Історія
У 1785 р. голландський фізик Ван Марум, проводячи досліди з електрикою, звернув увагу на запах при утворенні іскор в електричній машині і на окислювальні здібності повітря після пропускання через нього електричних іскор.
У 1840 р. німецький вчений Шейнбейн, займаючись гідролізом води, намагався за допомогою електричної дуги розкласти її на кисень і водень. І тоді він виявив, що утворився новий, досі не відомий науці газ із специфічним запахом. Ім’я “озон” було присвоєно газу Шейнбейном через характерний запах і походить від грецького слова “озієн”, що означає “пахнути”.
У 1857 р. за допомогою створеної Вернером фон Сіменсом “досконалої трубки магнітної індукції” вдалося збудувати першу технічну озонову установку. У 1901 р. фірмою “Сіменс” побудовано першу гідростанцію з озонаторною установкою у Вісбанді. 22 вересня 1896 р. винахідник Н. Тесла запатентував перший генератор озону.
Історично застосування озону почалося з установок з підготовки питної води, коли 1898 року у місті Сан Мор (Франція) пройшли випробування першої дослідно-промислової установки. Вже в 1907 році було збудовано перший завод із озонування води в місті Бон Вуаяж (Франція) для потреб міста Ніцци.
З 1905 р. у Росії почала діяти експериментальна установка для озонування води при Петропавлівській лікарні. У 1911 р. в Петербурзі була введена в дію найбільша у світі виробнича установка озонування, що обробляла 44500 м3 води на добу. У радянські часи у великому масштабі озонування було використано на Східній водопровідній станції у Москві. У 1968 р. станція була оснащена озонаторами французької фірми “Трейлігаз”. Однак через відносну дорожнечу обладнання, суворість технології та нестабільну якість устаткування, що випускається, озонування довго залишалося на рівні експерименту.
Нині 95% питної води у Європі проходить озонну підготовку. У США йде процес переведення з хлорування на озонування. У Росії діють кілька великих станцій (у Москві, Нижньому Новгороді та інших містах).
Інтерес до застосування озону при підготовці питної води пояснюється тим, що озон забезпечує швидке та надійне знезараження, спричиняє значне покращення органолептичних властивостей води – в результаті обробки озоном усуваються присмаки та запахи, кольоровість води. Крім того, зростає вміст розчиненого кисню, що повертає очищеній воді одну з основних властивостей, що характеризують чисті природні джерела.
Процес
Озон – О3, алотропна форма кисню, що є потужним окислювачем хімічних та інших забруднюючих речовин, що руйнуються при контакті. На відміну від молекули кисню, молекула озону складається із трьох атомів і має довші зв’язки між атомами кисню. За своєю реакційною здатністю озон посідає друге місце, поступаючись лише фтору. Озон може існувати у всіх трьох агрегатних станах. За нормальних умов озон – газ блакитного кольору. Температура кипіння озону – 112°С, а температура плавлення становить – 192°С.
Озон, що використовується для озонування, отримують з атмосферного повітря в апаратах, званих озонаторами, внаслідок впливу на нього електричного заряду, що супроводжується виділенням озону.
Озон є безбарвним газом, молекули якого, що з трьох атомів кисню, є нестабільними. Через невеликий інтервал часу після утворення молекула озону розпадається, повертаючись у свій природний стан: молекулу кисню, що складається із двох атомів. При цьому залишаються вільні атоми кисню, які агресивно прагнуть приєднатися до будь-яких сторонніх частинок, що містяться у воді. Водночас вода виявляється тим середовищем, в якому бактерії та інші органічні домішки легко розкладаються під дією цих вільних атомів кисню. Завдяки цьому, озон виявляється дуже сильним окислювачем, і його дезінфікуючі властивості набагато сильніше інших поширених дезінфекторів, таких як хлор. Переважність використання озону в промисловості підготовки питної води, обумовлена також тим, що озон, на відміну хлору, не залишає ніякого запаху, повністю розкладаючись на кисень.
Прозора та чиста ключова вода та води гірських річок, малозабруднені сторонніми домішками, потребують приблизно 0,5 мг/л озону. Вода, що надходить із відкритих водоймищ, може викликати витрату озону до 2 мг/л. Середня доза озону становить 1 мг/л. Тривалість контакту озоно-повітряної суміші з оброблюваною водою коливається від 5 до 15 хвилин відповідно до типів установок та їх продуктивності, (при підвищенні температури час контакту збільшується).
Знебарвлюючу дію озону пояснюється окисленням сполук, що викликають кольоровість води; вони перетворюються на простіші молекули, що не мають забарвлення. Озонування надає воді виразний блакитний відтінок, а хлорування – зелений відтінок.
Озонування – найкращий метод знезалізнення води, а якщо залізо і марганець містяться у формі органічних сполук або колоїдальних частинок (з розміром 0,1 – 0,01 мкм), знезалізнення води можливе тільки за допомогою озонового очищення води, т.к. потрібно попереднє окиснення органічних сполук.
