Использование озонной технологии при очистке

1
Некоммеческое акционерное общество
«АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ»
Факультет
Электроэнергетический
Специальность 6М071800 - Электроэнергетика
Кафедра «Электрические станции, сети и системы»»
ЗАДАНИЕ
на выполнение магистерской диссертации
Магистранту
Кизатову Ильясу Ерболулы
(фамилия, имя, отчество)
Тема диссертации «Использование озонной технологии для обеззараживания
сточных вод»
утверждена Ученым советом университета №___от
«___»__________________
Срок сдачи законченной диссертации
«10»___января________2016г.___________________
Цель исследования 1. Определить эффективность применения озонной
технологии для обеззараживания промышленных и бытовых сточных вод.
2. Разработать режимы применения озона для обеззараживания сточных
вод. 3. Изучить эффективность применения озонной технологии для
обеззараживания промышленных и бытовых сточных вод. 4. Определить
качественные показатели после их обработки озоном.
Перечень подлежащих разработке в магистерской диссертации вопросов
иликраткое содержание магистерской диссертации: Исследование
процессов образования озона. Исследование электрические параметры
озонирующего
элемента.
Испытание
отдельных
элементов
экспериментального
образца
озонатор.
Испытание
конструкции
экспериментального образца озонатора при различных условиях.
Разработка аппаратурно-технологической схемы очистки обеззараживания
сточных вод
Перечень графического материала (с точным указанием обязательных
чертежей) Механизм электросинтеза озона в отрицательной короне. Разрез
коронирующего электрода озонирующего элемента. Производительность и
энергетический выход озона. Технологическая схема установки для
озонирования воды. Технологическая схема очистки сточных вод озоном.
Технологическая схема станции озонирования. Установка по
обезвреживанию сточных вод
2
3
Аннотация
В работе рассмотрены вопросы обеззараживания сточных вод с
использованием метода озонной технологии. Рассмотрены преимущества
озонной технологии перед другими методами обеззараживания.
окислителями, такими как кислород, хлор. Озон, по сравнению с кислородом
и хлором, имеет целый ряд преимуществ: высокий окислительный
потенциал; возможность получения непосредственно на очистных
установках; отсутствие токсических соединений в качестве продуктов
реакции; постоянство солевого состава очищаемых сточных вод; высокое
быстродействие озона как обеззараживающего и бактерицидного реагента.
Использование озонной технологии для обеззараживания питьевой
воды от различных токсичных веществ, исключает возникновение
экологически вредных веществ в обрабатываемой воде, улучшает вкусовые
качества воды и устраняет неприятный запах.
Андатпа
Жұмыста озонды технология әдістерін қолдану арқылы ағын суларды
зарарсыздандыру сұрақтары қарастырылған. Зарарсыздандырудың басқа
әдістерімен (кислород, хлор сияқты қышқылдандырғыштар) салыстырғанда
озон технологиясының артықшылықтары қарастырылған. Озонның кислород
және хлормен салыстырғанда артықшылығы көп: қышқылдандырғыш
потенциалы жоғары, тікелей тазартқыш қондырғыларда алу мүмкіндігі, әсер
ету өнімдері ретінде уландырғыш қосылулар жоқ, тазаланатын ағын
суларында тұз құрамының тұрақтығы, озонның зарарсыздандыру және
бактерицидті реагент ретінде әсері жоғары.
Ауыз суларын әр түрлі уландырғыш заттардан зарарсыздандыру үшін
озон технологияларын қолдану өңделінетін суда экологиялық зиянды
заттардардың пайда болуын жояды, судың дәмдік сапасын жақсартады және
жағымсыз иістерді жояды.
Annotation
The work discusses the issues of wastewater disinfection using the method
of ozone technology. The advantages of ozone technology over other methods of
disinfection, oxidants such as oxygen, chlorine. Ozone, as compared with oxygen
and chlorine and has a number of advantages: high oxidation potential; the
possibility of directly to the waste water treatment plants; absence of toxic
compounds in the reaction products; the constancy of the salt composition of
treated wastewater; high speed of ozone as a disinfectant and bactericidal agent.
4
Use of ozone technology for the disinfection of drinking water from various
toxic substances, eliminates environmentally harmful substances in the treated
water improves the taste of water and eliminates unpleasant odor.
Актуальность исследований
В эпоху развития научно- технического прогресса все более и более
ощущается негативное влияния человека на природу, которое обусловлено
развитием промышленного и сельскохозяйственного производства, ростом
численности населения, использованием всех природных ресурсов[1].
Однако не надо забывать что человечество и окружающая среда тесно
связаны между собой. И всякое негативное отношение человека к
окружающей среде, так или иначе, отразится на нем. Все технологические
процессы так или иначе связаны с использованием одного из самых важных
элементов окружающей среды, которая обеспечивает жизнедеятельностью
все человечество, растительный и животный мир - это вода[2].
В настоящее время человечество ежегодно потребляет почти четыре
3
тыс. м пресной воды (половина этого количества потребляется безвозвратно,
другая превращается в сточные воды), что составляет примерно треть от
максимально возможного уровня потребления[3].
Бурный рост промышленного и сельскохозяйственного производства,
рост численности населения на планете приводит к обильному
загрязнению окружающей среды органическими и неорганическими
токсическими веществами, которые попадают в сточные воды. Кроме того
выброс промышленными и сельскохозяйственными предприятиями в
окружающую среду токсических веществ, которые затем с атмосферными
осадками попадают в сточные воды. Поэтому, наряду с созданием
производственных технологий, позволяющих более экономно использовать
воду, необходима разработка эффективных энергосберегающих технологий и
технологических схем для обезвреживания воды загрязнённого различными
примесями и практическое ее использование[1,2].
Используемые на практике способы очистки воды обычно разделяют
на
группы:
механические,
физико-химические
(в
том
числе
электрохимические), химические, биологические, термические. Выбор
метода очистки производится с учётом состава, объёмов и физикохимических свойств загрязняющих примесей; санитарных и технологических
требований; эффективности процесса обезвреживания; экономической
целесообразности использования того или иного набора энергетических и
материальных ресурсов, а также наличия необходимых производственных
площадей.
Применение тех или иных способов очистки позволяет решить какуюлибо одну задачу (узкоспециализированные установки), и только сочетая эти
способы, можно добиться высокой степени очистки воды.
В последние годы для обезвреживания и обеззараживания сточных
вод и особенно при подготовке питьевой воды и воды плавательных
бассейнов все чаще стали использовать озонирование, а также сочетание
5
озонирования с другими физико-химическими методами, поскольку озон, по
сравнению с кислородом и хлором, имеет целый ряд преимуществ: высокий
окислительный потенциал; возможность получения непосредственно на
очистных установках; отсутствие токсических соединений в качестве
продуктов реакции; постоянство солевого состава очищаемых сточных вод;
высокое быстродействие озона как обеззараживающего и бактерицидного
реагента[4].
Методы обезвреживания, включающие озонирование, позволяют
создавать устройства, обладающие высокой производительностью,
незначительными габаритами, и тем самым обеспечивающие снижение
затрат на капитальное строительство [5, 6]. Теоретические предпосылки и
широкий спектр экспериментальных исследований позволили разработать
комбинированный способ обезвреживания воды и создать принципиально
новые технологические схемы для решения конкретных задач.
Цель и основные задачи исследований. Целью данной работы
является
разработка
эффективной
озонной
технологии
для
обеззараживания промышленных и бытовых сточных вод, с решением
следующих задач:
1. Определить эффективность применения озонной технологии для
обеззараживания промышленных и бытовых сточных вод.
2. Разработать режимы применения озона для обеззараживания
сточных вод.
3. Изучить эффективность применения озонной технологии для
обеззараживания промышленных и бытовых сточных вод.
4. Определить качественные показатели после их обработки озоном.
5. На основании проведенных исследований разработать «Технологию
применения озона для обеззараживания сточных вод».
Ожидаемые результаты.
- повышение эффективности обезвреживания воды на основе
одновременного воздействия физико-химических способов, включающих
озонную технологию при очистки промышленных и бытовых сточных вод от
образовавшихся в них неорганических и органических токсических веществ,
фенолов и микроорганизмов;
- возможность использования коронно- барьерного разряда для
получения озона при подготовке очистки промышленных и бытовых сточных
вод от токсичных и вредных примесей;
определение производительности генератора озона, концентрация
озона в озоно-воздушной смеси, эффективность и время очищаемой воды
для каждого конкретного случая в зависимости от степени загрязнения
исходной воды.
6
Содержание
Введение…………………………………………………………………….
1 Исследование процессов образования озона…………………………
1.1 Свойства озона………………………………………………………
1.2 Электросинтез озона в коронном разряде…………………………
1.3 Влияние толщины чехла короны на процессы
образования озона……………………………………………………..........
2 Исследование электрические параметры озонирующего элемента…...
2.1 Разработка электрических параметров озонаторной ячейки……..
2.2 Исследование выходных параметров озонатора………………….
3 Испытание отдельных элементов экспериментального образца
озонатора……………………………………………………………………
4 Испытание конструкции экспериментального образца озонатора
при различных условиях…………………………………………………...
5 Разработка полупромышленной установки для обеззараживания
воды………………………………………………………………………….
5.1 Устройство и принцип действия установки……………………….
5.2 Синтезатор озона……………………………………………………
5.3 Испытание установки……………………………………………….
6 Испытание экспериментальной и полупромышленной установки……
6.1 Влияние озона на цветность воды………………………………….
6.2 Обезвреживание цианистых растворов……………………………
6.3 Разработка аппаратурно-технологической схемы очистки
сточных вод ………………………………………………………………
6.4 Расчет расхода воздуха на озонирующую установку…………….
6.5 Экономическая эффективность использования озона…………….
Заключение………………………………………………………………….
Список литературы…………………………………………………………
7
9
9
13
19
27
27
32
34
39
40
40
40
43
45
45
48
50
56
59
60
61
7
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных причин неблагополучия экологической обстановки
региона является химическая и бактериологическая загрязненность водных
ресурсов. Сюда относятся питьевые и сточные воды, подземные и
поверхностные воды, открытые водоемы. Здесь главным для жизни и
здоровья человека является в первую очередь питьевая вода. По данным
Всемирной организации здравоохранения, 80% всех заболеваний – результат
употребления экологически грязной воды. Проблема очищения питьевой
воды стала проблемой номер один во многих регионах страны. Эта ситуация
связана и с загрязнением окружающей среды промышленными отходами и
сбросами сточных вод и зачастую отсутствием очистных сооружений. В
наших водных ресурсах постоянно присутствуют: азот нитритный, фенолы,
бор, медь и различные органические вещества. До настоящего времени
питьевую воду очищают в основном хлорированием, этот вид обработки
ведет к возникновению в воде таких побочных вредных веществ, как
хлороформ, дихлорэтан, трихлорэтилен и др. Исследователи пришли к
выводу, что хлорирование воды должно уступить место безопасному для
окружающей среды озонированию [1-4].
В развитых странах озон применяется для обеззараживания питьевой
воды от различных токсичных веществ, этим самым исключается
возникновение экологически вредных веществ в обрабатываемой воде,
улучшаются вкусовые качества воды и устраняется неприятный запах. В
отличие от общепринятого хлорирования озоновые очистители воды
обеспечивают полное уничтожение и невозможность развития вредных
веществ и микроорганизмов, опасных для здоровья человека и обычно
имеющихся в воде. Так, озоновая очистка обеспечивает: полное (100%)
уничтожение бактерий группы кишечных палочек, синегнойной палочки и
т.п., обеззараживание на 100% воды по вирусным загрязнениям (колифаги и
т.п.). Например, возбудители полиомиелита в воде уничтожаются за 2 мин.
при концентрации озона 0,45 мг/л, тогда как при хлорировании 1 мг/л они
гибнут в течение не менее 3 часов [1].
Использование озона обеспечивает высокую эффективность очистки
воды от остаточного активного хлора и других канцерогенных веществ и
высокотоксичных примесей органической природы: фенолы, пестициды,
поверхностно-активные вещества, нефтепродукты. При этом одновременно
устраняются запахи, привкусы, уменьшается мутность и цветность и наряду с
этим обеспечивается сохранение в воде необходимых человеку минеральных
веществ. Устранение запахов, выделяемых некоторыми водорослями,
микроорганизмами, эфирными маслами и другими органическими
веществами приводит к снижению порога ощутимости запахов. Особую
эффективность озон показывает при очистке воды, загрязненной фенолами,
сероводородом, сернистыми, цианистыми и рядом других веществ,
придающими воде неприятный запах. Так. Питьевая вода, содержащая
