Об озоне

1.1 Введение

Озон был открыт в 1840 г. швейцарским химиком Христианом Шомбайном, после экспериментов по электролизу кислот. Очень скоро, в результате ряда исследований было показано, что озон – это трехатомный кислород, газ при стандартных условиях, характерными свойствами которого является его способность к окислению многих веществ и дезинфекция микрофлоры. Эти свойства очень скоро были использованы в промышленности для обработки питьевой воды. В самом конце 90х XIX столетия в Нидерландах и Германии делались попытки дезинфицировать воду для питья с помощью озона. Общепризнанной датой рождения озонной технологии водоподготовки принято считать 1906 г., когда во французском городе Ницца начала работать станция водоподготовки, носившая символическое название «Добрый путь» («bon voyage») с производительностью по воде 22,5 м³/сутки. Станция успешно работала до 1970 г., когда была модернизирована. Эта практика получила в дальнейшем широкое распространение, о чем свидетельствуют следующие данные: В Германии количество предприятий, использующих озон выросло в период с 1984 по 2000г. С 30 до 300, а в США с 1954 по 1997 с 10 до 5500 соответственно. [1]

В России эффективность озонирования для водоподготовки была оценена практически в то же время, что и за рубежом. В 1901 г. 5-ый водопроводный съезд заслушал доклад инженера Н.П. Зимина по озонированию воды; последний характеризовал «озонирование воды, как средство по устранению недостатков ее фильтрования при городских водопроводах».

В 1905 г. при Петропавловской больнице в Санкт-Петербурге была введена строй экспериментальная установка по озонированию воды. Было установлено, что число бактерий снижалось в среднем на 98,8%, улучшался вкус и отсутствовал цвет очищенной воды. В 1911 г. в Санкт-Петербурге начала работать самая крупная в мире в то время станция озонирования воды. При открытии, ее производительность составляла 44,5 тыс. м³/сутки обработанной воды.

Обзор представлений об озоне, его получении и применении в различных областях в начале ХХ века дан в книге русского инженера В.В. Караффа-Корбутта «Озон и его применение в промышленности и санитарии», вышедшей в 1912 г. [2]

Одной из первых советских монографий на эту тему является книга В.Ф. Кожинова и И.В. Кожинова «Озонирование воды». [3] Эти работы относятся к прошлому веку. За последнее время в производстве озона был достигнут значительный прогресс, при этом открылись новые весьма перспективные области использования озона.

1.2 Озон, его свойства и основные реакции с различными веществами.

1.2.1 Физико-химические свойства озона.

При нормальных условиях озон – газообразное бесцветное вещество, обладающее резким запахом. Считается, что запах озона – это запах свежего воздуха после грозы. Это действительно так, но лишь в том случае, если его концентрация очень мала и составляет доли предельно допустимых концентраций (ПДК). Детальное описание физико-химических свойств озона рассматривается в многочисленных работах, в частности [4, 5]. Некоторые основные физико-химические свойства озона приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1.Основные физико-химические свойства озона.

Молекулярный вес

49 г/моль

Температура кипения (при 1 атм.)

-111,9 °С

Температура плавления (при 1 атм.)

-192,7 °С

Плотность газа (при 0 °С)

2,144 г/л

Растворимость в воде (от 0 ° до 30 °С)

В 13 раз выше, чем у кислорода

Коэффициент растворимости в воде при температуре °С

0°С  -  0,49

20°С  -  0,29

Чистый озон взрывоопасен. Он не обладает стабильностью и быстро разлагается. На разложение озона влияет множество факторов: температура, рН, присутствие веществ, подлежащих окислению, и пр.

1.2.2 Растворимость озона в воде

При растворении озона в воде, его концентрация постепенно повышается и достигает предельных значений для данных условий.

Растворимость озона в воде может быть выражена либо в виде так называемого коэффициента Бунзеа – β, показывающего отношение объема растворенного озона, приведенного к нормальным условиям, к объему воды (Vоз/Vв), либо в абсолютных значениях растворенного озона (г/л). При этом считается, что процесс растворения подчиняется закону Генри, согласно которому количество растворенного озона пропорционально давлению газообразного озона над раствором. Этот закон может быть записан в виде:

C стац = β< • M • Pγ , г/л

C стац - растворимость озона, г/л;

β – коэффициент Бунзена;

M – плотность озона = 2,14 г/л;

 – парциальное давление озона в рассматриваемой газовой среде.

Следует отметить, что растворимость озона гораздо выше основных атмосферных газов – азота и кислорода, но слабее таких окислителей, как хлор и двуокись хлора. Растворимость озона повышается с понижением температуры воды. При этом наблюдается большой разброс в экспериментальных данных различных авторов, представленных в таблице 1.2.

