптический метод. Основан он на законе Ламберта-Бера:
I = I0E ?kpl, (1)
Где I0, I - интенсивности света на входе и выходе поглощающей среды, K - коэффициент, зависящий от свойств среды и длины падающего света, P - парциальное давление поглощающей примеси, L - длина пути, пройденного светом в некоторой среде с коэффициентом K.
Отсюда нетрудно получить выражение для P:
P = ln (I/I0)/kl (2)
Также в данной работе использовался хемилюминесцентный метод анализа (для измерения концентраций, близких к ПДК). Суть метода проста: при взаимодействии озона с некоторыми веществами (люминофорами) освобождающаяся при перестройке связей энергия выделяется в виде излучения. Интенсивность этого излучения (свечения) можно померить. В некотором интервале концентраций существует зависимость между концентрацией озона и интенсивностью излучения.
Если стоит задача определения концентрации озона в газовой смеси, то могут использоваться, либо твердые, либо газообразные люминофоры. Среди первых стоит особо отметить родамин С, который использовался в нашей стране. Его свечение по данным спектральных измерений находится в области 560-700 нм. Регистрация свечения производится фотоумножителями. Недостатком всех без исключения твердых люминофоров является уменьшение интенсивности свечения с течением времени, вследствие отравления поверхности люминофора. Однако к несомненным преимуществам этого метода следует отнести высокую чувствительность (в данной работе использовался анализатор озона 3-02.П-Р фирмы ОПТЭК с диапазоном измерений 0 - 500 мкг/м3) и малое время отклика [1].
Среди остальных методов определения концентрации следует отметить волюметрический, основанный на измерении увеличения объема при разложении озона до дикислорода, калориметрический, основанный на измерении тепла, выделившегося при разложении O3 тепла посредством терморезисторов, и различные электрохимические методы.
Обезжелезивание воды с помощью озона
Озон находит множество применений, как в науке, так и в промышленности, основанных на его окислительной и дезинфицирующей способностях, а также на свойстве разлагаться в химических реакциях до экологически безвредного дикислорода. В последнее время все больше и больше озон используется на станциях водоподготовки вместо Cl2, о чем уже было сказано выше. Также весьма интересна технология "озонового ножа" или OK-technology (OK - ozone knife) применяемая на предприятиях переработки армированных резиновых изделий, в первую очередь покрышек и пневмошин. Основана технология на свойстве озона разрушать резину. Резиновое изделие помещается в газовую камеру с концентрацией озона в газовой смеси 0,1-10%, а также подвергается механическому воздействию, в результате чего резина осыпается в виде крошки, а арматура изделия (шинный корд и т. п.) остается целой Подробно технология, а также устройство для ее применения описано в патенте [11].
Так или иначе на производствах, где используются вышеописанные технологии, концентрация озона в рабочей зоне может существенно превышать ПДК. В связи с этим, как уже было сказано выше, становится актуальна проблема разработки эффективного метода разложения озона.
Похожие статьи
-
Введение - Кинетика обезжелезивания подземной воды Лианозовского молочного комбината с помощью озона
Озонирование химический фенантролин железо Подземные воды Московского артезианского бассейна используются для целей водоснабжения с 70-80-х годов XIX...
-
Литературный обзор, Ионообменные смолы и их применение в цветной металлургии - Ионообменные смолы
Ионообменные смолы и их применение в цветной металлургии Ионообменные смолы - синтетические высокомолекулярные органические иониты, практически...
-
Теоретические основы процесса выпаривания Для осуществления процесса выпаривания необходимо теплоту от теплоносителя передать кипящему раствору, что...
-
Окисление природного газа и низших парафинов - Аналитический обзор получения формалина
Одним из способов получения формальдегида является окисление природного газа и низших парафинов. Данный способ с точки зрения доступности и дешевизны...
-
АНАЛИТИКА Компиляция выдержек из различных источников - удельная б-активность U235 и U238 составляет соответственно 0,08 и 0,012 Бк/мкг (или 80 и 12...
-
Стандартные методы, как правило, предусматривают использование количественного анализа, позволяющего установить точное содержание отдельных элементов и...
-
Оборудования, используемые для определения ртути Класс опасности - 1, ПДК в населенных пунктах (среднесуточная) -- 0,0003 мг/мі ПДК в жилых помещениях...
-
Целью данной курсовой работы является проведение синтеза ацетата натрия (CH3COONa). Задачами курсовой работы являются: изучение методики неорганического...
-
Экспериментальная установка В работе используется прибор для текстурных измерений "Термосорб" серии М, фирмы "КАТАКОН" Серийный №017 Дата выпуска...
-
Традиционные потребители висмута - металлургиче-ская, фармацевтическая и химическая промышленность. В последние десятилетия к ним прибавились ядерная...
-
Кинетика и катализ, Теоретические основы термического пиролиза - Пиролиз углеводородного сырья
Теоретические основы термического пиролиза Термическое разложение углеводородов представляет собой сложный процесс, который можно представить как ряд...
-
При использовании разомкнутых химико-технологических систем в большинстве случаев принципиально невозможно проведение процессов при практически полной...
-
Методика эксперимента. Кислотность рабочих растворов определяли с помощью хингидронного электрода. Хингидронный электрод представляет гладкую платиновую...
