148
У.К.ДЕГЕМБАЕВА ,Ш.А.БАХТАЕВ, С.А.ШАРИПОВА
РАЗРАБОТКА СОВРЕМЕННЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДЫ НА БАЗЕ ОЗОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
(Алматинский институт Энергетики и связи, г.Алматы)
(Казахский национально- технический университет им. К. Сатпаева, г.Алматы)
В работе сопоставлены показатели работы двух озонаторов одинаковой производительности (2,5 кг О/ч). В результате исследовании пластинчатый озонатор с воздушным охлаждением показал больший удельный расход электроэнергии, однако, по сумме капитальных и эксплуатационных расходов он имел неоспоримые преимущества перед трубчатым с воздушным охлаждением.
В настоящее время установлено, что озон О3 легко отдает один атом кислорода, чем и обусловлена его сильная окислительная способность, уступающая только фтору.
На окислительные свойства озона обратил внимание К. Ф. Шенбайн сразу же при его открытии. Озон активно вступает во взаимодействие с минеральными и органическими веществами, в том числе и с плазмой клетки бактерий. Скорость его действия, как обеззараживающего реагента, в 13-15 раз выше скорости действия хлора. Доказано, что с помощью озона может быть достигнута полная стерилизация воды При обработке воды озоном споры и бациллы гнойного воспаления гибнут через 10 мин, а возбудители тифа и холеры - через 2 мин. Из-за этого озон и нашел применение сначала в обеззараживании воды.
Первая опытная установка для озонирования воды была построена на фильтровальной станции в Париже. В России экспериментальная установка озонирования воды была создана в 1905г. в г. Санкт-Петербурге. К настоящему времени озонирование воды в промышленных масштабах все больше и больше возрастает (1959г. США -136 тыс. м3/сут., 1963г. Франция - 300 тыс. м3/сут., 1963г. Швейцария - 380 тыс. м3/сут., 1962г, Германия -200 тыс. м3/сут., 1962г.
Канада -130 тыс. м3/сут., 1981г. Москва – 1380 тыс. м3/сут.1981г) [1, 15] .
Острота необходимости озонирования воды обусловлена тем, что по ряду квалифицированных оценок, к примеру, около 40% потребляемой водопроводной воды не удается очистить традиционными способами до современных требований ГОСТ Р51232-98.
Одна из причин такого положения, но мнению автора, в том, что железо водопроводных систем оказывается катализатором дихлорирования фенолов, перевода при хлорировании воды малотоксичных диоксинов в высокотоксичные.
В настоящее время озон получает все расширяющееся применение и в различных других областях. Применение озона в химической технологии позволяет находить перспективные пути получения некоторых химических соединений. С помощью озона открыты пути лечения трудно излечиваемых кожных заболеваний. Обработка крови озоном улучшает ее качества.
Озон может применяться для коррекции легочной недостаточности в постреанимационном периоде больных. Добавление озона в горючую смесь двигателей внутреннего сгорания улучшает их рабочие характеристики. Успешно применяется озон высокой концентрации для очистки поверхностей полупроводниковых чипов. Озон может служить одним из эффективных средств борьбы с патогенной микрофлорой на поверхности плодоовощной продукции и тем самым увеличивать сохранность этих продуктов питания. Предпосевная обработка семян пшеницы, ячменя, гороха, гречихи, проса, сорго значительно снижает поверхностно- семенную инфекцию, а некоторые ее виды устраняет совсем. Многие современные фармацевтические фирмы производят упаковку медикаментов в стерильной, содержащей озон, среде. Существенного повышения качества стирки и экономической эффективности, а также продления «срока жизни» белья добиваются в прачечных при стирке в озонированной воде.
Значительные успехи применения озонирования достигнуты в очистке природных и сточных вод.
Химическим путем озон может быть получен при окислении белого фосфора воздухом или кислородом. Озон выделяется при электролизе химически чистой азотной кислоты, растворов серной кислоты и некоторых солей. Образуется озон при воздействии на кислород или воздух радиоактивного, рентгеновского или ультрафиолетового излучения. В таблице 1,
149
приведены равновесные концентрации озона в зависимости от температуры в воздухе при его ультрафиолетовом облучении.