8
ничтожно малое количество фенолов (0,001 мг/л) приобретает стойкий
неприятный вкус и запах и может быть очищена двойным весовым
количеством озона [3].
Растворенные в воде гуматы и коллоидные частицы гуминовых
кислот, придающие воде желтоватый оттенок, легко поддаются окислению
озоном. Для полного обесцвечивания воды необходима концентрация озона
10 мг/л, в случае применения с той же целью хлора требуется концентрация
хлора 25мг/л. После обработки хлором питьевая вода приобретает
зеленовато-желтый оттенок, озонирование же придает воде отчетливо
выраженный голубой оттенок [2].
Количество озона, потребное для обеззараживания воды, варьируется в
зависимости от содержания в ней органических веществ, температуры и
значения
рН
воды. Так, для обеззараживания вод горных рек,
малозагрязнённых посторонними примесями, требуется 0,5 мг/л озона, а для
воды, получаемой из открытых водохранилищ озона требуется больше – до 2
мг/л. В случае, когда вода предварительно подвергается фильтрации и
осветлению коагулянтами, то потребная доза озона составляет в среднем
1мг/л. В настоящее время считается доказанной целесообразность
использования озона для очистки сточных вод. Озонирование сточных вод с
успехом заменяет такие технологические процессы, как коагуляция с
быстрым фильтрованием, адсорбцию на стадии третичной очистки,
сочетания других физико-химических методов, биологическую очистку [3].
Промышленные сточные воды по своему составу отличаются
разнообразием и сложностью. Особенно это относится к сточным водам,
содержащим органические вещества. При очистке их озоном следует
исследовать реакции окисления отдельных составляющих в чистых
растворах и необходимо идентифицировать продукты их распада и
определять токсикологические характеристики оставшихся в стоках
химических соединений. Сточные воды, содержащие нефть и
нефтепродукты, являются одним из основных источников загрязнения
местных водоемов. Попадая в открытые водоемы, нефтепродукты ухудшают
органолептические свойства воды, делая ее непригодной для питьевого
водоснабжения. Исключительная окислительная способность озона
позволяет использовать его для разложения нефтепродуктов. Исследования
показывают, что озон является эффективным средством для очистки вод от
нефтепродуктов. Обработанные озоном сточные воды бесцветны, не имеют
запаха, пленка нефтепродуктов полностью разрушается. Особенно
выраженный эффект дает сочетание озонирования с коагуляцией и
дальнейшей фильтрацией [2].
9
1 Исследование процессов образования озона
1.1 Свойства озона
1.1.1 Физические свойства озона
Озон — это высокоактивная, аллотропная форма кислорода; при
обычных температурах — это газ светло-голубого цвета с характерным
острым запахом (запах органолептически ощущается при концентрации
озона 0,015 мг/м3 воздуха). В жидкой фазе озон имеет индиго-голубой, а в
твердой — густой фиолетово-голубоватый цвет, слой озона толщиной в 1 мм
практически светонепроницаем. Озон образуется из кислорода, поглощая при
этом тепло и, наоборот, при разложении переходит в кислород, выделяя
тепло (подобно горению). Процесс этот можно записать в следующем виде:
Экзотермическая реакция
2О3=ЗО2+68 ккал
Эндотермическая реакция
Скорости этих реакций зависят от температуры, давления и
концентрации озона. При нормальной температуре и давлении реакции
протекают медленно, но при повышенных температурах ускоряется распад
озона.
Образование озона под действием энергии различных излучений
довольно сложно. Первичные процессы образования озона из кислорода
могут протекать по-разному в зависимости от количества приложенной
энергии.
Возбуждение молекулы кислорода происходит при энергии электронов
6,1 эВ; образование молекулярных ионов кислорода - при энергии
электронов 12,2 эВ; диссоциация в кислороде - при энергии электронов 19,2
эВ. Все свободные электроны захватываются молекулами кислорода, в
результате чего образуются отрицательные ионы кислорода. После
возбуждения
молекулы
наступает
реакция
образования
озона.
При энергии электронов 12,2 эВ, когда происходит образование
молекулярных ионов кислорода, выхода озона не наблюдается, а при энергии
электронов 19,2 эВ, когда участвуют как атом, так и ион кислорода,
образуется озон. Наряду с этим образуются положительные и отрицательные
ионы кислорода. Механизм распада озона*, в котором участвуют гомогенные
и гетерогенные системы, сложен и зависит от условий. Разложение озона
ускоряется в гомогенных системах газообразными добавками (окислы азота,
хлор и др.), а в гетерогенных системах металлами (ртуть, серебро, медь и др.)
и окислами металлов (железо, медь, никель, свинец и др.). При высоких
концентрациях озона реакция происходит со взрывом. При концентрации
озона до 10% взрывного разложения его не происходит. Низкие температуры
способствуют сохранению озона. При температурах около - 183°С жидкий
озон можно хранить длительное время без заметного разложения. Быстрое
10
нагревание до точки кипения (-119°С) или быстрое охлаждение озона могут
привести к взрыву. Поэтому знание свойств озона и соблюдение мер
предосторожности очень важно при работе с ним. В таблице 1 приведены
основные физические свойства озона.
При газообразном состоянии озон диамагнитен, а в жидком - слабо
парамагнитен. Озон хорошо растворяется в эфирных маслах, скипидаре,
четыреххлористом углероде. Растворимость его в воде выше, чем кислорода,
более чем в 15 раз.
Молекула озона, как уже отмечалось, состоит из трех атомов кислорода
и имеет несимметричную структуру треугольника, характеризующегося
тупым углом при вершине (116,5°) и равными ядерными расстояниями
(1,28°А) со средней энергией связи (78 ккал/моль) и слабовыраженной
полярностью (0,58).
Таблица 1. Основные физические свойства озона
Показатель
Значение
Молекулярный вес
47,998
Удельный вес по воздуху
1,624
Плотность при НТД
2,1415 г/л
Объем при НТД
506 см3/г
Температура плавления
- 192,5° С
Температура кипения
-111,9°С
Критическая температура
- 12,1° С
Критическое давление
54,6 атм
Критический объем
147,1 см3/моль
Теплота образования (18° С)
34,2 ккал/моль
Теплота испарения (-112° С)
74,6 ккал/моль
Теплота растворения (НгО, 18° С)
3,9 ккал/моль
Потенциал ионизации
12,8 эВ
Сродство к электрону
1,9-2,7 эВ
Диэлектрическая постоянная
1,0019
газообразного озона при НТД
Теплопроводность (25° С)
3,3- 10~'5 кал/с- см2
Скорость детонации (25° С)
1863 м/с
Давление детонации (25° С)
30 атм
Магнитная восприимчивость (18° С)
0,002- 10-6 ед
Растворимость в воде при ("С):
0
1,13 г/л
10
0,875 г/л
20
0,688 г/л
40
0,450 г/л
СО
0,307 г/л
11
Оптические свойства озона характеризуются его нестойкостью к
излучениям различного спектрального состава. Излучения могут не только
поглощаться озоном, разрушая его, но и образовывать озон. Образование
озона в атмосфере происходит под воздействием ультрафиолетового
излучения солнца в коротковолновом участке спектра 210-220 и 175 нм. При
этом на поглощенный квант света образуются две молекулы озона.
Спектральные свойства озона, его образование и распад под влиянием
солнечной радиации обеспечивают оптимальные параметры климата в
биосфере Земли.
Озон обладает хорошей способностью адсорбироваться силикагелем и
алюмогелем, что позволяет использовать это явление для извлечения озона
из газовых смесей и из растворов, а также для безопасного обращения с ним
при высоких концентрациях. В последнее время для безопасной работы с
высокими
концентрациями
озона
широко
используют
фреоны.
Концентрированный озон, растворенный во фреоне, может сохраняться
длительное время.
1.1.2 Химические свойства озона
Характерными химическими свойствами озона в первую очередь
следует считать его нестойкость, способность быстро разлагаться, и высокую
окислительную активность.
Для озона установлено окислительное число И, которое характеризует
число атомов кислорода, отдаваемых озоном окисляемому веществу. Как
показали опыты, оно может быть равным 0,1, 3. В первом случае озон
разлагается с увеличением объема: 2О3--->ЗО2, во втором он отдает
окисляемому веществу один атом кислорода: О3 ->О2+О (при этом, объем не
увеличивается), и в третьем случае происходит присоединение озона к
окисляемому веществу: О3->ЗО (при этом объем его уменьшается) .
Окислительными свойствами характеризуются химические реакции озона с
неорганическими веществами.
Озон окисляет все металлы, за исключением золота и группы платины.
Сернистые соединения окисляются им до сернокислых, нитриты — в
нитраты. В реакциях с соединениями йода и брома озон проявляет
восстановительные свойства, и на этом основан ряд методов его
количественного определения. В реакцию с озоном вступают азот, углерод и
их окислы. В реакции озона с водородом образуются гидроксильные
радикалы: Н+О3-> HO+O2. Окислы азота реагируют с озоном быстро, образуя
высшие окислы:
NO+Оз—>NO2+O2;
NO2+O3----->NO3+O2;
NO2+O3—>N2O5.
Аммиак
окисляется
озоном
в
азотнокислый
аммоний.
Озон разлагает галогеноводороды и переводит низшие окислы в высшие.
12
Галогены, участвующие в качестве активаторов процесса, также образуют
высшие окислы.
Восстановительный потенциал озон — кислород достаточно высокий и в
кислой среде определен величиной 2,07 В, а в щелочном растворе - 1,24 В.
Сродство озона с электроном определено величиной в 2 эВ, и только фтор,
его окислы и свободные радикалы обладают более сильным сродством к
электрону.
Высокое окислительное действие озона было использовано для
перевода ряда трансурановых элементов в семивалентное состояние, хотя
высшее валентное состояние их равно 6. Реакция озона с металлами
переменной валентности (Сг, Сог и др.) находит практическое применение
при получении исходного сырья в производстве красителей и витамина PP.
Щелочные и щелочно-земельные металлы под действием озона окисляются,
а их гидроокиси образуют озониды (триоксиды). Известны озониды давно, о
них упоминал еще в 1886 г. французский химик-органик Шарль Адольф
Вюрц. Они представляют собой кристаллическое вещество краснокоричневого цвета, в решетку молекул которого входят однократно
отрицательные ионы озона (O3-), чем и обусловлены их парамагнитные
свойства. Предел термической устойчивости озонидов —60±2° С,
содержание активного кислорода — 46% по весу. Как многие пе-рекисные
соединения озониды щелочных металлов нашли широкое применение в
регенеративных процессах.
Озониды образуются в реакциях озона с натрием, калием, рубидием,
цезием, которые идут через промежуточный неустойчивый комплекс типа
М+ О- Н+ O3-- с дальнейшей реакцией с озоном, в результате чего образуется
смесь озонида и водного гидрата окиси щелочного металла.
Озон активно вступает в химическое взаимодействие со многими
органическими соединениями. Так, первичным продуктом взаимодействия
озона с двойной связью непредельных соединений является малозоид,
который нестоек и распадается на биполярный ион и карбонильные
соединения (альдегид или кетон). Промежуточные продукты, которые
образуются в этой реакции, вновь соединяются в другой последовательности,
образуя озо-нид. В присутствии веществ, способных вступать в реакцию с
биполярным ионом (спирты, кислоты), вместо озонидов образуются
различные перекисные соединения.
Озон активно вступает в реакцию с ароматическими соединениями,
при этом реакция идет как с разрушением ароматического ядра, так и без его
разрушения.
В реакциях с насыщенными углеводородами озон вначале распадается
с образованием атомарного кислорода, который инициирует цепное
окисление, при этом выход продуктов окисления соответствует расходу
озона. Взаимодействие озона с насыщенными углеводородами протекает как
в газовой фазе, так и в растворах.
13
С озоном легко реагируют фенолы, при этом происходит разрушение
последних до соединений с нарушенным ароматическим ядром (типа
хиноина), а также малотоксичных производных непредельных альдегидов и
кислот.
Взаимодействие озона с органическими соединениями находит
широкое применение в химической промышленности и в смежных отраслях.
Использование реакции озона с непредельными соединениями позволяет
получать искусственным путем различные жирные кислоты, аминокислоты,
гормоны, витамины и полимерные материалы; реакции озона с
ароматическими углеводородами - дифениловую кислоту, фталевый
диальдегид и фталевую кислоту, глиоксалевую кислоту и др.
Реакции озона с ароматическими углеводородами легли в основу разработки
методов дезодорации различных сред, помещений, сточных вод, абгазов, а с
серосодержащими соединениями - в основу разработки методов очистки
сточных вод и отходящих газов различных производств, включая сельское
хозяйство, от серосодержащих вредных соединений (сероводород,
меркаптаны, сернистый ангидрид
1.2 Электросинтез озона в коронном разряде
В настоящее время единственным экономически выгодным способом
получения озона является электросинтез озона в электрическом разряде, где
протекают химические процессы в газе, ведущие к образованию наиболее
устойчивого продукта – озона. Изучение электросинтеза озона имеет не
только теоретическое, но и практическое значение. В последние годы
благодаря окислительным способностям озон находит широкое применение
в самых различных отраслях промышленности, в химической технологии при
водоподготовке, в сельском хозяйстве и медицине. Практически во всех
случаях образования озона существует группа реакций, в результате которых
озон разлагается. Они мешают образованию озона, но реально существуют, и
их необходимо учитывать:
O3  O  O 2  O2
O