Таблица 1.2 Растворимость озона в воде.

Т, °С

По данным [6]

По данным [7]

По данным [8]

Β (л О3/л Н2О)

Растворимость, г/л

Β (л О3/л Н2О)

Растворимость, г/л

Β (л О3/л Н2О)

Растворимость, г/л

0

-

1,13

0,51

1,09

0,64

1,37

5

-

-

-

-

0,50

1,07

10

0,41

0,87

0,38

0,78

0,39

0,83

15

-

-

-

-

0,31

0,66

20

0,32

0,69

0,29

0,57

0,24

0,51

25

-

-


-

0,19

0,41

30

0,26

0,56

0,21

0,40

0,15

0,32

35

-

-

-

-

0,12

0,25

40

0,21

0,45

0,15

0,27

-


50

0,17

0,37

0,10

0,19

-


1.2.3 Разложение озона в воде

Одновременно с растворением озона в воде происходит его разложение. При этом скорость его распада, как и обратная величина «время жизни» зависит от температуры воды и, в основном, от состава воды. В первую очередь от наличия в воде различных примесей, особенно некоторых органических соединений и ионов металлов.

Время жизни в однократнодистеллированной воде 20 минут, а в обычной воде несколько минут.

1.3 Реакции озона с неорганическими веществами.

Озон может реагировать с различными, находящимися в воде веществами по двум различным механизмам – непосредственно как озон (в молекулярной форме) и виде радикала ОН*, который возникает при распаде озона в воде. Считается, что в нейтральной воде эти 2 канала реакций распределены поровну. В кислой среде преобладает молекулярный механизм, а в щелочной – радикальный.

Поскольку озон выступает в химических реакциях как окислитель, то можно судить о его окислительной способности, по так называемой величине окислительного потенциала. Значение величин окислительных потенциалов различных веществ –окислителей приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3. Окислительно-восстановительные потенциалы различных веществ.

Окислители

Окислительно-восстановительные потенциалы (ОВП)

Отношение ОВП озона к ОВП хлора

Фтор

3.06

2.25

Гидроксил радикал

2.80

2.05

Атомный кислород

2.42

1.78

ОЗОН

2.07

1.52

Перекись водорода

1.77

1.30

Хлорноватистая кислота

1.49

1.10

Хлор

1.36

1.00

Бром

1.07

0.74

Диоксид хлора

0.95

0.69

Йод

0.5

0.37

Из таблицы 1.3. следует, что озон является очень сильным окислителем. Из стабильных веществ он уступает только фтору и превосходит хлор в полтора раза.

1.3.1 Реакция озона с металлами.

Являясь сильным окислителем, озон в газовой фазе окисляет большинство металлов за исключением золота и некоторых металлов платиновой группы, оксиды высших степеней окисления, но эти реакции требуют обычно присутствие следов влаги. Щелочные и щелочноземельные металлы окисляются озоном так же, как и кислородом, только с большей скоростью.[6] Интересно, что пластинки золота и платины (и в меньшей степени серебра и меди) в атмосфере сухого озона приобретают отрицательный электрический заряд.[6]

Металлическое серебро хорошо окисляется озоном, как во влажном, так и в сухом газе в интервале температур от комнатной до 1000С с образованием коричневого оксида Ag2O. Последний является хорошим катализатором разложения озона.

Металлическая ртуть, как и серебро, окисляются озоном уже при комнатной температуре, при этом поверхность теряет уже присущую ей подвижность, прилипает к стеклу, а мениск ртути становится более плоским. Расплавленное олово при 5000С в присутствии 1% озона покрывается оксидной пленкой [9]. Озон в присутствии воды окисляет свинец с образованием гидрооксида. В отсутствие влаги основным продуктом этой реакции является темно-коричневый диоксид свинца.[10]. Полирование поверхности меди, цинка, железа, различных сталей в атмосфере влажного озона покрываются рыхлыми окислыми пленками, как и при обычной атмосферной коррозии. В сухой атмосфере эти поверхности пассивируются озоном, образуя защитные пленки. Аналогичная картина наблюдается для меди и цинка.

Взаимодействие металлов с озоном в растворах протекает более разнообразно. Так, если на золото озон в газовой фазе не действует, то небольшие его добавки способствуют растворению золота в растворах цианистого калия в 1.5-2 раза и серебра в 3 раза. [11]

Сильные окислительные свойства озона предложено использовать для селективного окисления минералов в водной среде. Так были получены сульфаты бария и стронция. [12] Сульфиды тяжелых металлов являются ценным металлургическим сырьем, поэтому перевод их в водорастворимые сульфаты (или оксиды), очень давно привлекал внимание. В настоящее время по этому вопросу накоплен большой лабораторный или полупромышленный массив экспериментальных данных. Речь идет о создании на основе выщелачивания металлов озоном из кислых пульп сульфидов. Эта гидрометаллургическая технология имеет целый ряд преимуществ перед используемой в настоящее время пирометаллургией.[13-17].

