Недостатньо тільки мати розуміння про існування різних технологічних процесів – не менш важливо чітке уявлення про хімію, реагенти, історію застосування та розвитку процесів.
Озон (трикисень, О3) – безбарвний або блідо-блакитний газ з трьох атомів кисню, який розпадається на молекулу і атом кисню. Атом кисню – це вільний радикал з дуже високою реакційною здатністю та низькою стабільністю з періодом напіврозпаду у воді від кількох хвилин до кількох годин. Швидкість розкладання визначається хімією води, рН та температурою. При розкладанні озону формуються активні форми кисню – короткоживучі вільні радикали суперпероксиду водню (гідропероксиду) (HO2•) та гідроксила (OH•).
Озон – сильний окислювач, частково розчинний у воді ,що реагує з органічними та неорганічними речовинами та іншими газами. В одних випадках ці реакції корисні, в інших – такі реакції здатні наносити пошкодження як устаткуванню, так і здоров’ю людини. В одних випадках озон окислює розчинене залізо, марганець і миш’як, роблячи можливим видалення цих окислених домішок з води, в інших озон взаємодіє з трубопроводами, запірною арматурою та іншими компонентами системи з чавуну, сталі, міді, латуні, поліпропілену або гуми, викликаючи руйнування та деградацію.
На відміну від інших реагентів у водопідготовці озон не можна побачити чи торкнутися руками. Однак, для цього газу характерний специфічний запах, який можна виявити з дуже низькою пороговою концентрацією в повітрі (0,01…0,04 ppm). Озон утворюється в природі у фонових концентраціях при дії на повітря електричного розряду (наприклад, під час грози), внаслідок реакцій в атмосфері оксидів азоту та летких органічних речовин, внаслідок ультрафіолетового опромінення та іонізації атмосферного кисню.
З вищесказаного можна дійти висновку, що взаємодія атмосферного кисню з електричним розрядом чи ультрафіолетовим випромінюванням здатна генерувати озон – розщеплювати молекулу кисню (О2) з приєднанням вільного атома до іншої молекули кисню, утворюючи озон (О3).
Відкриття озону.
Вчені випадково відкрили озон, експериментуючи з електрикою. У 1785 році голландський хімік Мартін Ван Марум в ході експериментів з електрикою виявив слабко блакитний газ із запахом. Він назвав цей газ «запахом електричної матерії». Проте, назву «озон» (від грецького «оzein» (пахнути)) газу привласнив у 1840 році німецько-швейцарський фізик Християн Фрідріх Шонбейн. 1865 року ірландський хімік Томас Ендрюс довів, що озон – це форма кисню.
Методом проб і помилок ці та інші вчені та експериментатори заклали основу у створення генераторів озону на основі імітації природних явищ. У 1850-х, 1860-х роках озон вже використовувався для дезінфекції операційних приміщень та усунення проблем питної води, пов’язаних із запахом та смаком. Спочатку, на тому рівні розвитку науки, запах озону в повітрі вважався абсолютно корисним для здоров’я людини, проте згодом були виявлені негативні наслідки надлишкового впливу озону на організм людини – кашель, біль у грудях, пошкодження легень і навіть смерть. На сьогоднішній день Управління Охорони Праці Міністерства Праці США (OSHA, Occupational Safety and Health Administration) регламентує допустимий рівень озону в повітрі робочої зони 0,1 ppm з максимальною експозицією протягом 8 годин.
Перший генератор озону був сконструйований в 1857 Ернстом Вернером фон Сіменсом (засновник компанії «Siemens»), а Нікола Тесла запатентував генератор коронного розряду в 1896 році. На початку 1900-х було переконливо доведено ефективність озону як альгіциду, бактерициду та герміциду.
Вернер фон Сименс Нікола Тесла
Сьогодні озон генерують пропусканням осушеного повітря через камеру коронного розряду , через ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі менше 240 нм або електролізом. У процесі електролізу озон одержують безпосередньо з води. У США озон почали застосовувати для обробки муніципальної води у 1940-х. Найбільш популярним методом одержання озону залишається пропускання осушеного повітря через коронний розряд. Озонові генератори коронного розряду дозволяють отримати більш високі концентрації озону в повітрі порівняно з УФ-генераторами.
Переваги та недоліки озону.
Унікальна перевага озону – можливість використання у дуже різноманітних процесах та на різних технологічних платформах. У поєднанні з іншими методами озонування води перетворюється на передову технологію водопідготовки (покращені процеси очищення води) у міру того, як ми все частіше стикаємося із завданнями повторного використання стічних вод та видалення з води синтетичної органіки, включаючи «вічні» фтор-органічні речовини PFOS/ PFOA.
Найбільші проблеми впровадження озонування пов’язані з:
– неадекватним розумінням потреби води в озоні щодо вмісту органічних та неорганічних домішок через недостатній аналіз хімічного складу та мікробіологічної якості води;
– відсутністю оцінки негативного впливу озона на компоненти системи (трубопроводи, арматура, ущільнення насосів);
– недостатньою увагою до механізмів запобігання впливу озону на критично важливі компоненти системи та кінцевих споживачів.
Переваги.
- Озон генерується на місці і не залишається у воді після використання.
- Озон – сильний окислювач, що окислює неорганічні сполуки сірки, заліза та марганцю, багато синтетичних органічних речовин3. Озон зберігає ефективність у широкому діапазоні рН води.
- Озонування розроблено для значного покращення існуючих систем аерації у побутових та комерційних системах водопідготовки.
- Озон здатний пригнічувати розвиток біоплівок у технологічному обладнанні та розподільчих системах водопостачання з відносно невеликою довжиною трубопроводів.
- Озон ефективний проти вірусів, бактерій, найпростіших, окремих видів водоростей.
Недоліки.
- Технологічно озонування вимагає великих капіталовкладень в обладнання порівняно з іншими процесами окислення та дезінфекції.
- Озонування передбачає наявність чистого і сухого повітря або чистого кисню, що іноді важкодосяжно.
- Озонування не має залишкової дезінфікуючої дії, не запобігає і не пригнічує повторне зростання бактерій у великих розподільчих мережах.
- Озонування вимагає дуже кваліфікованого та більш частого обслуговування, якісного проектування та інсталяції обладнання.
- Озонування вимагає точного розуміння хімічного складу води та потреби води в озоні (зміст бромідів, загальної жорсткості води, загального вмісту органічного вуглецю, рівня мікробіологічного забруднення).
- Озонування вимагає глибокого розуміння наступних ступенів очищення води та інфраструктурних компонентів системи водопостачання (трубопроводи, арматура, обладнання).
- Високі дози озону у повітрі небезпечні (ізолювання у спеціальних кімнатах, моніторинг витоку озону, вентиляція, пасивні системи руйнування озону).
- Озон збільшує пожежну небезпеку.
- Озон здатний утворювати побічні продукти окислення та дезінфекції (бромати, альгіциди, кетони, карбонові кислоти, бромовані тригалометани та пероксиди).
Висновок.
Озон – далеко не універсальний «чарівний засіб» у водопідготовці, а інструмент, який при розумному та правильному підході принесе користь кінцевому споживачеві, а не стане для нього постійною проблемою. Озон – «інструмент», який має бути у наборі інструментів та використовуватись у комплексі з іншими інструментами і засобами водопідготовки.