У чому користь
Озон не надає воді присмаків і запахів і має дуже цінну властивість саморозпаду – після закінчення обробки озон перетворюється назад на кисень. Завдяки цьому передозування озону не є проблемою. За своєю суттю очищення води озоном еквівалентна багаторазово прискореної процедури природного очищення води, що протікає в природних умовах під дією кисню повітря та сонячного випромінювання.
Озон дуже сильний окислювач, його окислювальний потенціал – 2,06 В. Патогенні мікроорганізми знищуються ним у 15-20 разів, а спорові форми бактерій – у 300-600 разів швидше, ніж хлором. Вірус поліомієліту гине при концентрації озону 0,45 мг/л через 2 хв, тоді як від хлору – лише за 3 години при 1 мг/л. Дослідження показали, що з бактерій, кишкова паличка виявилася найбільш стійкою до дії окислювачів із усієї групи кишкових бактерій, що швидко гине при озонуванні. Також ефективне використання озонування у боротьбі із збудниками черевного тифу та бактеріальної дизентерії.
З хімічної точки зору мінеральні речовини, розчинені у воді і які визначають певною мірою поживні властивості, не змінюються після озонування. У той же час обробка озоном не надає воді ніяких додаткових сторонніх речовин і хімічних сполук.
У чому недоліки
Озон – газ, токсичний при вдиханні, при високих концентраціях озону спостерігаються ураження дихальних шляхів, легень та слизової оболонки. Тривале вплив озону призводить до розвитку хронічних захворювань легких та верхніх дихальних шляхів. Крім того, хронічний вплив мікроконцентрацій озону на організм людини досить не вивчений.
Будь-яка система стерилізації, що використовує озон, вимагає ретельного контролю техніки безпеки, тестування константи концентрації озону газоаналізаторами, а також аварійного керування надмірною концентрацією озону.
Озонотерапія у свій час була дуже популярна – багато хто вважав озон чи не панацеєю від усіх недуг. Але детальне вивчення впливу озону показало, що разом із хворими озон вражає і здорові клітини шкіри, легень. В результаті в живих клітинах починаються непередбачені та непрогнозовані мутації. Озонотерапія так і не прижилася в Європі, а в США та Канаді офіційне медичне застосування озону не легалізоване, за винятком альтернативної медицини.
Чистий озон вибухонебезпечний, не вибухає, якщо його концентрація в озоно-повітряної суміші вбирається у 10%, тобто. 140 г/м3. Озон токсичний, ГДК озону у повітрі приміщень, де перебувають люди, трохи більше 0,0001 мг/л.
Так у чому ж справа
Поряд із безперечними перевагами, як найбільш ефективного, комплексного та природного реагенту, у озону є й недоліки. Метод озонування набагато дорожчий за традиційне хлорування води. Озонування не може бути єдиним універсальним методом очищення води, що позбавляє її всіх можливих забруднень, і є тільки одним з ступенів водопідготовки. Крім того, застосування озону накладає деякі технологічні обмеження.
По-перше, через насичення води озоно-повітряною сумішшю вона набуває високої окисної здатності і стає корозійно-активною. Особливо корозійна активність може зрости при підвищенні температури або зниженні тиску в системі, при цьому падає розчинність кисню у воді. Це вимагає використання обладнання та матеріалів, стійких до озону – труби з ПВХ або нержавіючої сталі.
По-друге, озонування — це процес, який потребує певного складу обладнання:
озоногенератор, в якому здійснюється вироблення озону з повітря чи кисню;
система введення озону у воду та його змішування;
реактор – ємність, в якій за рахунок перемішування та витримки забезпечується необхідний час реакції озону з водою;
деструктор озону для видалення залишкового озону, що не прореагував;
прилади контролю озону у воді та повітрі.
До того ж, це обладнання треба розміщувати в окремому приміщенні з вентиляцією, експлуатувати, виконуючи необхідні профілактичні заходи.
По-третє, існують обмеження щодо кількості озону у воді (доза залишкового озону – не більше 0,1 мг/л) та у повітрі (ГДК озону в приміщенні, де працюють люди, – не більше 0,1 мкг/л).
Перспектива
Досвід використання озонування на сучасному етапі, накопичений для систем різної продуктивності, говори про те, що цю технологію можна і потрібно застосовувати не тільки на потужних водопровідних станціях, що відповідають за постачання водою великих міст, а й у системах водопідготовки малої та середньої продуктивності.
Безперечно, що якість води при водопідготовці з використанням озонування буде значно вищою, ніж за інших технологій, проте економічній оцінці цей параметр можна піддати тільки в оборотних системах. Ще однією перевагою використання озонування є те, що за відносно високої вартості первинних капітальних витрат експлуатаційні витрати пов’язані лише зі споживанням електроенергії (в середньому 0,05–0,07 кВт на 1 г озону).