1.3.2 Реакции озона с неметаллами.

Неметаллы реагируют с озоном различным образом. Сухой фосфор, как белый, так и красный, окисляется озоном до P2О5[6]. Мышьяк подобно фосфору, сере, селену, теллуру в сухой атмосфере окисляется до оксидов, а в присутствии воды образуются соответствующие кислоты, а в щелочной воде – соли.

Азот не реагирует с озоном, но окислы азота (некоторые из них) реагируют очень легко, что делает возможность устранять их из газовых выбросов целого ряда предприятий [18,19]. Второй неприятный ингредиент многих газовых выбросов, двуокись серы – не реагирует с озоном в газовой фазе, но реагирует в растворе [18]. Цианиды (цианид-ионы) легко реагируют с озоном в водном растворе, и эти процессы, а также устранение из воды железа и марганца подробно рассматриваются ниже. [3]

Озон окисляет все галогены, кроме фтора, причем с увеличением порядкового номера элемента легкость окисления увеличивается. Эти процессы кратко рассматриваются в разделе, посвященном обработке воды в плавательных бассейнах.

1.4. Реакции озона с органическими соединениями.

Дать характеристику реакций всех основных органических веществ с озоном достаточно трудно. Возможно, лишь отметить некоторые общие положения, рассматривая прямое воздействие озона.[20]

Насыщенные алкильные соединения реагируют с озоном очень медленно. Большинство хлорированных углеводородов и даже ненасыщенные углеводороды не реагируют прямо с озоном. В этом случае необходимо косвенное взаимодействие с озоном через радикал ОН*. Бензол окисляется озоном очень медленно, а полициклические углеводороды быстрее. Время реакции озона с фенольными соединениями составляет насколько секунд.

- Карбоксильные кислоты, кетовые кислоты и ряд подобных соединений представляют собой конечные стабильные продукты процесса окисления органических веществ озоном.

- Амины при нейтральных значениях рН реагируют весьма медленно с озоном, при рН › 8 реакции окисления проходят быстрее. Однако в основном реакции окисления аминов идут через ОН радикалы. Четвертичные амины (ароматические амины) реагируют с озоном быстрее.

- Спирты могут взаимодействовать с озоном, образуя в качестве промежуточных соединений гидропероксиды. При этом они окисляются до карбоксильных кислот, в то время как вторичные спирты – до кетонов. Карбоновые кислоты с озоном реагируют слабо или не реагируют вообще.

- Меркаптаны окисляются с озоном до сульфоновых кислот. Бисульфиты и сульфоновые соединения являются промежуточными веществами. Аминокислоты, в состав которых входит сера (цистеин, цестин и метионин) реагируют быстро.

- Аминокислоты (составляющая часть белков) реагируют по электрофильному механизму.

- Среди пестицидов, содержащих эфиры фосфорной кислоты, наиболее известным является паратион. Озонирование этого соединения приводит к появлению параоксона, который более токсичен, чем паратион. Дальнейшее озонирование превращает параоксон в менее токсичные вещества (например, в нитрофенол, который затем окисляется до конечных продуктов – нитратов и СО2).

1.5. Озон, как инактиватор микрофлоры.

Как уже упоминалось выше озон обладает мощным бактерицидным и вирулентным (инактивирующим вирусы) действием.

В научной литературе (особенно популярной) часто утверждается, что озон действительно дезактивирует бактерии и вирусы сильнее, чем хлор (и это будет проиллюстрировано ниже), но к количественным оценкам этого преимущества надо относится с определенными оговорками.

В настоящее время при оценке эффективности того или иного дезинфектанта используется так называемый СхТ критерий, т.е. произведение концентрации реагента на время действия.

Можно сказать, что:

ВОЗДЕЙСТВИЕ (ИНАКТИВАЦИЯ) = Концентрация * Время воздействия.

В таблице 2.1. представлены для сравнения значения СхТ критерии для различных микроорганизмов – дезинфицирующих агентов.