33
 O  O 2  O2
1,1  10-11
(1)
9  10-13
(2)
O3  O  O2  O2  e
3,2 10-10
O3  O 4  O  O2  2O2
4 10-10
(3)
(4)
Как следует из (1-4) в процессах образования и потери О3 иона
существенную роль играют отрицательные ионы кислорода О-, О-2, О-3, О-4,
которые образуются в отрицательной короне, протекающей в атмосферном
14
воздухе. Воздух как некоторые другие (кислород, фтор, хлор, фреон и др.)
относится к категории электроотрицательных газов, атомы и молекулы
которых обладают положительным сродством к электронам.
Устойчивость отрицательных ионов определяется величиной сродства
атомов и молекул к электронам, или энергией, необходимой для отрыва
электронов от отрицательного иона, причем чем, больше сродство, тем более
стабильный ион. Стабильный ион образуется при захвате электронов, что
характеризуется вероятностью прилипания электрона к нейтральной
молекуле при одном столкновении. В этом случае часто используется
понятие коэффициента прилипания [4].
При образовании отрицательных ионов кислорода основной первичной
реакцией является прилипание электрона при тройном столкновении:
О2 + О2 + е  О- 2 + О2 ,
(5)
ионы О-2 могут затем принять участие в трех таких реакциях:
О-2 + О  О3 + е ,
(6)
О-2 + О3  О- 3 + О2,
(7)
О-2 + О2 + М О- 4 + М ,
(8)
ионы О-3 и О-4 могут участвовать в последующих реакциях, приводящих в
конечном счете к появлению NО3 – конечных устойчивых ионов с наиболее
высоким электронным сродством.
Весь механизм электросинтеза озона в отрицательной короне,
охватывающий выражения (1-8) можно наглядно представить в виде
диаграммы, приведенной на рисунке 1.
15
Рисунок 1 – Механизм электросинтеза озона в отрицательной короне
Схема реакций электронов атомов и молекул кислорода, показанной на
диаграмме объясняется следующим образом: исходные заряженные и
нейтральные частицы, и конечный результат реакций обозначены
квадратами, которые соединены стрелками, показывающими направление
реакции, а с кем реагируют показаны возле этих стрелок. С целью не
загромождения диаграммы в некоторых случаях выход О2, являющийся
конечным продуктом реакций, обозначен стрелкой. Следовало бы, кроме
рассмотренных реакций учитывать также те реакции, которые приводят к
потере электронов за счет рекомбинации и к потере отрицательных ионов за
счет взаимной нейтрализации [3-6].
Для описания пространственно-временной картины схемы образования
и потери озона в электронных лавинах, возникающих и присутствующих в
коронирующем слое, необходимо определить распределение напряженности
поля в чехле короны и его толщину. В случае концентрических цилиндров,
где коронирующим электродом служит микропроволока с радиусом r0,
толщина чехла  = (ri – r0) определяется формулой Пика, характеризующей
начальную напряженность коронного разряда [7]:



r0 
0,308 
E0 = 30,3  1 
,

(9)
где  = 273р/760Т – относительная плотность воздуха, r0 – в см. Исходя из
этой формулы и пренебрегая влиянием объемного заряда в коронирующем
слое (E0r0 = Eiri), получим:
 0,308 
r0
Ei 1 


