Растворение озона в воде

Для очистки и обеззараживания воды озон, полученный в генераторе, необходимо растворить в обрабатываемой воде. Все известные способы растворения озона в воде основаны на разбиении газового потока, содержащего озон (озоно-воздушная или озоно-кислородная смесь) на мельчайшие пузырьки. Последние, совершая движение в потоке воды, обеспечивают переход озона из газообразного состояния в раствор. Этот переход озона через границу раздела газовой и жидкой фазы называется массопереносом озона в воду.
Лишь часть озона из газового потока переходит в раствор и участвует в окислительно-восстановительных реакциях и обеззараживает воду. Оставшаяся часть озона не растворяется и выделяется из воды в воздух (избыточный газ).
 
Часть озона, растворенного в воде, выраженная в процентах по отношению к общему количеству озона, подмешиваемому в воду, называется эффективностью массопереноса ЭМП и определяется следующей формулой:
 
СО3 ГО х VГФ - СО3 ИЗБ х VИЗБ
ЭМП = -------------------------------------------- х 100 ,
СО3 ГО х VГФ
Где:
СО3 ГО – концентрация озона в газовом потоке, подмешиваемом в воду (с выхода генератора)
СО3 ИЗБ – концентрация озона в избыточном газе (не растворившегося в воде)
VГФ – объем газовой фазы, подмешиваемой в воду
VИЗБ – объем избыточного газа

Эффективность массопереноса – важнейший параметр, характеризующий систему растворения озона и выбор требуемой производительности генератора по озону.

На ЭМП оказывают прямое влияние следующие параметры:
  • Концентрация озона в газовой фазе с выхода генератора
  • Давление воды
  • Размер пузырьков газа в воде (определяет площадь раздела фаз)
  • Химическая потребность воды в озоне
В настоящее время в промышленности получили распространение следующие способы растворения озона:
  • диспергирование через специальные пористые насадки – диспергаторы
  • эжектирование через вакуумные инжекторы
  • интенсивное подмешивание вращающимся лопастным смесителем – турбиной.
Растворение озона при помощи диспергаторов
Барботажный ввод озона
Газовая смесь, содержащая озон, под давлением подается в диспергаторы цилиндрической или плоской формы, выполненные из керамики, нержавеющей стали или титана, расположенные в донной части контактного резервуара. Образующиеся пузырьки имеют размеры от 100 микрон до нескольких миллиметров в зависимости от типа диспергатора. Массоперенос озона происходит в процессе всплывания пузырьков к поверхности резервуара.
Этот способ растворения озона длительное время применялся повсеместно и применяется до сих пор на некоторых озоновых станциях старой постройки.
К преимуществам диспергирования можно отнести:
  • Простоту и надежность вследствие отсутствия движущихся частей
  • Высокую эффективность массопереноса озона в глубоких резервуарах (до 90%)
Основные недостатки следующие:
  • Необходимость изготовления глубоких резервуаров (глубина не менее 6 м)
  • Поверхность диспергаторов в грязной воде быстро засоряется, приводя к увеличению объема пузырьков и соответственно ухудшению массопереноса
  • Возможно образование зон – вертикальных каналов – с неоднородной концентрацией озона и различными скоростями движения воды, что может привести к проскоку на выход резервуара недостаточно очищенной или обеззараженной воды
  • Давление к трубках, подводящих озон к диспергатору, может служить причиной выхода озона в помещение при повреждениях трубок и их соединений и представляет потенциальную опасность отравления персонала
Вакуумные инжекторы для растворения озона
 
Вакуумный инжектор (эжектор, струйный насос) – устройство, в котором для всасывания газа или жидкости используется кинетическая энергия другого газа или жидкости. Для растворения озона в воде эжекторы используют кинетическую энергию потока воды, который направляется в трубку меньшего сечения (трубка Вентури), где скорость воды значительно увеличивается и одновременно падает давление. В результате образуется вакуум, который и является в данном случае движущей силой, обеспечивающей подмес газовой смеси от генератора озона в поток воды, как показано на рис. ниже.
Растворение озона в воде эжекторным способом
Важнейшим параметром, от которого зависит эффективность массопереноса озона в эжекторе является коэффициент эжекции – отношение объема подмешиваемого газа к объему воды.
Эжекторы могут устанавливаться как на весь поток воды, который необходимо обработать озоном, так и на часть потока, который после растворения в нем озона подмешивается к необработанной части потока.
Эжекторный способ растворения озона имеет ряд существенных преимуществ:
  • Высокая эффективность массопереноса (при правильном выборе коэффициента эжекции, давления на выходе эжектора и использовании дополнительных устройств для интенсификации перемешивания – статических смесителей, специальных насадок), может достигать 99% при растворении высококонцентрированного озона (6-14%)
  • Оборудование для растворения озона и контакта с водой имеет значительно меньшие габариты, нежели чем в системах с диспергированием
  • Отсутствие механических частей, надежность
  • Высокая степень безопасности – при повреждении озоновых трубок и уплотнений вакуум не дает озону выделяться в воздух помещения
Работа эжектора
Основной недостаток эжектора – потери давления воды, обуславливающие необходимость использования дополнительных насосов и повышение тем самым энергозатрат.
 
Несмотря на указанный недостаток эжекторный способ растворения озона получил наибольшее распространение в промышленности вследствие эффективности и надежности.
 
Растворение озона турбинными смесителями
 
Способ заключается в следующем: турбина, закрепленная на валу, передающем крутящий момент от двигателя, помещается в контактный резервуар с обрабатываемой водой. Озон подается в область вращения турбины, где происходит образование и разбиение пузырьков лопастями турбины и их интенсивное перемешивание с водой. Перемешивание с высокой скоростью способствует постоянному обновлению границы раздела фаз и улучшению таким образом условий перехода озона в раствор. Указанным способом можно достигать высокой эффективности массопереноса озона в воду (более 90%).

Мотор, вал и турбина представляют собой движущиеся части, которые подвержены износу и быстро выходят из строя в агрессивной среде озон-вода. Поэтому турбинная технология растворения озона не нашла широкого применения в промышленности.