Таблица 2.1. Значение СхТ критерия для различных микроорганизмов (99% инактивации при 5-25 °С. СхТ критерий (Мг/л*мин)

Вид микроорганизмов

Озон рН:6/7

Свободный хлор рН:6/7

Хлорамин рН:8/9

Двуокись хлора рН:6/7

Е-coli

0.02

0.03-0.05

95-180

0.4-0.75

Полиовирусы

0.1-0.2

1.1-2.5

770-3470

0.2-6.7

Ротавирусы

0.006-0.06

0.01-0.05

3810-6480

0.2-2.1

Гардиалямблацисты

0.5-0.6

47-150

-

-

Гардиа мюрисцисты

1.8-2.0

30-630

1400

7.2-18.5

Криптоспоридиум

3.2-18.4

7200

7200

78

Очевидно, что озон превосходит такие дезинфектанты как хлор, хлорамин и двуокись хлора, но по-разному для различных патогенов. Для такого патогенна как кишечная палочка (Е-coli) озон более эффективен, чем хлор, но ненамного. В то же время для криптоспоридиума отношение СхТ критериев этих дезинфекторов приближается к 1000. В принципе озону могут составить конкуренцию такие дезинфицирующие реагенты как хлор, бром, йод, двуокись хлора и серебро.

Молекулярный газообразный хлор, растворяясь в воде, распадается, производя хлористую кислоту HOCl, которая, в свою очередь, диссоциирует в воде на анион СlО- и катион Н+. Степень этой диссоциации определяется кислотностью среды. Установлено, что при рН = 8 концентрация недиссоциироавшей кислоты ≈ 20%, а при рН = 7, концентрация НСlО≈80%. Так как сильным бактерицидным действием обладает именно НСlО, то при использовании хлора (даже в виде гипохлорита) необходимо поддерживать оптимальное значение рН.

Йод, как дезинфектант, используется для инактивации микрофлоры в небольших системах водоподготовки и иногда в плавательных бассейнах небольшого объема. По своим дезинцифицирующим свойствам йод слабее хлора и тем более озона, но он более удобен в транспортировке.

Бром, в принципе, может использовать для целей дезинцификации, однако, в присутствии других окислителей он образует броматы, производные кислоты HBrO3, которые являются весьма вредными и им соответствует низкое значение ПДК. Эта проблема – образование броматов при озонировании бром-содержащих вод является достаточно серьезной, и мы остановимся на ней в разделе «Использовании озона для подготовки питьевой воды». Серебро – экзотический, но весьма слабый дезинфектант, и используется редко.

Кроме того, в последнее время отечественная и зарубежная промышленность предлагает ряд органических веществ, обладающих сильным дезинфицирующим действием. Однако все они имеют те или иные недостатки и большого распространении до настоящего времени не нашли.

Таким образом, реальным конкурентом озону может быть только хлор. К сожалению, у хлора есть существенные недостатки:

- Долгое время использовался жидкий хлор из баллонов под давлением, что являлось большой проблемой с точки зрения безопасности. В настоящее время хлор получают или используют гипохлорит, который, растворяясь в воде, создает необходимую концентрацию свободного хлора. Надо отметить, что под термином «свободный хлор» понимают концентрацию хлорноватистой кислоты HСlO. Использование гипохлорита вызывают необходимость в хранении запаса реагента, но гипохлорит при хранении разлагается, и содержание свободного хлора падает.

- Одно из основных неприятных свойств хлора, заключается в том, что при его реакциях с большинством органических соединений возникает целый спектр хлорорганических производных, большинство из которых сильно ядовиты. Хлорфенолы и особенно полихлорфенолы, некоторые из последних, так называемые диоксины, являются одними из сильнейших известных в настоящее врем органических ядов, причем действие этих токсинов заключается в разрушении иммунной системы человека, так что говоря о диоксинах иногда используют термин «химический СПИД».

Хлор очень легко взаимодействует с аммиаком, образуя хлорамины. Эти вещества обладают весьма слабым дезинфицирующим действием, но чрезвычайно сильно раздражают слизистые оболочки глаз и носоглотки. Хлорамины часто называют «связанным хлором». Этот связанный хлор в 5-10 раз более сильный раздражитель, чем свободный хлор.

Озон также может образовывать промежуточные соединения (by products) при озонировании газовых и конденсированных сред. Теоретически можно допустить, что образующиеся by products более токсичны, чем озон.

Эта проблема была предметом исследований многих ученых всего мира. Концентрации и состав промежуточных веществ, возникающих при озонировании, сильно зависят от того, озонируется ли питьевая или сточная вода. Безусловно, в первом случае образуется гораздо меньше by products и состав их более очевиден. Все эти вопросы будут рассмотрены в соответствующих разделах обзора. Можно резюмировать достаточно согласующиеся результаты многолетних исследований следующим образом [25]:

  • В подавляющем большинстве случае промежуточные продукты окисления загрязнителей озоном МЕНЕЕ ТОКСИЧНЫ, чем исходные ингредиенты.