r
E0 r0
0 

 r0  
 r0  0,3 r0 ,
Ei
E0
(10)
где  = 1, Еi  30,3 кВ/см. Для нормальных атмосферных условий ( = 1)
формула Пика показывает, что при зажигании коронного разряда
напряженность электрического поля на расстоянии   0,3r0 от
коронирующего электрода остается постоянной и равной 30,3 кВ/см для
любых r0 [8-12].
Таким образом, распределение напряженности поля в коронирующем
слое и его толщина, в первую очередь, зависит от значения r0. например, при
изменении r0 от 10 до 50 микрон  меняется от 102,5 до 244 микрон. О
характеристиках электронных лавин обычно судят по параметрам
электрических импульсов, измеренных на нагрузке разрядной камеры. На
осциллографе С1-75 выполнены измерения длины фронтов и длительности
импульсов для различных радиусов коронирующего электрода. Для
16
микропроволоок r0 = 20,30,40 микрон получены длины фронтов импульсов
5010-9, 7010-9, 10010-9 соответственно, а длительности их равны -30,35,40
мкс. Установлено, что длины фронтов импульсов соответствуют времени
начала, развития и окончания электронных лавин в коронирующем слое, а
длительности их характеризуют время «рассасывания» ионов кислорода из
разрядного промежутка. Измерения проводились в цилиндре с диаметром 10
мм с нагрузкой разрядной камеры 1,2 кОм. Атмосферные условия
соответствовали р=680 мм.рт.ст.; Т-200С. Все измерения проводились при
среднем значении постоянной составляющей тока короны порядка 5 мА [10].
Следует отметить, что форма импульсов и их параметры (фронт,
длительность) не зависят в широком диапазоне от значения постоянной
составляющей
тока
короны
и диаметра
внешнего
электрода.
экспериментальные данные свидетельствуют о влиянии микрогеометрии
поверхности коронирующей проволоки на начало отрицательной короны, что
объясняется местными усилениями напряженности поля вблизи
микровыступов и микронеровностей, приводящих к локальным увеличениям
значений ионизационного коэффициента Таундсенда. Поэтому не всегда
удается экспериментально наблюдать одиночную электронную лавину с
поверхности
коронирующей
проволоки.
Ввиду
протяженности
коронирующей проволоки электронные лавины могут возникнуть
одновременно с различных «активных» пятен на поверхности проволоки и
из-за накладки и слияния их возникают проблемы пространственного
разрешения или разделения их друг от друга [12].
Таким образом, все ионизационные процессы, необходимые для
образования озона, протекают в коронирующем слое, который
ограничивается расстоянием от коронирующей поверхности 0,3r0. В этом
слое происходят: диссоциация, ионизация и возбуждение молекул кислорода
электронным ударом, возникновение и исчезновение электронов и ионов,
прилипание и отрыв электронов, образование и потери молекул озона,
фотоионизация и тушение возбужденных состояний атомов и молекул.
В соответствии вышеизложенному механизму процессов, протекающих
в чехле короны, составим систему уравнений непрерывности для всех
элементарных процессов образования и потери электронов и ионов
кислорода. Для этих обозначений: К1...К19 – константы скоростей реакций (725) с нумерацией в соответствии с очередностью их расположения; n0, n-1, n-2,
n-3 – плотности электронов и ионов О-1, О-2, О-3 (см-3) и n1, n2,, n3 –
соответственно плотности атомов и молекул кислорода. Из-за малой
плотности ионов О-4 их влияние на основные элементарные процессы
минимально. Кроме того, считая плотность О2 известной и равной плотности
молекул кислорода в атмосферном воздухе при нормальных условиях
напишем систему уравнения для шести неизвестных величин:
dn3
 K7 n1 2n2  K9n1n 2  K10n1n 2  K 2n3n1  K12n3n1  K12n3n1  K14n3n1
dt
(11)
17
dn3
 K8n1 2n2  K18n 2 n3  K13n 3n1 ,
dt
dn  2
 K12n3n 1  K13n 1  K16 2n2  K9 n1  K10n 2 n3 ,
dt
dn1
 K3n0n2  K 4n 3n2  K 2 n1n3  K7 n1 2n2  K9n1n 2  K13n1n3  K17n1n3  K17n1n2
dt
(12)
(13)
(14)
dn1
 K3n0 n  2  K5n3n 2  K8n1 2n2  K10n1n  2  K12n1n3 ,
dt
(15)
dn0
 K9n1n 2  K10n1n 2  K14n3n1  K3n0n2  K16n0 2n2 ,
dt
(16)
Здесь не приняты во внимание процессы рекомбинации электронов и
отрицательных ионов с положительными ионами, так как считаем, что
положительные ионы имеют достаточную концентрацию только вблизи
поверхности коронирующего электрода. В эту систему уравнений также не
вошли элементарные процессы, связанные с активными промежуточными
частицами, чем являются возбужденные атомы и молекулы кислорода и
озона.
Для решения этой системы нелинейных дифференциальных уравнений
воспользуемся методом стационарных концентраций, предложенным в [1012]. В этом случае, приравнивая уравнения (11-16) нулю, получим для
стационарной концентрации частиц, участвующих и сопутствующих в
процессах электросинтеза озона следующие выражения:
n3 
2 K5 K10 K 7
K12  K14
n2 ;
(17)
n3 
2 K9 K7
K9 
n2 ;
n 2 , n3 
K13
K13
(18)
n 2  2
K 7 K8
, n2  2 K7 n2 ;
K10K9 K5
(19)
n1 
n 1 
K5
2K7
n3 , n1 
n2 ;
K9
K2
K5 K9
2 K5 K9
n2 ;
n3 , n 1 
K2
K8
(20)
(21)
18
n0 
2 K8 
n 1,
K3
n0 
4 K 5 K8
n2 ;
K3
(22)
Введя ряд упрощений в уравнение (17-22) и не учитывая некоторые
величины, например, 1 К1, ...К19, К5=К9, К7, К80, запишем кинетические
уравнения синтеза озона для ионов и молекул озона:
dn3
 n2
dt
 4 K7 K9 K7
2 K5 K9 K12  K14  

n2 
n3


K2
K2


 2K K K
dn 3
2 K3 K7  
 n2  5 9 8 n2 
n 3 
dt
K
K
2
2


(23)
(24)
Решение этих уравнений и замена кинетических констант элементарных
процессов К1...К19 с константами скорости образования озона К0 и
разложения К1 приводят уравнение образования озона к следующему виду:
n3 = n2 (K0 n2 - K1 n3 )
(25)
n-3 = n2 (K-0 n2 – K-1n3)
(26)
Эти уравнения несколько отличаются от известных [12], но позволяют
сделать ряд выводов, объясняющих процессы образования и потери озона в
чехле отрицательной короны. Значения концентрации n2 в атмосферном
воздухе при нормальных условиях (р=760 мм.рт.ст.; Т=293К) и принятым
констант К1...К19 позволяют с помощью выражений (23-26) качественно
определить концентрации отрицательных ионов и сравнить их между собой.
Основным отличием уравнений (25-26) от известных является то, что
они соответствуют второму порядку реакций образования и разложения
озона и поэтому, константы К0 и К1 имеют иной смысл, чем обычно
принятых, их размерность – единица деленная на концентрацию и время.
Эти уравнения также не учитывают лавинный характер отрицательной
короны, что подтверждается установленным импульсным режимом разряда и
поэтому, предполагается из-за многократного случайного возникновения и
исчезновения электронных лавин и их накладки друг на друга концентрация
озона сглаживается, в результате чего она зависит лишь от одной координаты
(r) и времени. В этом случае также не учитывается изменение концентрации
озона из-за диффузии ионов и выноса его потоком воздуха.
В связи с этим, рассмотрим роль диффузии ионов в чехле короны и ее
долю участия в ионизационных процессах, а также определим возможности
19
высокочастотной диагностики плазменных параметров ионизационной зоны
чехла коронного разряда.
1.3 Влияние толщины чехла короны на процессы образования озона
На основе полученных экспериментальных результатов и теоретических
предпосылок
показана
возможность
аналитического
решения
дифференциальных уравнений униполярной короны, когда учитываются
влияние диффузии ионов и электронов и неравномерный характер плотности
объемного заряда. Аналитический путь решения задачи, если с одной
стороны представляет методический интерес то, с другой, он, в наибольшей
степени, способствует пониманию природы явлений и других внутренних
механизмов, протекающих в зоне униполярной короны [12].
Полная система дифференциальных уравнений, описывающая
электрическое поле во внешней области коронного
разряда в
цилиндрической системе электродов имеет следующий вид:
2 = - / 0
(27)
div j = 0
(28)
j
I
 k  D
2r
(29)
где первое выражение представляет собой уравнение Пуассона, которое
устанавливает связь между плотностью объемного заряда  и потенциалом
поля . Второе выражение - известное уравнение непрерывности тока ионов,
и наконец третье уравнение выражает связь плотности тока
с
напряженностью поля Е, плотностью объемного заряда с градиентом. Кроме
того, введены следующие обозначения: I-суммарный ток с единицы длины
коронирующей проволоки; 0 – диэлектрическая проницаемость среды; D –
коэффициент диффузии ионов; k - коэффициент подвижности ионов. Здесь
значения , E,  зависят только от радиуса r.
После подстановки (27) и (29) для цилиндрической системы координат
получим уравнение:
d
I
k d
d 1
 0 E ( Er )  D 0 [  ( Er )] ,
2r
r
dr
dr r
dr
(30)
которое после ряда преобразований приводится к уравнению Бесселя. Между
тем, из-за громоздкости решения уравнения Бесселя, затруднительно
получить вольтамперные характеристики коронного разряда, приемлемые
для практических расчетов [12].
20
Пользуясь асимптотическим приближением при решении (30) и рядом
упрощающих действий для случая большого r, получим следующее
уравнение:
E
I
2 0 k

D
1
  O ( 2 ) ,
kr
r
(31)
откуда следует, что при больших значениях r влияние диффузии ионов
исчезающе мало. При этом распределение Е соответствует практически
распределению при чистом дрейфовом токе коронного разряда. Обычно,
необходимость учета диффузии ионов при решении (30) определяется
выражением D/RkE (R- радиус внешнего цилиндра), которое характеризует
соотношение между диффузионным переносом и направленным движением
ионов. Например, при значении 10-2 еще отсутствует влияние диффузии на
движение ионов, причем оно начинает проявляться при значениях его,
соизмеримых с единицей [12].
Если при стационарном униполярном коронном разряде выполняются
условия:
R R; k/D40; I 0,
(32)
то, исходя из выражения (32), можем считать, что вблизи наружного
электрода напряженность поля постоянна и равна:
E
I
2 0 k
.
(33)
С помощью этой формулы и выражения (27) определяются значения 
и  на поверхности наружного электрода:

