2.5. Озонирование

Озон (О₃) универсален для обеззараживания, обесцвечивания, дезодорирования воды, поэтому используется как в водоочистке, так и в водоподготовке. Будучи сильным окислителем, он удаляет Fe, Mn, окисляет даже фенолы ArOH (чего не делает хлор). Сам О₃ сильно токсичен (ПДК_возд = 0,0001 мг/м³), сильно коррозионно активен, не до конца разрушает органические соединения (хотя окисляет даже канцерогенные ароматические углеводороды), а в трубопроводах уве-личивает количество бактерий (т. к. они питаются продуктами окисле-ния органических соединений – альдегидами и т. п.). В отличие от хло-ра, озон практически не имеет запаха, но действие его кратковременно – как обеззараживающий агент озон уступает хлору, несмотря на то, что бактерии погибают в тысячи раз быстрее, чем от Cl₂.

Окисляющее действие озона проявляется в четырех основных направлениях: прямое, непрямое окисление, катализ и озонолиз. Преобладание той или иной формы окислительного действия зависит от многих параметров. При диспергировании О₃ в воду происходит значительное обогащение ее О₂.

Прямое окисление выражается в переводе металлов в оксиды, Mn²⁺  Mn⁴⁺ (MnО₄^–), Fe²⁺  Fe³⁺ , в окислении ArOH, нефтепродуктов H₂S, CN^ и др.

Кинетика процессов прямого окисления подчиняется уравнению

ln C_/C₀ = [O₃] , (151)

где C_, C₀ – начальная и текущая концентрации окисляемого вещества, мг/л;   константа скорости реакции, л/моль·с; [O₃] – равновесная концентрация озона во время реакции, мг/л;   продолжительность озонирования, с.

Непрямое окисление происходит за счет увеличения количества радикалов ОН, образующихся при переходе из газа в жидкость и при саморазрушении озона. Интенсивность процесса непрямого окисления пропорциональна количеству разложившегося О₃ и обратно пропор-циональна концентрации загрязнителя.

Катализ других окислительных процессов с участием кислорода заключается в усилении озоном окисляющего действия О₂ (и обогащении воды О₂).

Озонолиз – это разрушение органических молекул по месту кратных связей, на которых фиксируется озон

С=С + О₃ → С – О С (нестойкие озониды) (152)

\ /

О – О



+Н₂О/Н₂О₂

С=О О=С (альдегиды и кетоны)

Чистый озон получают из О₂ воздуха в генераторах (озонаторах) под действием электрического разряда. Воздух предварительно осуша-ют (иначе снижается выход озона), окислитель подают в сточную воду в виде озоно-кислородной смеси (3 % О₃), диспергируют. Происходит абсорбция газов, и реакция озонирования идет в жидкой фазе.

УФ-облучение ускоряет окисление под действием озона в 10²–10⁴ раз. Важным показателем процесса является коэффициент использования озона, для повышения эффективности применяют двух-ступенчатые системы с так называемым предварительным озони-рованием сточной воды уже отработанной озоно-воздушной смесью.

Требуется очистка отходящих газов от остатка озона, причем деструкция остаточного озона перед выбросом в атмосферу осуществ-ляется различными путями: 1) адсорбция на С_акт (одновременно сорбирует органику), расход сорбента примерно 450 г на 1 кг озона, диаметр зерен 16 мм; 2) катализ на Pt – применим, если большая концентрация озона: О₃  О₂ + О ( = 1 сек.); 3) пиролиз (если малая концентрация) осуществляется в термодеструкторе при Т = 340350 ^оС.

Окисление отдельных веществ приведено схемами:

H₂S + O₃  H₂O + SO₂; 3H₂S + 4O₃ = 3H₂SO₄; (154)

NCS^ + 2O₃ + 2OH^  CN^ + SO₃^2 + 2O₂ + H₂O; (155)

CN^ + SO₃^2– + 2O₃  CNO^ + SO₄^2- + 2O₂; (156)

(рН  7, нейтральная или слабокислая среда)

NH₃ + 2O₃  NO₃^ + O₂ + H₂O + H⁺; (157)

(рН 7, в щелочных средах)

CN^ + O₃  OCN^ + O₂. (158)

Дальнейший гидролиз изоцианта:

OCN^ + 2H⁺ + 2H₂O  CO₂ + H₂O + NH₃; (159)

OCN^ + 2H₂O  HCO₃^  + NH₃, (160)

и доокисление изоцианата:

2OCN^ + H₂O + 3О₃  2НCO₃ + 3O₂ + N₂. (161)

В интервале рН = 10,5÷13,0 скорость окисления практически не зависит от концентрации ионов (ОН^), а если [О₃] = const, то может быть выражена уравнением

V = d (CN^) / d  k₂[CN^]ⁿ, (162)

где n может варьироваться, а k₂ = k·[О₃] – константа скорости.

Высока активность озона по отношению к фенолам и крезолам. Конечными продуктами деструктивного окисления являются органические кислоты. Возможна и большая полнота окисления, но окисление до СО₂ – не экономно.