-
Определение удельной и молярной электропроводности сульфатных растворов Методика эксперимента. В исследованиях использовали растворы: 0,1 M CuSO4; 0,01...
-
Технологические свойства формалина - Аналитический обзор получения формалина
Формалин - 37% водный раствор формальдегида, в нем формальдегид присутствует в виде гидрата HCHO-H2O и низкомолекулярных полимеров...
-
Применение формалина - Аналитический обзор получения формалина
Формалин используется в производстве: - синтетических смол; - синтетического каучука; - поверхностно-активных веществ; - многоатомных спиртов; - формалей...
-
Кинетика процесса нитрования - Синтез пара-нитродифенила. Теоретические основы нитрования
Нитрование ароматических углеводородов смесями азотной и серной кислот протекает по ионному механизму. В. В. Марковников указал, что при взаимодействии...
-
Знаменитая теория полимолекулярной адсорбции Брунауэра, Эммета и Теллера, получившая название теории БЭТ (по первым буквам фамилий ученых), основана на...
-
Методы, применяющиеся для синтеза мультиферроиков - Мультиферроики
Для синтеза мультиферроиков используются различные методы синтеза. К ним относятся: спекание, гидротермальный синтез, соосаждение, золь-гель метод,...
-
Химические свойства Галлия. - Третья группа периодической системы
На воздухе при обычной температуре Галлий стоек. Выше 260° С в сухом кислороде наблюдается медленное окисление (пленка оксида защищает металл). В серной...
-
В работах [22, 14, 15] приведены результаты изучения свойств медианы Кемени, полученные с помощью расчетов по алгоритмам В. Н. Жихарева [18], описанным...
-
Методика эксперимента. Простейшая электролитическая ячейка, которая может быть использована для снятия поляризационных кривых, представлена на рис. 2.5...
-
Метиловый спирт [30] - Разработка технологической схемы получения анизола и крезола
Молекулярная формула CH3OH Молярная масса 32,04 г/моль Внешний вид бесцветная жидкость Свойства Плотность и агрегатное состояние 791,8 кг/м?,...
-
Пиролиз в присутствии гетерогенныхкатализаторов - Пиролиз углеводородного сырья
Гетерогенные каталитические системы, которые применимы к высокоэндотермическим реакциям, обеспечивают высокие скорости реакций и, как следствие, снижение...
-
Физические свойства меди. Применение в медицине и в народном хозяйстве - Медь
Медь -- тяжелый розово-красный металл, мягкий и ковкий, ее температура плавления 1083° С, является отличным проводником электрического тока и теплоты...
-
Применение - Важнейшие представители полимеров
В строительной технике полистирол в основном применяют для производства пенополистирола методом поризадии полистирола, в результате чего он получает...
-
Получение спиртов - Химические свойства и характеристики спиртов
Некоторые из показанных выше реакций (рис. 6,9,10) обратимы и при изменении условий могут протекать в противоположном направлении, приводя к получению...
-
ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ - Неограническая химия
Задание 5.1. В определенном объеме раствора V л содержится m г вещества. Плотность раствора с (табл. V.1). Рассчитайте: 5.1.1. Процентную концентрацию...
-
ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ - Неограническая химия
Задание 4.1: 4.1.1. Проанализируйте данную Вам реакцию (табл. IV.1) и укажите, какой она является: гомогенной или гетерогенной. 4.1.2. Запишите...
-
Очистка атмосферы от ртути - Ртуть: свойства и токсичность
Существует много процессов выделения, содержащих ртуть газов, не только на предприятиях, производящих ртуть, но также таких процессах, как получение...
-
Использование предшественников при производстве аминокислот позволяет успешно обходить метаболический контроль, осуществляющийся по механизму обратной...
-
Все аминокислоты, из которых состоят белки, являются" L-а-амино - (или имино-) кислотами. Они находят применение как пищевые добавки, приправы, усилители...
-
Полисульфидный способ - Тиосульфат натрия
Проводят за уравнением: Для приготовления раствора полисульфида Na2S2 используют горячий раствор сернистого натрия (70?С), обычно щелок, получае-мый...
-
Фенолфталеин - один из наиболее широко используемых в химии кислотно-основных индикаторов. Он относится к триарилметановым красителям, называемых...
-
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР, ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ - Производство мазей
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ Мази представляют собой лекарственные формы для наружного применения, имеющие мягкую консистенцию. При подогревании или в результате...
-
Основу иодометрических методов составляет полуреакция: 12 + 2е - = 21-;0,545 В Уравнение записано схематично, так как в практике для увеличения...
-
Кинетика электродных процессов. Электродным процессом называется сумма всех изменений, происходящих во времени на поверхности электрода при потенциале,...
-
Введение - Диффузионная кинетика катодного осаждения купрума из водных сульфатных растворов
С развитием современной металлообрабатывающей промышленности и непрерывным ростом ассортимента изделий из металлов постоянно расширяется область...
-
Другим способом получения формальдегида является окислительное дегидрирование метилового спирта в присутствии катализаторов. Последние можно разделить на...
-
В настоящее время производственные методы получения формальдегида большим разнообразием не отличаются. Так, в реакциях восстановления СО и СО2 Водой...
Литературный обзор, Озон - Кинетика обезжелезивания подземной воды Лианозовского молочного комбината с помощью озона