1 I 0
R 2k
R
(34)
i
(35)
2 0 k
по которым при токе I=100 мкА/см и R=0,5 см для  получаем порядка 1,6107
Кл/см. Воспользуясь формулами (34) и (35), произведем оценочные расчеты
диффузионной составляющей плотности тока jD. Расчеты jD вблизи
наружного электрода могут быть выполнены по формуле:
jD  D 
D
R2
I 0
2k
(36)
21
что дает для положительной короны 0,09310-2, а для отрицательной 0,14410-2 мкА/см. При этом значения токов коронного разряда могут
меняться из-за диффузии ионов на 0,2710-2 и 0,4510-2 мкА/см
соответственно.
Если расчеты вести исходя из расплывания ионного облака коронного
разряда, то получим среднее смещение ионов из-за диффузии равное 8-10
микрон. Таким образом, результаты оценочных расчетов jD позволяют
заключить, что процесс диффузии ионов при малых межэлектродных
расстояних коронного разряда не имеет существенного значения.
Исходя из вышеуказанного, разработана методика определения
плазменных параметров чехла положительной короны в основу которой
положены результаты экспериментальных исследований частотных
характеристик коронного разряда при малых межэлектродных расстояниях
(2-20 мм) в режиме униполярной положительной короны [14]. В этом
устройстве полностью сформировавшийся коронный разряд подвергается
действию дополнительного переменного напряжения с частотой в диапазоне
от 200 Гц до 1,5 мГц с амплитудой от 10 до 100В. Подавая переменное
напряжение с регулируемой частотой и с малой амплитудой на
коронноразрядный промежуток и измеряя высокочастотную (ВЧ)
проводимость этого промежутка, мы как бы осуществляем ВЧ-зондирование
развитой короны, аналогичное методам микроволновой диагностики плазмы.
В этом случае наиболее чувствительным к воздействию ВЧ-поля является
коронирующий слой (чехол) разряда, где по сути протекают все основные
ионизационные процессы в коронном разряде. Поэтому естественно
предполагать, что плотность электронов (ne) и их частота столкновений с
нейтралями (vm) в чехле короны могут быть определены по значениям ВЧпроводимости
разрядного
промежутка
прохождению
небольшого
микроволнового поля, используемого в качестве зондирующего сигнала. ВЧпроводимость коронноразрядного промежутка определяется отношением
значения высокочастотного тока короны к величине приложенного
переменного напряжения. Ввиду того, что зондирующее ВЧ-поле имеет
малую амплитуду (10-100 В) по сравнению с основным постоянным
напряжением (3-4 кВ), поддерживающим коронный разряд, измеряемая
проводимость называется динамической дифференциальной проводимостью
(qd) в отличие от статической, определяемой из вольтамперной
характеристики короны. При измерении qd развитой короны в широком
диапазоне частот (от 200 Гц до 1,5 мГц) обнаружен ряд аномалий в
зависимостях qd от частоты зондирующего напряжения. Все измерения были
проведены для положительной короны на микропроволоке в коаксиальном
цилиндре. Для исключения влияния геометрической емкости камеры
коронного разряда, необходимо также измерять дифференциальную ВЧпроводимость камеры (qe) при отсутствии коронного разряда. Для этого
определяют ток смещения через данный промежуток времени при значении
напряжения зондирующего поля, равное при определении qd. Зная полный
22
ток коронирующего промежутка и ток его геометрической емкости можно
определить так называемый «компенсированный» ток, который позволяет
вычислить дифференциальную ВЧ-проводимость самой короны (qd- qе).
Из экспериментальных данных следует, что полная qd(f) в области
частот до 200 кГц имеет пологий участок (минимум), расположение которого
зависит в основном от диаметра внешнего цилиндра. С повышением частоты,
кривая qd(f) медленно возрастает, достигая максимума и при определенной
частоте, зависящий от диаметра коронирующей проволоки и величины тока
коронного разряда, пересекает прямую проводимости геометрической
емкости разрядной камеры (qd = qе), снижаясь до минимума, а потом снова
растет.
Таким образом, по характерным точкам на кривой qd(f) в виде
максимума, равенства qd = qe и минимума определяются соответствующие им
критические частоты: fmax (qd  qe), f0 (qd = qe) и fmin (qd qe). Следует отметить,
что наиболее вероятно, возникновение критических частот связано с
резонансными явлениями в плазме чехла коронного разряда. Это
обстоятельство, в свою очередь, позволяет рассчитать значения ne и vm, если
воспользоваться полученными данными резонансных точек qd и f и
применить известные выражения диэлектрической проводимости из
элементарной теории ионизованного газа в поле электромагнитной волны. В
конечном итоге, после ряда теоретических выкладок была получена система
из двух уравнений:
qmax  2,82  104 (nevm ) /( 2 m  v 2 m )
(37)
ne vm / 0 ( 2 0  v 2 m )  5,31  10 3 (1  32,75nе /( 2 0  v 2 m ))
(38)
где, m=2fmax, 0 =2f. Аналитическое выражение данной системы
уравнений с целью определения значений ne и vm представляется весьма
затруднительным, поэтому был использован микропроцессор, который по
заданной программе производит расчеты ne и vm по этим формулам (37-38) и
обеспечивает
непрерывность
процесса
измерения
параметров
высокочастотного напряжения от двух разрядных камер одновременно.
Разработчиками предлагается устройство из двух одинаковых камер с
идентичным по форме и размеров электродов, с источником питания и
генератором высокочастотного напряжения. Сигнальные выходы от двух
преобразователей тока соединены со входами балансной схемы разности
напряжений, тогда как выходной сигнал балансной схемы подается на один
из входов микропроцессора. На другие входы микропроцессора подаются
через разделительные емкости сигналы от двух плеч камер. Высокое
напряжение подается на основную камеру коронного разряда через
балластное сопротивление, а высокочастотное напряжение подается на обе
камеры через другие разделительные емкости. Этим способом можно
определить толщину чехла коронного разряда и он может быть использован в
23
измерительной технике для определения геометрических параметров
стационарных плазменных сгустков и образований.
Известен способ определения толщины чехла коронного разряда в
коаксиальных цилиндрических электродах по интенсивности свечения чехла
короны, измеряемой фотоэлектрическим или фотографическим методами
[12]. При этом оказалось, что толщина коронирующего слоя (чехла) не
зависит от приложенного напряжения и представляется в виде 1,56 r00,65 , где
r0 – радиус центрального электрода в мм. Предложенному способу при
фотоэлектрическом измерении присущи следующие недостатки, которые
существенно снижают точность определения толщины чехла короны:
-максимальный уровень измеренной кривой распределения яркости чехла по
радиусу отличается от уровня края чехла более, чем 103 раз;
-ввиду применения УФ-линз преимущественно измеряется свечение
внутренней части чехла короны, где протекает интенсивная ионизация и
возбуждение атомов и молекул газа, что приводит к неопределенности
границы края чехла короны.
При фотографическом методе измерения из-за необходимости принятия
специальных мер еще больше усложняется измерительная аппаратура, что
приводит к снижению точности определения толщины чехла короны.
Наиболее близким является способ измерения неэлектрических
параметров, когда «на электроды подают дополнительно переменное
напряжение с известной частотой и амплитудой, меньшей постоянного
напряжения, и по величине переменной составляющей силы тока коронного
разряда судят о величине неэлектрического параметра» [10-12]. В этом
случае не рассматриваются вопросы резонансных явлений в плазме чехла
короны и не ставится задача определения толщины чехла короны, а
измеряются неэлектрические величины, например, давления газа в разрядном
промежутке, геометрических параметров электродов и т. д. Кроме того, из-за
нарушения формы переменного сигнала при прохождении через плазму
чехла короны, нарушается точность измерения величины переменной
составляющей тока коронного разряда.
Нашей задачей являлась разработка способа определения толщины
чехла коронного разряда, обеспечивающего высокую точность измерения
искомой величины и исключающего влияния на результаты измерения
нарушения формы переменного напряжения. При этом появляется высокая
точность определения толщины чехла коронного разряда при исключении
влияния на результаты измерения нарушения формы переменного
напряжения. В отличие от известного способа, включающего подачу между
коронирующим и внешним электродами дополнительного высокочастотного
напряжения с известной амплитудой, которое меньше высоковольтного
постоянного напряжения, в нашем варианте, создают резонансные
колебательные процессы в плазме чехла коронного разряда, путем
регулирования частоты высокочастотного напряжения и затем, по значению
резонансной частоты, расчетным путем определяют искомую величину.
24
Отличительными признаками предлагаемого способа являются создание
резонансных колебательных процессов в плазме чехла коронного разряда
путем регулирования частоты высокочастотного напряжения и определение
значения резонансной частоты, зависящей от размера толщины чехла
короны, причем в этом случае влияние формы переменного сигнала на
точность измерения исключается.
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит генератор
высокочастотного напряжения с регулируемой частотой на выходе,
нагрузочный резистор, разделительную емкость для снятия переменной
составляющей тока, милливольтметр переменного напряжения и
микропроцессор для выполнения расчетных операций по заданной
программе.
Одним из возможных подходов к исследованию коронного разряда
является изучение особенностей его характеристик. Качественное
рассмотрение характеристик различного вида коронного разряда позволяет
установить существенные отличия параметров униполярной короны на
микропроволоке (МП) от коронного разряда на линиях электропередачи и в
аппаратах электронно-ионной технологии. В таблице 1 представлены для
сравнительного анализа расчетные параметры коронного разряда для
