Очищення питної води озонуванням

        Очищення води - найгостріша проблема сьогоднішнього дня. Об'єм забрудненої води постійно збільшується, і навіть та, що використовується для водопостачання, часто не може похвалитися по-справжньому високою якістю. Близько 90% всіх водних ресурсів потребують постійного очищення, а існуючі джерела прісної води не справляються з потребами, які пред'являють мільярди людей в цілому, так і окремі міста, організації і землевласники.

          Якісна питна вода – проблема, з якою ми зустрічаємось у нашому повксякденному житті та під час позаштатних ситуацій: при виникненні аварій або в зонах екологічних лих. У багатьох випадках водозабір здійснюється із джерел, які мають несприятливу мікробіологію або використовуються поверхневі води, в яких присутні хвороботворні бактерії. Нерідкі ситуації, коли застосовується застаріле обладнання, яке вже відпрацювало свій експлуатаційний термін і, як наслідок  цього, недотримання санітарно-гігієнічних норм.

             Реальними практичними методами, що володіють необхідним потенціалом знезараження води і пройшли перевірку на діючих великомасштабних спорудах водопідготовки, сьогодні є хлорування,  озонування та ін.

           Хлорування - найбільш поширений спосіб обробки питної води.

           Альтернативою процесу хлорування води є її знезараження за допомогою озону. Процес озонування, як і процес хлорування, здійснюється просто шляхом контакту води з газом. Озон - дуже сильний окислювач, що руйнує бактерії і віруси. На відміну від хлорування, при якому хлор може з'єднуватися з вуглеводнями, що містяться у воді, при озонуванні хлорованих вуглеводнів не утворюється; навпаки, озон може руйнувати присутні у воді вуглеводні сполуки шляхом їх окислення. Більш того, озон ефективний при знебарвленні води і не створює стороннього присмаку і запаху.

         В даний час 95% питної води в Європі проходить озонну підготовку. У США йде процес переведення з хлорування на озонування.

                     Альтернативою процесу хлорування води є її знезараження за допомогою озону. Процес озонування, як і процес хлорування, здійснюється просто шляхом контакту води з газом. Озон - дуже сильний окислювач, що руйнує бактерії і віруси. На відміну від хлорування, при якому хлор може з'єднуватися з вуглеводнями, що містяться у воді, при озонуванні хлорованих вуглеводнів не утворюється; навпаки, озон може руйнувати присутні у воді вуглеводні шляхом їх окислення. Більш того, озон сам по собі ефективний при знебарвленні води і не створює стороннього присмаку і запаху.

         Озон - безбарвний газ із сильним своєрідним запахом, токсичний, вибухонебезпечний, порівняно легко самовільно розкладається. У чистому і сухому повітрі розкладання його відбувається повільніше, ніж у вологому і забрудненому. Численними дослідженнями встановлено, що озон має високу бактерицидну дію. Крім того, відзначено більш сильну дію озону на спорові форми, а також і більш швидке знезаражуючі дії озону в порівнянні з хлором. Разом з тим обробка води озоном має свої особливості, які часто не дозволяють реалізувати його переваги як знезаражуючого реагенту. У зв'язку з цим у практиці іноді разом з обробкою води озоном перед подачею в мережу її піддають додатковому знезараженню хлором.

         В останні роки зріс інтерес до озону як речовини, здатного видаляти з води забруднення. Окилювальна дія озону на органічні речовини може протікати в різних формах: безпосереднє окислення шляхом втрати атома кисню, а також шляхом впровадження молекулярного озону в молекулу речовини (озоналіз); каталітичну дію, збільшуючи окисну роль кисню, що міститься в озонованому повітрі. В результаті окислення також утворюються шкідливі речовини, які необхідно видаляти, що призводить до ускладнення технологічного процесу і збільшує вартість очищення води.

          Озон - це нестійкий трьохатомний кисень, що володіє сильними знезаражувальними властивостями і що є сильним окислювачем. Озон руйнує органічні сполуки і мікроорганізми, при цьому розкладаючись на кисень.

                           О₃ = О₂ + О – 100,56 кДж;                                                          

                           О + О₃ = 2О₂ + 398,05 кДж;                                                        

            Сумарна реакція:

                            2О₂ = 3О₂ + 297,49 кДж.                                                        

            Озон — алотропна модифікація кисню (О₃ ). В нижніх шарах атмосфери його вміст незначний. Найбільша його концентрація в стратосфері між висотами 10 і 40 км. Озон значно поглинає ультрафіолетову радіацію.  Хімічно-активний газ синього кольору з різким запахом, сильний окиснювач. При великих концентраціях розкладається з вибухом. Утворюється з кисню при електричному розряді (наприклад, під час грози). Основна маса озону знаходиться у верхньому шарі атмосфери — озоносфері, на висоті від 10 до 50 км із максимумом концентрації на висоті 20-25 км. Цей шар охороняє живі організми Землі від шкідливого впливу короткохвильової ультрафіолетової радіації Сонця (може викликати рак шкіри). Зараз під впливом хлорфторвуглеців цей шар руйнується, що може негативно вплинути на жителів Землі. У багатьох країнах використання таких речовин, що входять у різні аерозолі, заборонено. У промисловості озон одержують під дією на повітря електричного заряду, його використовують, зокрема, для знезаражування води і повітря. Температура кипіння озону −112 °C; вага 1 л — 2,14 г. Утворює озоніди (сполуки лужних металів і амонію, які містять аніони О^3- ). Легко розкладається (О₃ → О + О₂ ). Вміст у повітрі: влітку — до 7•10^-6 % об'ємних, взимку — 2•10^-6 %. На висоті 20-25 км знаходиться прошарок в атмосфері Землі, де концентрація озону найбільша (так званий озоновий прошарок). Саме він захищає Землю від ультрафіолетового випромінювання космосу. У другій половині ХХ ст. зафіксована тенденція до потоншання цього прошарку і навіть утворення «озонових дірок» — областей зі зниженою концентрацією озону в озоновому прошарку. Це явище пов'язують із антропогенним забрудненням атмосфери, зокрема фреонами. Озон утворюється при дії електричного розряду або ультрафіолетового випромінювання на повітря. Використовується у хімічному синтезі, для стерилізації води, для дезинфекції й дезодорації повітря, вибілювання тканин, паперу, мінеральних масел тощо. Бактерицидний засіб. Є мутагеном. Гранично допустима концентрація у повітрі — 1 мг/м³ .