Ощутимое количество озона образуется и при каталитическом распаде высококонцентрированной перекиси водорода
Таблица 1
Температура, К (оС) 293 (20) 313(40) 327(54)
Содержание озона, (% по массе) 3,40 3,15
Выделение озона наблюдается при распылении воды в водопадах и при действии ультразвука на кислород, растворенный в воде, когда ультразвуковое поле порождает пузырьки газа. Объясняется это и элементами разряда, которые появляются на поверхности образующихся пузырьков газа.
Реакция образования озона из кислорода эндотермична, поэтому простейшим методом получения озона из кислорода является его нагревание.
Однако для реального использования полученного таким образом озона требуется чрезвычайно быстрое его охлаждение, что вызывает большие трудности. В работе отмечено, что практически синтезировать озон термическим путем не удается по той причине, что скорость диссоциации озона при высоких температурах очень велика и никакой реальный способ его "закалки" не может обеспечить сохранение.
В 1857 г. Венер фон Сименс предложил аппарат, который впервые позволил устойчиво получать озон в достаточных для проведения химических опытов количествах. Прибор Сименса состоял из двух стеклянных трубок, вставленных одна в другую и на одном конце сплавленных вместе. Внешняя сторона внешней трубки и внутренняя сторона внутренней трубки имели металлические покрытия, к которым подключалось высокое электрическое напряжение. В зазоре между трубками происходил тихий разряд, через который и пропускался озонируемый газ
При электролизе водных растворов серной кислоты получают высокие концентрации озона, но с малым энергетическим выходом (массой получаемого озона, приходящейся на единицу затрачиваемой энергии).
Все описанные способы получения озона характеризуются различными трудностями при их техническом осуществлении и различными экономическими затратами, потому далеко не все получили практическое распространение. Потребность же в озоне в настоящее время постоянно возрастает по причине все расширяющихся сфер его применения и конкурентной способности по отношению к таким традиционным окислителям, как хлор и двуокись хлора, особенно в тех случаях, когда требуется максимально полная очистка небольших объемов загрязнений. Преимущество озона, кроме высокой скорости реагирования, заключается еще в отсутствии избирательности воздействии на объекты окисления.
Из всех способов синтеза озона единственным промышленно рентабельным остается газоразрядный способ предложенный Вернером фон Сименсом еще в XIX веке. Реакция образования озона и барьерном разряде является одной из немногих плазмохимических реакций, успешно реализованных в промышленном масштабе. Оценка промышленной рентабельности здесь производится по энергетическому к п д , концентрации озона в используемом газе и количеству озона на единицу массогабаритных размеров озонатора [ 2, 10].
В таблице 2 приводятся идеальные критерии эффективности энергозатрат при электросинтезе озона, полученные на основе термодинамических расчетов.
Таблица 2 Электросинтез озона в барьерном разряде характеризуется невысокими показателями Характер
изменения напряжения
Газ Удельная
озонопроводимость, г/кВт∙ч
Удельные энергозатраты, кВт∙ч/кг Синусоидальны
й
Кислород 150-180 6,7-5,5
Воздух 80-95 12,5-10,5
Импульсный Кислород 300-400 3,1-2,5
150
Воздух 130-140 7,7-7,1
Однако практические удельные затраты обычно значительно более велики
- 10-25 кВт ч/кг при производстве 1,00-1,25% озоно-воздушных смесей;
- 5,0-12,5 кВтч/кг при производстве 1,00-1,25 озоно-кислородных смесей
Поэтому есть острейшая необходимость в оптимизации конструкций озонаторов в плане сбережения электроэнергии.
При решении задачи получения больших количеств озона на первом месте по данным стоит метод его получения в тихом разряде на переменном токе в потоке кислорода или воздуха. Стабилизацию и равномерность тихого разряда обеспечивает наличие диэлектрического барьера. По этой причине в конце 60-х годов Е. Н. Ереминым введено понятие "бартерного разряда".
Электросинтез озона в барьерном разряде характеризуется невысокими концентрациями озона, но сравнительно высокой экономичностью. При различных других типах тлеющего электрического разряда получают 10-20 г озона на 1 кВтч, в то время как при барьерном разряде этот показатель достигает примерно 150 г озона на 1 кВтч. Мало того, такой электросинтез озона обходится без вторичных экологических загрязнений окружающей среды.