  • Прямое сопоставление промежуточных веществ, образующихся при сравнительных экспериментах по хлорированию и озонированию показало, что в первом случае образуется гораздо больше нежелательных by products [25].

Прямое сопоставление хлора и озона в качестве дезинфектантов микрофлоры делалось в многочисленных экспериментальных исследованиях и на работающих водоочистительных станциях. Отметим лишь некоторые из известных работ:

М. Кейн и Глекнер [3] изучали действие озона и хлора на цисты (плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов) Endamoeba hystolica и на бактерии, сопутствующие этим культурам. Установлено, что время, необходимое для уничтожения этих организмов при остаточной концентрации озона 0.3 мг/л составляет 2-7.5 мин, а для хлора (остаточная концентрация 0.5-1 мг/л) гораздо больше – 15-20 мин.

Вирусологи США и Германии в 40х-60х годах провели ряд исследований с суспензиями вируса полиоэмилита в целях его инактивации с помощью хлора, озона и двуокиси хлора [3].

Выводы из этих исследований могут быть представлены в следующем виде:

  1. Инактивация вируса полиомиелита хлором достигается дозой 0.1 мг/л при температуре воды 18 ºС, при температуре воды 7 ºС доза хлора должна быть не менее 0.25 мг/л.

  2. Инактивация вируса с помощью озона достигается дозой 0.1 мг/л при температуре воды 18 ºС, для холодной воды 7ºС доза должна быть повышена до 0.15 мг/л.

  3. При использовании двуокиси хлора необходимо использовать дозу 0.6 мг/л (18 ºС). Для воды с температурой 7 ºС доза двуокиси хлора должна составлять 1 мг/л.

По данным Науманна [21] возбудители полиомиелита уничтожаются озоном за 2 мин при концентрации 0.45 мг/л, тогда как при хлорировании дозой 1 мг/л для этого требуется 3 часа.

По мнению ряда авторов, [22-24] озон успешно устраняет микроводоросли и простейшие активнее, чем хлор. Так озон при концентрации 15 мг/л за 3 мин разрушает виды простейших, которые сохраняют свою активность при обработке воды дозой хлора 250 мг/л в течение продолжительного времени.

Личинки моллюска дрейсены при дозе озона 0.9-1.0 мг/л погибли на 90%, при дозе 2 мг/л – 98%, при дозе 3 мг/л – полностью. Взрослые формы моллюска погибали при более длительной обработке озонированной водой (до 30 мин).

Правда, цветущие водоросли, обычно бурно размножаются в открытых бассейнах на солнечном свете, слабо подвержены действию озона. Здесь используют ударные дозы хлора. Эту обработку проводят обычно ночью при профилактической чистке таких бассейнов.

Риденор и Инголс из США [3] обрабатывали хлором и озоном суспензии e-coli в дистиллированной воде при Нр = 6.8 и температура 1 ºС. В этих условиях бактерицидные дозы, вызывающие гибель 99% колоний e-coli составляли для хлора 0.25-0.3 мг/л за 16 мин, а для озона 0.5 мг/л за 1 мин.

Многолетняя история использования этих двух дезинфектантов на больших водоочистных станциях содержит богатый фактический материал, позволяющий судить об их преимуществах и недостатках. В упоминавшейся уже книге «Озонирование воды» [3] приводится ряд интересных примеров.

Так за время длительной эксплуатации станции в Ницце в озонированной воде никогда не обнаруживалось появление бактерий Escherichia coli и Clostridium pertringers.

На фильтровальной станции Бельмонт в Филадельфии (США) озонирование воды показало результаты по устранению e-coli более успешно, чем результаты достигнутые при хлорировании.

Исследования по озонированию воды проводились на Восточной водопроводной станции в г. Москва. Эффект обеззараживания воды озоном при содержании общего количества бактерий в 1 мл 800-1200 ед. составляет: при дозе озона 1 мл/л 60-65%, при дозе 2 мл/л – 85%, при дозе 3 мл/л – 90-95%. Приемлемой дозой озона следует считать 3-4 мл/л.

На Рублевской водопроводной станции (г. Москва) проводили озонирование воды реки Москвы. Общее число бактерий в 1 мл воды после введения озона снижалось на 92-99% в пределах времени от 1-25 мин. Бактерицидная доза озона соответствовала такой, после обработки, которой нельзя было обнаружить e-coli в 500 мл. воды. Повышение мутности с 6.8 до 12 мг/л и цветности с 3.2 до 18 град. требовало увеличения бактерицидной дозы озона с 3.2 до 4.1 мг/л.