         Озон має дуже високу окислювальну здатність (Е₀ =+2,07 В; в лужному середовищі Е₀ =1,24 В) і за нормальної температури руйнує багато органічних сполук. Під час озонування одночасно відбувається окиснення домішок, знебарвлення, дезодорація, знезараження стічної води та насичення її киснем.

             Молекула озону триатомна й має трикутну будову (малюнок 2.2).

                                    Малюнок 2.2 - Будова молекули озону

            За тиску 0,1 МПа і 0^о С в 1 дм³ води розчиняється 1,42 г озону, при 10^о С—1,04 г, при 30^о С—0,45 г. Розчинність озону у воді залежить від величини рН та кількості домішок у воді. За наявності кислот і солей розчинність озону у воді зростає, за наявності лугів – зменшується. Озон дисоціює на повітрі та у водному розчині, перетворюючись на оксиген. У водному розчині озон дисоціює швидше.     Розкладання озону у воді різко зростає в разі підвищення рН та температури. Стійкість озону в нейтральному та кислому середовищах пов’язана з утворенням асоціатів НО₃ ⁺ , гідратна оболонка яких уповільнює реакцію:

                        О₃ + Н₂ О = О₂ + О + Н₂ О                                                              

              Розкладання озону у воді прискорюється за наявності активованого вугілля, металів змінної валентності (мангану, кобальту, феруму) деяких оксидів (Р₂ О₅ ), пероксиду барію (ВаО₂ ). Такі матеріали, як фторо- та хлоровмісні пластмаси, скло, деякі матеріали, не вливають на стійкість озону.

                В основу промислового одержання озону покладено реакцію розщеплення молекули кисню на атоми під дією тихого або бар’єрного розряду. Висока реакційна здатність озону зумовлена великою надлишковою енергією молекули:

                          О₃ = 3/2 О₂ + 100 кДж/моль                                                     

               Озон реагує з насиченими органічними сполуками з утворенням вільних радикалів. Лімітуючою стадією процесу є вплив озону на зв'язок С-Н

                             RH + O₃ = R^. + HO^. + O₂ ( або R + HO^.₃)                               

                Радикали R^., які утворилися в атмосфері оксисену, переважно перетворюються на пероксид радикали помірної активності. Тому ланцюгова реакція окиснення може виникнути лише за достатньо високої температури, коли швидкість реакції зростання ланцюга перевищує реакцію його обірванця. За невисокої температури окиснення озоном відбувається як не ланцюгова реакція з утворенням гілроксигідропероксидів:

                                R^. + О₂ = RО₂ ^.;                                                                                                               

Альдегіди в свою чергу, окислюються до кислот, які розкладаються в розбавлених водних розчинах до органічних кислот та пероксиду гідрогену. Паралельно може відбуватися реакція окиснення гідроксильного радикалу:

                                       HO^. + O₃ = HO₂ ^. + O₂                                                                                                                  з наступною комбінацією пероксид радикалів:

                                   2HO₂ ^. = Н₂ О₂ + O_2.                                                           

               Проте насправді пероксид гідрогену не накопичується і витрата озону в нейтральному та кислому середовищах відповідає реакції

                                   R-CH₂ OH + 2O₃ = RCOOH + 2O₂ + H₂ O                       

                У момент виділення пероксид гідрогену реагує з озоном:

                                   H₂ O₂ + O₃ = H₂ O + 2O₂ .                                                 

             Крім того, можливо, що озон витрачається на розкладання гідрокси – гідроксипероксидів та надкислот. Швидкість реакції за цих умов зростає, що, ймовірно, зумовлено розкладання пероксид гідрогену, гідропероксиду, надкислоти та озону. Одночасне збільшення кількості генерованих первинних радикалів ініціює процес окиснення. Отже для прискорення процесу ініціювання процес окиснення озоном доцільно проводити в лужному середовищі. Для більшості органічних сполук проміжними та кінцевими продуктами окиснення є спирти, альдегіди(кетони) та кислоти.

            Озон утворюється з кисню. Його синтез може бути здійснений різними методами; найбільш поширеними є: електролітичний, хімічний, фотохімічний і електросинтез. Крім того, озон отримують при іонізуючих випромінюваннях.  

Перелік використаих джерел

1. Чиста вода: традиції та новації: Навчальний посібник / О. Ю. Сартакова, О. М. Горєлова. - Барнаул: Издат-во Алт ГТУ, 2002. - 178 с..

2. Озонування в процесах очищення води / В. Л. Драгинський, Л. П.Алексєєва, В.Г. Самойлович. - М. : Делі принт, 2007. - 400 с. . Орлов В.А.

3.  Озонування води / в. А. Орлов. - М.: Стройиздат, 1984. - 88 с.. Пат.2136600 Рос. Федерація: МПК6 з 02 F 1/46, C 02 а 7/00.