1.2.4. Озонирование
Окисление озоном позволяет одновременно обеспечить обесцвечивание воды, устранить привкусы и запахи, а также провести обеззараживание. Озонированием можно очистить сточные воды от фенолов, нефтепродуктов, сероводорода, соединений мышьяка, ПАВ, цианидов, красителей, канцерогенных ароматических углеводородов, пестицидов и др. Озон - газ бледно-фиолетового цвета. В природе он находится в верхних слоях атмосферы. При температуре -111,9 ºС озон превращается в нестойкую жидкость темно-синего цвета. Физико-химический состав озона: относительная молекулярная масса 48, плотность при температуре 0 ºС и давлении 0,1 МПа 2,154 г/л, температура плавления 192,5 С, теплота образования 143,64 кДж/моль. Коэффициент растворимости в воде при 0 °С 0,49, при 20 °С 0,29. Окислительно-восстановительный потенциал 2,07 В. Чистый озон взрывоопасен, так как при его разложении высвобождается значительное количество тепла, очень токсичен. Максимально допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны 1·10-4 мг/м3. Обеззараживающее действие озона основано на высокой окислительной способности, обусловленной легкостью отдачи им активного атома кислорода (О3=О2+О). Озон окисляет все металлы, кроме золота, превращая их в оксиды.
В водном растворе озон диссоциирует быстрее, чем в воздухе. Очень быстро диссоциирует в слабощелочных растворах. В кислотных растворах озон проявляет большую стойкость. В чистом сухом воздухе он разлагается очень медленно. При обработке воды озоном происходит разложение органических веществ и обеззараживание воды; бактерии, например, погибают в несколько тысяч раз быстрее, чем при обработке воды хлором. Растворимость озона в воде зависит от РН и наличия в воде растворимых веществ. Небольшое содержание кислот и нейтральных солей увеличивает растворимость озона, присутствие щелочей - снижает. Действие озона в процессе окисления может происходить в трех различных направлениях:
-непосредственное окисление с участием одного атома кислорода;
-присоединение целой молекулы озона к окисляемому веществу с образованием озонидов;
-каталитическое усилие окисляющего воздействия кислорода, присутствующего в озонированном воздухе.
Механизм реакции разложения озона довольно сложен, на что влияет множество факторов - условия перехода озона из газовой фазы в жидкость, соотношения между парциальным давлением газа и его растворимостью в водном растворе, кинетика окисления озона и находящихся в воде загрязнений. При диспергировании озона в воду идут два основных процесса: окисление и дезинфекция, кроме того, происходит значительное обогащение воды растворимым кислородом. Окисление веществ может быть прямым и непрямым. Оно также может осуществляться катализом и озонолизом.
Примером прямых реакций может являться окисление ряда органических и минеральных веществ (Fe2+, Mn2+), которые после озонирования осаждаются в форме нерастворимых гидроксидов или переводятся в диоксиды и перманганаты.
Непрямое окисление осуществляется радикалами, например, группой ОН и другими, образующимися в результате перехода озона из газовой фазы в жидкость и его саморазложения. Интенсивность непрямого окисления прямо пропорциональна количеству разложившегося озона и обратно пропорциональна концентрации присутствующих загрязнителей. Озонолиз представляет собой процесс фиксации озона на двойной или тройной углеродной связи с последующим ее разрывом и образованием озонидов, которые, как и озон, являются нестойкими соединениями и быстро разлагаются.
Каталитическое воздействие озонирования заключается в усилении окислительной способности кислорода, который присутствует в озонированном воздухе. Озон получают из кислорода воздуха под воздействием электрического тока в генераторах. Озон подается в воду в виде озоно-воздушной смеси - около 3% О3. Для усиления процесса окисления смесь диспергируют в сточной воде на мельчайшие пузырьки газа.
Озонирование представляет собой процесс абсорбции, сопровождаемой химической реакцией в жидкой фазе. Примерная схема установки для очистки сточных вод озоном приведена на рисунке 1.6.:
Рис.1.6. Схема очистки сточных вод озоном
Поскольку озон по своим свойствам приближается к сильным отравляющим веществам и превосходит синильную кислоту, то есть разбавляют до безопасных концентраций, деструкцию озона или его утилизацию. Необходимо отметить высокую перспективность методов озонирования с обработкой воды ультразвуком или ультрафиолетовым облучением, что приводит к усилению его окислительной способности.