В промышленности применяют озонаторы двух типов цилиндрические и пластинчатые.
Один из электродов озонатора (независимо от типа)
может быть чисто металлическим, а другой обязательно покрыт барьером из диэлектрического материала. В качестве диэлектрика используют, как правило, стекло или эмаль.
Озонаторы цилиндрического типа называют озонаторами Вейс-баха. Они комплектуются из трубчатых элементов, представляющих собой два коаксиальных цилиндра. Цилиндр меньшего диаметра, как правило, стеклянный и имеет на внутренней поверхности металлическое напыление. Он играет роль электрода с барьером. Цилиндр большего диаметра служит вторым электродом и изготавливается из стойкого по отношению к окислению озоном металла. Зазоры между поверхностями цилиндров одинаковы в элементах озонаторов одного типа. Различные же конструкции озонаторов могут иметь зазоры в пределах от 0,5 до 5 мм. На электроды подается высокое напряжение, в результате чего в газе между электродами зажигается барьерный электрический разряд.
Трубчатые элементы озонатора объединяются в блоки от единиц до сотен штук в каждом и помещаются в емкости с проточной охлаждающей жидкостью, чаще всего водой. Описанное устройство трубчатого озонатора позволяет интенсивно охлаждать лишь его внешние электроды. Температурные условия разрядного промежутка в ЭТОМ случае не позволяют значительно повысить удельную электрическую мощность озонатора (мощность, приходящуюся на единицу площади его электродов) для повышения его производительности.
Лишь в некоторых случаях в лабораторных условиях исследователи устраивают охлаждение и внутреннего электрода отдельным потоком воды, для чего используют дополнительное устройство.
Выход из строя одного элемента озонатора такого типа приводит к аварийной остановке и необходимости демонтажа целого блока элементов. Это является большим неудобством при промышленной эксплуатации озонаторов.
Пластинчатые озонаторы называют озонаторами Отто. Их элементы - плоские металлические электроды. Они разделены, слоем диэлектрика (стекло или эмаль). Плоские поверхности диэлектрических барьеров повышают их надежность в работе и позволяют легко при необходимости производить замену. Устройство системы охлаждения электродов в этом случае несколько сложнее, чем для трубчатых элементов. Существуют и другие отличия.
Спор о том, какие озонаторы выгоднее (пластинчатые или трубчатые), до сих пор не окончен.
Так в работе сопоставлены показатели работы двух озонаторов одинаковой производительности (2,5 кг О/ч), один из которых трубчатый с водяным охлаждением, а второй пластинчатый с воздушным охлаждением.
В результате экспериментов пластинчатый озонатор показал больший удельный расход электроэнергии, однако, по сумме капитальных и эксплуатационных расходов он имел неоспоримые преимущества перед трубчатым.
151
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гарчиков А.Я., Курамшин Э.М., Комиссаров В.Д., Денисов Е.Т.
Кинетика окисления метилэтилкетона озонированным кислородом в водных растворах. // Кинетика и катализ. 1972. Т. 13- № 5. – С. 1126.
2. Пискарев И.М. Выходы продуктов химических реакций под воздействием электрического разряда над поверхностью воды в среде воздуха и кислорода. // ХВЭ. 2000. Т. 34. №6. - С. 446-450.
Жұмыста бірдей ӛңдеуші екі озандағыштың жұмыс кӛрсеткіштері салыстырылған (2,5 кг О/сағ) зерттеу нәтижесінде әуе суытқышымен пластиналы озондағыш электроэнергиясының үлкен салыстырмалы шығынын кӛрсетті, бірақ капитальді және эксплуатациялық шығындар санымен ол трубалы және әуе суытқышы алдында үлкен жетістіктерге ие болады.
In comparing the performance of two Ozona or same productivity (2.5 kg O/h), one tube water – cooled, and the second prate with an air – cooled. The results showed greater lamellate Ozona or specific consumption of electricity, but the amount of capital and operating costs, he had undeniable advantages over the tubular.