Подводя некоторый итог предельно краткому сопоставлению озона, хлора и двуокиси хлора как агента для очистки и обеззараживания воды отметим, что в определенном смысле этот спор был решен самой жизнью. Действительно опыт работы водоочистительных станций, использующих озон и хлор полностью свидетельствует в пользу озона.

Так сопоставляя работу французской станции водоподготовки в Сен-Мор и станции в Чикаго (США) В. Ф. Кожинов [3] отмечает, что в первом случае болезни «водного происхождения» были зарегистрированы лишь в 1 случае на 100 тыс. жителей, хотя концентрация остаточного озона в воде не превышала 0.05 мг/л.

В то же время в Чикаго имели место вспышки желудочно-кишечных заболеваний несмотря на весьма значительное содержание хлора в водопроводной воде.

Один из крупнейших гигиенистов прошлого века Уотсон высказал на международном конгрессе по водоснабжению в Стокгольме (июль 1964 г.) такое мнение: «Наиболее существенным возражением против озонирования обычно считают отсутствие остаточного озона в разводящей водопроводной сети, тогда как при хлорировании в сети может быть обнаружен остаточный хлор. Эксперименты, проведенные в г. Аштоне (Англия) показали, что в обеззараженной озоном воде, циркулирующей в исправной водопроводной сети трубопроводов, не происходит ухудшение ее качеств. Контрольные пробы озонированной воды, взятые из сети, оказались совершенно равноценными пробам, содержащим остаточный хлор в воде, взятых из других источников. Установлено также, что небольшие количества остаточного хлора, имеющиеся в трубопроводах, не могут оказать никакого обеззараживающего действия на загрязнения, вызванные повреждениями коммуникаций. Т.е. присутствие остаточного хлора в трубопроводах еще не означает непременной бактериальной чистоты воды, хотя зачастую ее считают именно такой [21].

Один из авторов этого обзора обсуждал данную проблему с ведущими работниками цюриховского водопровода, и они подтвердили мнение Уотсона, что при использовании чистых труб в водопроводных сетях, повторного заражения озонированной воды не происходит.

Даже из этого краткого сопоставления озона с другими окислителями-дезинфектантами преимущества озона бесспорны.

Подводя некоторый итог предельно краткому сопоставлению озона, хлора и двуокиси хлора как агента для очистки и обеззараживания воды отметим, что в определенном смысле этот спор был решен самой жизнью. Действительно опыт работы водоочистительных станций, использующих озон и хлор полностью свидетельствует в пользу озона.

1.6 Другие преимущества озона.

Из-за краткости обзора мы не останавливаемся здесь на таких положительных свойствах озона как усиление процессов коагуляции-флоккуляции, эффективное воздействие на процесс микрофлоккуляции, несравненно более высокое качество воды в плавательных бассейнах, использующих озон вместо хлора и ряд других.

Наконец, проблема стоимости. Бытует мнение, что озонирование значительно дороже хлорирования. Однако это не так. В процессе хлорирования возникает необходимость устранить излишний хлор из воды, провести так называемое дехлорирование. Обычно это делают, применяя специальные реагенты. С учетом этого фактора, а также тенденций непрерывного понижения цены на озонаторное оборудование и повышение цены на хлор и хлор-продукты, в настоящее время стоимость этих процессов практически сопоставима.

Тем не менее, хлорирование, если говорить о нашей стране, используется чаще, чем озонирование. Почему? Есть несколько причин.

Работать с хлором, особенно если речь идет о баллонах с жидким хлором, сравнительно просто. Достаточно отвернуть вентиль баллона или вылить в бассейн ведро гипохлорита, как, в первом приближении, все проблемы с дезинцификацией решены. Это, безусловно, проще, чем следить за концентрацией озона, выходящего из озонатора, учитывая, что озонатор сравнительно сложный аппарат и надо быть уверенным, что он неожиданно не отключится.

Вот здесь и возникает вторая (а может быть и первая) причина слабой распространенности озона. До самого последнего времени надежность озонаторного оборудования оставляла желать лучшего, а низкий уровень автоматизации предполагал необходимость использования обслуживающего персонала относительно высокой квалификации.

В разделе «Получение озона» мы остановимся на рассмотрении этой проблемы более детально и критически рассмотрим существующие конструкции именно под углом надежности и простоты оборудования. Лишь последнее поколение озонаторов фирмы «Позитрон» позволяет за счет высокой автоматизации и надежности конструкции, свести обслуживание озонирующей аппаратуры к минимуму, точнее к нажатию одной кнопки.