цилиндрической системы электродов. В графе «Коронноразрядные приборы»
приведены параметры униполярной короны, которые используются в
коронноразрядных условиях, для измерения диаметра, овальности и
шероховатости МП [10-12]. Параметры коронного разряда в графе
«Аппараты электронно-ионной технологии» соответствуют данным
коронного разряда в электрофильтрах, электросепараторах и др. [12]. В
таблице 2 указаны диапазоны диаметров коронирующего провода (d0),
диаметров наружного электрода (Д), пределы изменений токов (I) и
напряжений (U). Плотности токов коронного разряда рассчитаны на
поверхности коронирующего электрода (j0) и для области нарушенного
цилиндра (j1). По данным таблицы определены произведения плотности
ионов (n0,n1) на подвижность (k0,k1). Геометрические размеры электродов и
электрические характеристики коронного разряда даны в удобной
смешанной системе единиц, обычно принятой в электротехнической
литературе. Значения плотности токов j и произведения nk определены по
известным формулам [12]:
I=2πrκρkE=2πrnekE,
(39)
j0=I/πd0, j1=I/πД,
(40)
n0k0= I/πd0eE, n1k1= I/πДeE,
(41)
25
где r – расстояние от оси цилиндрической системы электродов; е – заряд
электрона или носителя единичного заряда (1,6∙10-19 Кл); ρ - плотность заряда
(ne).
Таблица 2 – Характеристики коронного заряда
Параметры
Коронноразрядные
приборы
d0, см
10-3-12∙10-3
Д, м
0,2-1,6
I, мкА/см
до 150
U, кВ
до 10
2
j0, мкА/см
до 16∙103
j1, мкА/см2
до 30
n0k0, 1/см∙В∙с
1,25∙1011
n1k1, 1/см∙В∙с
2∙1010
Е0, кВ/см
600-100
Е0/ρ, В/см∙мм рт. ст.
800-45
Аппараты электронноионной технологии
0,2-10
6-20
до 20
до 100
до 3,0
до 0,1
6,5∙108
0,5∙108
100-30
150-50
Как видно из таблицы 1 плотность (j0) тока для коронноразрядных
приборов при максимуме может иметь значения, превышающие j0 на
поверхности коронирующих электродов для других видов коронного разряда
на четыре порядка. Эти же соотношения плотностей токов (j1) в области
внешнего электрода имеют несколько меньшие значения. Следует также
отметить высокий удельный ток коронного разряда с единицы длины МП. С
увеличением плотности тока разряда соответственно возрастает
концентрация заряженных частиц, особенно, в области коронирующего слоя.
По формуле (41) рассчитаны значения n0k0 вблизи поверхности
коронирующего провода. Оказалось, что n0k0 для МП на 3-4 порядка больше,
чем для толстых проволок. Расчеты выполнены для произведения n0k0 вместо
того, чтобы найти значения n0 и k0 по отдельности. Это связано с
неопределенностью значения k0 для коронирующего слоя, так как в
суммарную подвижность ионов в этой области существенный вклад вносят
свободные электроны [12].
К одной из особенностей униполярной короны на МП относится
присутствие автоэлектронной эмиссии с коронирующей поверхности при ее
отрицательной полярности. При униполярной короне на тонких и
сверхтонких проволоках на поверхности коронирующего провода создаются
очень высокие напряженности поля, доходящие иногда до 1000-1300 кВ/см.
Обнаруженное различие начальных напряженностей для положительной и
отрицательной короны выше Е > 100-200 кВ/см в некоторой степени
объясняется присутствием автоэлектронной эмиссии с поверхности провода
при отрицательной короне [11]. Результаты работ некоторых авторов [12]
также привели к выводу о возможной роли автоэлектронной эмиссии как
одного из основных вторичных процессов на коронирующей поверхности в
26
механизме
возникновения
и
развития
отрицательной
короны.
Экспериментальные данные на проводах диаметром не выше 100 мкм
показывает на различие начальных напряженностей положительной и
отрицательной короны [11]. В присутствии автоэлектронной эмиссии в
отрицательной короне не последнюю роль играют местные и локальные
усиления электрического поля вблизи вершин отдельных микровыступов,
бугорков, заусенец.
Исследование коронного разряда, как и других видов газового разряда,
охватывает широкий круг физических измерений. Для получения надежных
результатов исследований электрических характеристик короны необходимо
обеспечить достаточную точность размеров электродов (внешнего цилиндра
и коронирующей проволоки), центровку их относительно друг друга,
точность определения состава, плотности и влажности газа в рабочей камере,
а также измерения температуры газа и коронирующей проволоки. Ценность и
достоверность полученных результатов определяются в конечном итоге
правильностью выбранной методики исследования и точностью
измерительных приборов. В связи с этим для выполнения целого комплекса
измерений был разработан ряд экспериментальных установок и
измерительных устройств, электронная аппаратура и конструкции разрядных
камер, которые позволили провести систематические исследования
характеристик униполярной короны на МП при различных давлениях
атмосферного воздуха. Сущность разработанной методики состоит в
следующем. Допустим, что в процессе коронирования проволоки внешний
цилиндрический электрод относительно ее симметрично сужается.
Уменьшаясь в диаметре, он постепенно проходит все положения
эквипотенциальных поверхностей в виде концентрических кругов, которые
образовались бы при наружном электроде с большим диаметром. Если
принять, что величина потенциала на эквипотенциальной поверхности,
является суммой потенциалов электростатического поля и поля
пространственных зарядов, то, подбирая соответствующее значение
потенциала для каждого положения внешнего электрода, можно получить
идентичность условий разряда. Это положение должно выполняться при
постоянном радиусе коронирующей проволоки и силе тока КР для различных
диаметров наружного электрода. Для каждого значения диаметра и силы тока
измеряется напряжение, которое считается близко соответствующим
потенциалу в данной точке зоны униполярной короны при внешнем
цилиндрическом электроде с большим диаметром. Такую характеристику
короны назвали вольт-миллиметровой.
27
2 Исследование электрические параметры озонирующего элемента
На рисунке 2 схематически показана расчетная система электродов в
виде «игла-сетка» и разрез озонирующего элемента. Из принципа
наглядности масштабы размеров не соблюдены. Между тем,
в
функциональную схему озонирующего элемента внесены общие обозначения
размеров входящих деталей, необходимые в дальнейшем для расчета
озонирующего элемента.
1 –коронирующий электрод; 2 –плоская сетка; 3 – корпус
озонирующего элемента; D –диаметр корпуса; d –диаметр коронирующего
электрода; rз –радиус закругления иглы; rк –расстояние от кончика иглы, где
 эф =0; h –расстояние от кончика иглы до плоскости сетки
Рисунок 2 – Разрез коронирующего электрода озонирующего элемента
Коронирующим электродом является цилиндрический стержень из
вольфрама или молибдена, кончик которого сначала затачивается и затем
электротравлением достигается необходимая острота радиуса закругления.
Напряжение питания разрядного промежутка в пределе достигало до 16
кВ, а ток разряда – до 20 мкА. Для сравнения приведем пример, известный из
литературы [13-14]: rз менялся от 0,001 до 0,0025 см, h – от 5 до 15 см,
напряжение питания – до 50 кВ, а разрядный ток – до 100 мкА.
2.1 Разработка электрических параметров озонаторной ячейки
Для изготовления экспериментального образца озонатора вначале были
исследованы электрические параметры озонирующего элемента.
На рисунке 3 приведена зависимость производительности трубчатого
озонатора от значения разрядного тока (Рп) и расчетные значения удельного
энергетического выхода по озону (Ру).
28
Рпз, Рпо – производительности (г/ч); Ру– энергетический выход озона
(г/кВт∙ч).
Рисунок 3 –Производительность и энергетический выход озона
Озонатор имеет следующие параметры: длина трубки L =150 мм,
диаметр коронирующего электрода Д=100+26 микрон (спиральная). Расход
продуваемого воздуха через озонатор составил 20 м3/мин. Как следует из
этого рисунка, с ростом величины разрядного тока производительность
озонатора по озону также растет, в то время как энергетический выход его
монотонно падает, что подтверждает ранее известные данные по росту
энергетического выхода озона при малых токах коронного разряда [13].
Таким образом, производительность по озону озонирующего элемента
(г/ч) определяется измерением на его выходе концентраций озона известным
стандартным озонометром или определяется по градуировочной кривой,
тогда как его энергетический выход находится расчетным путем через
количество выработанного озона (г) на единицу затрачиваемой
электроэнергии
(кВт∙ч). Отсюда следует, что снижение удельных
энергозатрат (г/кВт∙ч) необходимо при многозвенных и многомодульных
соединениях озонирующих элементов с целью повышения суммарной
производительности озона озонатором.
Производительность по озону любого озонирующего элемента, в
первую очередь, зависит от величины разрядного тока и потому для
снижения удельных энергетических затрат возникает возможность
уменьшения значения питающего напряжения при тех же токах разряда.
Имеются несколько путей для усиления тока коронного разряда, которые
ведут к повышению производительности озонирующего элемента.
Рассмотрим их возможности, достоинства и недостатки при применении их в
озонирующих элементах.
1. Одним из путей усиления тока коронного разряда, что равносильно
повышению производительности озонирующего элемента, является
уменьшение межэлектродного расстояния разрядного промежутка. В этом
случае при тех же напряжениях питания возможно получить более высокие
значения разрядного тока, если при этом не возникнет пробой между
электродами.
29
В коаксиальных цилиндрах существует геометрический предел
отношения внешнего радиуса к внутреннему, равный е (основание
натурального логарифма), ниже которого коронный разряд не может
возникнуть [12]. Рассмотрим напряженность поля на поверхности
внутреннего электрода.
E0 
U0
R
r0 ln
r0
,
(42)
где U0 –напряжение между электродами; R –радиус внешнего цилиндра; r0 –
радиус внутреннего цилиндра. Если принять значения U0 и R постоянными,
то можно найти r0 при минимальной Ем, когда более вероятен пробой
промежутка:
d  1

dr  E M
 d  r

 
ln R  ln r   0

 dr U M

1
ln R  ln r  1  0; ln R  1.
UM
r
(43)
Таким образом, вопрос о критическом расстоянии между электродами
в частности, о критическом отношении R/r в случаях коаксиальных
цилиндров, тесно связан с условиями возникновения и распространения
стримеров при начальных стадиях развития коронного разряда. Выражения
(43) остается предельным и дает минимальную величину критического
отношения R/r0 =e=2,718… [14].
Между тем, большинство разработанных озонаторов типа ОКР имеют
межэлектродные расстояния порядка 5-10 мм, тогда как радиусы кривизны
коронирующих электродов лежат в пределах 25-50 микрон. Установлено
экспериментально, что выбранные параметры разрядного промежутка
являются наиболее оптимальными по части равномерной продувки
разрядного промежутка и при этом значения напряжения питания и
разрядного тока недостаточны для возникновения пробойных процессов.
2. Следующим путем усиления разрядного тока может служить нагрев
коронирующего электрода или нагрев воздуха, окружающего разрядный
промежуток. В этом случае, с повышением температуры воздуха растет
интенсивность ионизации в коронирующем слое из-за увеличения длины
свободного пробега электронов, причем значительно возрастает плотность
тока во внешней области короны. Установлено, что при нагреве воздуха до
1400С и при одном и том же значении напряжения питания разрядный ток
возрастает в пятикратном размере, но применение этого способа для
усиления разрядного тока связано с рядом трудностей технического
характера: необходимость дополнительного приспособления для нагрева
воздуха и затем его продувки через озонирующий элемент, а также возникает
необходимость тепловой изоляции озонирующего элемента от окружающей
30
среды. Кроме того, при такой температуре воздуха (1400С) наиболее
вероятным является разложение озона, полученного в озонирующем
элементе.
3. Другим путем для повышения производительности озонирующего
элемента является применение вместо воздуха чистого кислорода.
Действительно, в этом случае выход озона увеличивается почти в два раза
[12]. Причиной, задерживающей применение этого способа, является его
дороговизна. Кроме того, в производственных условиях применение
кислорода также не удовлетворяет требованием техники безопасности.
К одному из эффективных путей снижения удельных энергозатрат при
получении озона относится работа озонирующего элемента при пониженных
давлениях воздуха. При этом единственной возможностью осуществления
этого способа является отсасывание воздуха из рабочего объема
озонирующего элемента, что в свою очередь предполагает прохождение
озонированного воздуха через отсасывающее устройство и, в конечном
итоге, в значительной степени снижается эффективность получения озона.
Эта задача была решена в работе [12], когда процессы образования озона и
взаимодействие его с обрабатываемой жидкостью объединены и протекают
одновременно в рабочей зоне водоструйного насоса. При этом
эффективность применения озона существенно повышается из-за отсутствия
действия по доставке и транспортировке озона к рабочему месту.
Первоначально, для установления полной картины влияния давления
воздуха на электрические характеристики отрицательного коронного разряда
рассмотрим коаксиальную систему электродов, что существенно упрощает
описание процесса из-за наличия известных формул и экспериментальных
материалов для данной формы электродов [13].
Результаты исследования показали, что во всем диапазоне температур
и давлений воздуха характеристики коронного разряда являются функциями
только плотности воздуха. Влияние температуры воздуха на коронный
разряд описывается той же закономерностью, что и зависимость плотности
воздуха от его температуры. Давление воздуха или его плотность на
величину силы тока разряда влияет через начальную напряженность поля
коронного разряда, которая в свою очередь, определяет напряжение
возникновения разряда в данном промежутке [14].
На основании многочисленных измерений начального напряжения
коронного разряда Пику удалось дать эмпирическую формулу для начальной
напряженности поля короны, возникающего на поверхности коронирующего
провода с радиусом r0 [12]. Сопоставление расчетных и экспериментальных
данных показывает [14], что в целом наилучшая сходимость (и для
коаксиальных цилиндров) получается для следующей формулы Пика:
 0,288 
,
E0  30,3 1 


r

0


(44)
где  – относительная плотность воздуха, которая определяется по формуле:
31

0,386 Р
,
273  Т
(45)
где Р – барометрическое давление, мм рт. ст.; Т –температура воздуха, 0С; 
=1 при атмосферных условиях, принятых за нормальное (Р=760 мм рт.ст.,
Т=200С).
Влияние Е0 на величину тока коронного разряда можно определить через
начальное напряжение U0 (1) по вольтамперной характеристике коронного
разряда. Для примера приведем формулу Таунсенда [12].
I
8 0 K U  U 0 U
,
R
2
R ln
r0
(46)
где  0 – диэлектрическая проницаемость; К – подвижность ионов; U –
напряжение между электродами; U0 –начальное напряжение коронного
разряда.
Целесообразно проверить соответствие экспериментальных значений
напряжения зажигания коронного разряда с расчетными по формуле Пика
(44).
В таблице 2 представлены экспериментальные результаты измерений и
расчетные значения начальных напряжений U0, UР и напряженностей поля
короны Е0, Ер в зависимости от давления и температуры атмосферного
воздуха. Все измерения и расчеты относятся к отрицательному коронному
разряду. Значения  , приведенные в таблице, рассчитывались по формуле
(45). Используя экспериментальные значения U0, можно вычислить по
формуле (42) напряженность на поверхности коронирующего провода. Тогда
как значения U0
Измеряются достаточно с высокой точностью (0,1%), при определении Е0 по
формуле (42) может вноситься большая погрешность из-за неравномерности
диаметра коронирующего провода по длине.
Из анализа данных таблицы 3 следует, что в большинстве случаев
значения Ер больше чем значения Е0. Различие Ер и Е0 не зависит от Р и Т и
составляет в среднем 3%, тогда как значения Е0 может меняться
относительно Ер при повышении температуры воздуха, иногда достигая 7%.
32
Таблица 3 –Начальные напряжения и напряженности поля короны
(атм.воздух, R=0,5 см, r0=0,0025 см)
Р, мм
Т0С
U0, B
Е0, кВ/см Ер, кВ/см
Uр, В

рт.ст.
100
24,5
0,133
1000
75,5
72,5
955
280
24,5
0,266
1400
105
107
1420
300
24,5
0,399
1750
132
132,3
1755
400
24,5
0,532
2050
155
156
2065
500
24,5
0,665
2300
173
176
2330
680
24,5
0,903
2700
204
209
2770
680
40,0
0,852
2520
190
203
2690
680
60,0
0,801
2460
185
196
2600
680
80,0
0,755
2400
181
189
2510
680
100
0,715
2350
177
183
2423
680
120
0,678
2260
170
178
2360
680
140
0,648
2200
166
173
2290
Таким образом, уменьшение плотности воздуха, в первую очередь,
ведет к снижению значения начального напряжения коронного разряда,
причем крутизна вольтамперных характеристик при этом заметно
усиливается.
2.2 Исследование выходных параметров озонатора
Рассмотрим выходные параметры озонирующего элемента при
пониженных давлениях воздуха, к которым относятся производительность по
озону (г/ч) и удельные энергетические затраты (г/кВт∙ч), воспользовавшись
характеристикой озонирующего элемента, представленной на рисунке 4 и
аппроксимируя ее находим приближенную формулу для зависимости выхода
озона от тока коронного разряда:
PП  KI ,
(47)
где Рп –производительность по озону (г/ч); К –коэффициент
пропорциональности (г/ч∙мА); I –ток разряда (мА). По величине угла наклона
характеристики (рисунок 1) можно найти значение коэффициента
пропорциональности К=0,2г/ч ∙мА. Удельные энергетические затраты Ру
33
определяются отношением производительности по озону (Р п) к потребляемой
энергии W  UI кВ в час, то есть:
PУ 
PП KI K