1.7 Токсикология озона

Токсичные свойства озона стали предметом многочисленных исследований, начиная с 40х годов прошлого столетия. В это время в Лос-Анджелесе (США), а затем во многих других городах, наблюдалось появление так называемого фотохимического смога. Под действием солнечной радиации автомобильные выбросы (углеводороды и окись азота) трансформировались в результате сложной цепи фотохимических реакций в озон и органические перекиси, в том числе в бензопирен-очень сильный канцероген. При этом в ряде случаев концентрация озона достигала 10 ПДК (≈ 1 мг/м³). У людей, подвергшимся действию фотохимического смока, наблюдалось раздражение глаз и слизистых оболочек дыхательного тракта. После пребывания определенного времени на свежем воздухе неприятные симптомы исчезали.

Технический прогресс и в первую очередь применение каталитических нейтрализаторов автомобильных выбросов практически полностью устранили причины, вызывающие фотохимический смог. Тщательные экспериментальные исследования на людях и животных прояснили достаточно полно вопрос о токсичности озона. Можно сказать, (по нашему мнению) что в определенном смысле страхи о токсичности озона являются мифом. Да, озон относят к веществам с первым классом опасности. Его ПДК ниже, чем у таких веществ как хлор и цианистый водород (ПДК хлора = 1 мг/м³, ПДК цианистого водорода = 0.3 мг/м³). Дело в том, что при установлении величины ПДК учитывается не только летальная доза, но и упругость пара данного вещества. Так как озон крайне летучий газ (Тº кип = -111 ºС), то значение токсичности оказывается высоким. Но, необходимо подчеркнуть, что за полтора столетия знакомства человечества с озоном неизвестно ни одного случая летального отравления озоном. Да и вообще не наблюдалось ни одного случая серьезного отравления озоном, который бы потребовал пребывание в медицинском стационаре. Наибольшее влияние озон оказывает на органы дыхания. Меняется частота дыхания, объем воздуха при вдохе, жизненная и остаточная емкость легких. Но в книге венгерского специалиста по озону М. Хорвата [6] описан эксперимент, в котором 5 человек помещали в специальную камеру с максимальной выдержкой 6 ррм озона в течение 1 часа (6 ррм ≈ 120 ПДК) и минимальной 1.2 ррм (≈ 24 ПДК) в течение 2.5 часов. Ощущение вкуса, давление крови, частоты пульса не было обнаружено. Было найдено, что снижалось ощущение запаха, однако не ясно, воздействует ли озон на нервную систему или «перебивает» запах вещества датчика. Не было обнаружено также никакого изменения в составе крови.

Опыты, проведенные на малых животных, показали, что имеется привыкание организма к озону, после чего он способен переносить и летальные дозы. Однако необходимо сделать существенное замечание именно по летальным дозам озона.

Одному из авторов этого обзора приходилось при работе с озоном, в силу непредусмотренных обстоятельств вдыхать озон в концентрации 20-40 г/м³, что соответствует (10-30)- 10³ ррм, и лежит много выше летальной кривой 4. Ощущение было весьма неприятным, но пребывание на свежем воздухе полностью восстановили нормальное дыхание. Даже если у человека насморк, и он не ощущает запах озона, сейчас в продаже имеются простые и надежные «озоновые щупы», позволяющие быстро найти любую утечку озона.

1.8 Заключение

Озон, как уникальный окислитель-дезинфектант получил широкое распространение в мире, в первую очередь в области подготовки питьевой воды. Во Франции, например, функционирует несколько тысяч водоочистных предприятий, использующих озон. Физико-химические свойства озона весьма своеобразны. Он хорошо растворяется в воде, но быстро в ней разлагается, особенно если есть примеси загрязнителей. Поэтому время жизни, особенно с нейтральным РН может меняться от часов (сверхчистая вода) до секунд (щелочные растворы, органические примеси).

Как сильный окислитель (его окислительный потенциал уступает, из стабильных веществ, только фтору), озон окисляет практически все металлы, исключая золото. Со многими веществами озон реагирует с взрывом. Озон реагирует с растворами хлора в воде, что существенно при использовании этих веществ для обработки воды в плавательных бассейнах. Реакции с органическими веществами зависят, в первую очередь, от природы органических веществ. Соединения с ненасыщенными связями окисляются очень быстро. Другие же вещества, как органические кислоты (щавелевые, уксусные, и.т.п), а также спирты и кетоны реагируют очень медленно. Скорости реакций с озоном в растворе зависят очень сильно от РН среды, т.к. в кислой среде реализуется молекулярный механизм окисления, где действует сам озон, а в щелочной – радикал ОН*.

Не менее, а может, и более ценным свойством озона является его чрезвычайно эффективная способность к устранению микрофлоры. Здесь он превосходит другие распространенные дезинфектанты (в первую очередь хлор) в 3-1000 раз, в зависимости от вида патогенной микрофлоры. Губительно действие озона и на такие микроорганизмы как грибы и водоросли, хотя в этом случае многое зависит от условий обработки.

Несмотря на эти очевидные преимущества в целом ряде производств (в первую очередь в водоподготовке) весьма часто вместо озона используют хлор и его соединения. Это связано с рядом предубеждений. Считается, что применение озона значительно дороже, чем использование хлора. В ряде квалифицированных сопоставлений стоимостных показателей озонной и хлорной очистки, когда учитывалась стоимость заключительного процесса дехлорирования, показано, что суммарные расходы практически одинаковы, а в ряде случаев, когда транспортировка химических реактивов затруднена или сильно затратна, использование озона выгоднее других окислителей-дезинфектантов.

Правда, само производство озона является технически более сложным процессом, чем получение хлора. Ранее часто имели место претензии к сложности обслуживания и надежности озонаторного оборудования. Сейчас эта ситуация изменилась в лучшую сторону. Последние разработки предлагаемые группой компаний VIRIL GROUP отличаются высокой степенью автоматизации. Для включения озонатора и его дальнейшей работы достаточно нажать одну кнопку.

Наконец существует предвзятое мнение о чрезвычайно высокой токсичности газообразного озона. Действительно, для озона существует весьма низкое значение предельно допустимой концентрации ПДК=0,1 мг/л. НО это объясняется в первую очередь его очень высокой летучестью (озон сжижается при -1110 C) Во всяком случае, за 100 лет существования озона не известно ни одного серьезного случая отравления им, не говоря уж об отравлениях с летальным исходом

1.9 Список литературы

[1] Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Самойлович В.Г. «Озонирование в процессах очистки воды» М. Дели принт. 2007 г.

[2] Инж. В.В. Караффа-Корбутть «Озонъ и его применение въ промышленности и санитарiи» Изд. «Образование» СпП. 1912 г.

[3] В.Ф. Кожинов, И.В. Кожинов «Озонирование воды» М. Стройиздат 1973 г.

[4] В.В. Лунин, М.П. Попович, С.Н. Ткаченко «Физическая химия озона» Изд. МГУ 1998г.

[5] Manley Т.С., Negowski S.J. «Ozone» in Encyclopedic of chemical Technology. SecondEd. Vol 14. N.J. 1967.

[6] Чуднов А.Ф. Реакция озона с неорганическими веществами. Труды кузбасского политехнического института. Г.Кемерово. 1979г.

[7] HozvatsM.L. BilitzkilandHutter. Ozoneed. AkademiaKiado. Budapest.1985

[8] Коган Б.Ф. и др. Справочник по растворимости. Т1 кн.1 м.1961

[9] Manchot E. Kampsihulte Berichte b.40 2891.1907

[10] Там же. B.43.750.1910

[11] Андреев Н.И. Известия С-П политехнического института.1908. т.9 №19 стр.447

[12] RonrebertE. DazOzone. Huttart 1916.

[13] Крылова Л.Н. Физико-химические свойства комбинированной технологии переработки смешанных медных руд удоканского месторождения. Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 2008г.

[14] Крылова Л.Н. и др. «Применение озона в гидрометаллургии. Материалы первой всероссийской конференции «Озон и другие экологически чистые окислители». 2005г. Москва, МГУ, стр155

[15] Акопян С.З. и др. Кинетика окисления дисульфида озоном. Материалы второй всесоюзной конференции по озону. Москва, 1977, с.6

[16] Бабаян Г.Г. и др. Обезмеживание электролитных шлаков меднохимического производства с помощью озона. стр.153.

[17] Чтян Г.С. и др. Механизм процесса переработки медноэлектролитных шлаков озоном. Материалы совещания «Химия и технология редних элементов» Ереван. 1978г. С 122.

[18] Семачев В.Ю. Семачев В.Ю. Разработка озонного способа очистки дымовых газов ТЭС. Автореферат дисстертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва 1987г.

[19] Новоселов С.С. и др. «Озоновый метод очистки дымовых газов».Теплоэнергетика 1986г. №9.

[20] Разумовский С.Д. Замков Д.Е. Озон и его реакции с органическими соединениями. М. 1974г.

[21] DojbidoJ. Etol. «Образование промежуточных веществ в процессе озонирования и хлорирования» Wat. Res. 1999. 33. №4 р3111 – 3118.



Промышленность Коттедж Бассейн Другое Тесты для анализа воды
В помещении
Клиентам Сотрудничество Дополнительно Компания