г/кВт∙ч
W UI U
(48)
где U –напряжение между электродами, кВ; I –ток разряда, А. По сути дела,
при определенном токе Ру зависит только от значения U, чем меньше его
значение, тем выше Ру. Определенный интерес представляет сравнение
экспериментальных значений Рпэ с расчетными РПа по формуле (47). Для
наглядности этого сравнения составим таблицу 4, которая также охватывает
экспериментальные значения Рпэ.
Таблица 4 – Производительности по озону и энергетические выходы
озонирующего элемента
U, Кв
5
5,6
6,1
6,4
6,6
I, Ма
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Pпэ, г/ч
0,09
0,25
0,36
0,45
0,5
PпА, г/ч
0,13
0,24
0,33
0,44
0,53
Pуэ, кВт∙ч
45
40
35
32
29
Как следует из данных таблицы 3 максимальное отличие Pпэ и PпА не
превышает 8%, и поэтому определение Pп для других значений разрядного
тока по формуле (45) приводит к небольшой погрешности измерения. Для
определения Pу может быть использована расчетная формула (48). В
соответствии с законами состояний идеального газа снижение давления
воздуха также уменьшает концентрацию молекул кислорода в воздухе, что
может привести к снижению образования озона в разрядном промежутке но
снижение Р приводит также к обратному эффекту: усилению ионизационных
процессов из-за удлинения длины свободного пробега электронов и поэтому,
повышению их энергии. Следовательно, снижение Р не может существенно
оказать влияние на степень выхода озона, так как при снижении Р
постоянство значений разрядного тока обеспечивается необходимой
плотностью потока зарядов, состоящих, в основном, из ионов кислорода и
озона.
3 Испытание отдельных элементов экспериментального образца
озонатора
С целью выяснения возможности применения малогабаритного
озонатора для очистки и обеззараживания питьевых и сточных вод был
разработан и изготовлен озонатор на коронно-барьерном разряде ОКБР–01.
34
Озонирующий элемент озонатора изготовлен на основе данных
электрического расчета и компьютерного моделирования.
Озонатор изготовлен в виде компактного прибора в пластмассовом
корпусе. На передней панели имеется отверстие, куда впаяна трубка для
выхода озона. На верхней панели размещены: автоматический выключатель
АПВ для подключения к источнику переменного тока и выключатель
компрессора. Кроме того, там же расположен регулятор продолжительности
работы прибора, а также труба для забора воздуха. Внутри корпуса
размещены: электродвигатель для привода компрессора, компрессор для
нагнетания
воздуха
в
озонирующий
элемент,
высоковольтный
трансформатор ТВС 220/7000 для подачи высокого напряжения на генератор
озона (озонирующий элемент), расположенный рядом, а также тиристорный
преобразователь для формирования отрицательных импульсов.
Одной из основных деталей экспериментального образца озонатора
является озонаторная ячейка, представленная на рисунке 4 в виде эскиза, где
показаны общий вид и расположение микропроводов.
Озонаторная
ячейка представляет собой коронно–разрядный
воздушный промежуток, образованный двумя металлическими пластинами и
рядом микропроводов, расположенных параллельно в пространстве между
пластинами.
На микропровода подается высокое постоянное напряжение
величиной 5кВ отрицательной полярности. На пластины подается
положительная полярность напряжения от этого же источника.
Озонатор синтезирует озон из кислорода воздуха путем коронного
разряда с микропроволоки. Образующаяся при этом озоно-воздушная смесь
удаляется из озонаторной ячейки при помощи потока воздуха, нагнетаемого
осевым вентилятором.
35
а) Общий вид. Обозначения:
1-металлические пластины, 2-диэлектрические бруски, 3-отверствия для
микропроводов, 4-микропровод.
б) Расположение микропроводов в промежутке между пластинами.
Рисунок 4 – Эскиз озонаторной ячейки
Высокое напряжение вырабатывается выпрямителем, собранным по
двухполупериодной схеме (рисунок 5). На выпрямитель подается
напряжение от вторичной обмотки повышающего трансформатора.
Отвод от середины
вторичной обмотки соединен с корпусом
трансформатора и с пластинами озонаторной ячейки. Конденсатор служит
для снижения пульсаций выпрямленного напряжения. Резистор R для
установления величины разрядного тока озонаторной ячейки.
Диоды D1 и D2 катодами соединены с концами вторичной обмотки
трансформатора Тр, аноды соединены вместе и с них снимается
отрицательное выпрямленное напряжение. Конденсатор С2 служит для
уменьшения напряжения питания, подаваемого на вентилятор В типа ВН-2 с
целью снижения шума.
S1 –сетевой выключатель; F-предохранитель плавкий; Тр –повышающий
трансформатор, D1 и D2 –высоковольтные диоды КЦ 201, С1 –
конденсатор высоковольтный; R –резистор остеклованный; С2 –
конденсатор бумажный; В –вентилятор типа ВН-2; 1 –клемма
отрицательной полярности для соединения коронирующих
микропроводов; 2 –клемма положительной полярности для подключения
металлических пластин озонаторной ячейки.
Рисунок 5 –Схема электрическая, принципиальная, воздушного озонатора
36
Основные технические характеристики:
Напряжение сети
220 В, 50 Гц
Потребляемая мощность
1,0 Вт
Обрабатываемая кубатура (емкость)
до 3 дм3
Время однократного действия
20 мин.
Габариты
800400200 мм
Масса
25 кг
В течение двух месяцев разрабатывался опытный образец ОКБР–01,
который предполагается использовать для обеззараживания воды ряда
естественных водоемов. Длительные испытания прибора показали, что
озонатор работает безотказно, вполне надежен и готов к использованию в
реальных условиях.
По ходу опытных испытаний установлены выходные параметры
озонатора и проверена его готовность к использованию для очистки
питьевых и сточных вод. На рисунке 6 показаны вольтамперная
характеристика и производительность по озону.
I, мА
О3, г/ч
1,4
0,5
1,2
1
0,4
0,8
0,3
0,6
О3
0,2
0,4
0,1
0,2
0
0
2,9
3,4
3,9
4,4 U, кВ
Рисунок 6 –Выходные параметры озонатора ОКБР 01
37
О3, г/ кВт  ч
65
60
55
50
45
40
35
30
25
2
2,5
3
3,5
4
U, кВ
Рисунок 7 – Энергетический выход озона
Таблица 5 – Вольтамперная характеристика озонатора
U, кВ
3,1
3,3
3,5
3,8
4,1
I, мА
0,25
0,45
0,61
0,8
0,98
4,5
1,2
После изготовления озонатора в фирме «Озон 1» были проведены
приемочные испытания прибора на кафедре «Электроснабжение и
автоматизация» КазНАУ.
По ходу опытных испытаний установлены
выходные параметры озонатора и проверена его готовность к использованию
для очистки питьевых и сточных вод.
4 Испытание конструкции экспериментального образца озонатора
при различных условиях
1,4
1,5
2,3
2,5
2,6
2,8
3,1
3,4
3,5
3,8
2∙10-3
3∙10-3
4∙10-3
10-3
2∙10-3
3∙10-3
4∙10-3
1,3
10-3
1,2
4∙10-3
U, кВ
3∙10-3
Таблица 6 –Выходные параметры озонирующего элемента при
пониженных давлениях воздуха
Р,мм
100
400
680
рт.ст.
I, мкА
5
10
15
20
5
10 15 20
5
10 15 20
142
133
87
80
77
71
64
58
57
52
РУ,
166
г/кВт∙ч
2∙10-3
10-3
РПА,г/ч
153
38
Основные разрядные процессы при коронирующей игле и при
коронирующей проволоке принципиально не отличаются и разнятся они по
конфигурации электрического поля и по мощности разряда.
В связи с этим для исследования влияния давления воздуха на
характеристики коронного разряда была использована коаксиальная система
электродов, которая обладает экспериментальной простотой и удобством и
также является озонирующим элементом для получения озона в коронном
разряде [13-17].
Как следует из данных таблицы 5 при пониженных давлениях воздуха
можно получить довольно высокие значения удельных энергозатрат (166
г/кВт∙ч), что является основным преимуществом этого способа получения
озона.
Виду того, что для устройства по озонной обработке жидкости
используется озонирующий элемент в виде «игла-плоскость (сетка)»
рассмотрим его сущность, которая заключается в следующем: возбуждают
коронный разряд при пониженном давлении кислородсодержащего газа в
системе, представляющую последовательно расположенные озонирующие
элементы, выполненные в виде «коронирующая игла - плоская
металлическая сетка», которые помещены в полузакрытую камеру и
расположены осесимметрично в направлении электрического ветра,
возникающего в сторону открытой части камеры, и снабжены схемой для
поочередного включения озонирующих элементов, причем первый элемент
не имеет сеточного электрода, а в последнем озонирующем элементе к
сеточному электроду не прикреплена коронирующая игла. Такая установка
значительно снижает энергозатраты по производству озона, необходимого
для обеззараживания воды. По результатам этих исследований получен
патент РК№471 от 15.04.09, бюлл.№4 [16].
5 Разработка полупромышленной установки для обеззараживания
воды
Опытная полупромышленная установка для обеззараживания воды
(далее - установка) предназначена для проведения исследований с целью
получения данных о технологических режимах обеззараживания питьевой
воды, а также сточных вод на конкретных объектах. В частности, получение
данных о необходимой концентрации активного газа - озона и времени его
воздействия, при которых обеспечивается уничтожение бактерий и вирусов в
обрабатываемой питьевой воде и загрязняющих веществ в сточных водах.
Установка предназначена для работы в стационарных условиях при
температуре окружающего воздуха от 5 до 50о С и относительной влажности
от 30 до 80%.
Установка работает в комплекте с водным резервуаром, через который
обрабатываемая вода, протекая самотёком, подвергается сатурации озоном,
39
подаваемым под избыточным давлением в воду через микроотверстия в
прессованных трубах из титанового порошка.
Технические характеристики
Производительность по озону, г/час
Ожидаемая производительность по воде в зависимости
от степени зараженности её бактериями, куб.м/час
Масса, кг
Габариты, мм
Электропитание 1-фазное
Потребляемая мощность
15
1…3
52
715 х 700 х 500
220В, 50Гц
600 ВА
5.1 Устройство и принцип действия установки
5.2 Синтезатор озона
В основу работы синтезатора озона положен коронный электрический
разряд постоянного тока с микропроволоки в воздухе. Коронный разряд
осуществляется в 5 разрядниках типа «проволока – плоскость». На
проволоки подаётся отрицательное напряжение -6кВ относительно
плоскостей. Ток коронного разряда измеряется миллиамперметром,
установленным на панели управления устройства. Синтезатор озона
размещается в герметическом корпусе, изготовленном из электрически
изолирующего материала, стойкого к разрушающему действию озона.
Высокое электрическое напряжение на электроды подаётся через
герметические разъёмы. На корпусе имеются 2 патрубка: один для подачи
воздуха и другой для отведения получаемой озоно - воздушной смеси от
синтезатора.
Источник высокого напряжения служит для получения постоянного
напряжения, подаваемого на разрядники синтезатора озона. Источник
содержит повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого имеет
отвод от средней точки, и двухполупериодный выпрямитель с ёмкостным
фильтром. Первичная обмотка подключена к автотрансформатору (ЛАТР),
при помощи которого регулируется значение высокого напряжения.
Компрессор и распределитель
Компрессор служит для переноса вырабатываемой в синтезаторе
озоно-воздушной смеси к водному резервуару, в котором производится
смешивание её с водой. Образующийся при коронном разряде озон
переносится потоком воздуха в распределитель. Распределитель
представляет собой герметический сосуд с патрубком для входа озоновоздушной смеси и с десятью патрубками для выхода. Озоно-воздушная
смесь через шланги подаётся в микропористые трубы, утопленные в воде,
протекающей самотёком через водный резервуар. Озоно-воздушная смесь
40
проникает в воду через микроотверстия прессованных титановых труб,
образуя огромное множество пузырьков приблизительно того же размера,
что и микроотверстия. При этом происходит гибель микробов и вирусов,
имеющихся в воде, в результате их контактирования с пузырьками озона.
Установка собрана на 4-х колёсной передвижной тележке, на которой
расположены: синтезатор озона, источник высокого напряжения, компрессор
и панель управления. На рисунке 8 показан вид устройства сверху. На
рисунке 9 показан вид устройства спереди.
Тележка представляет собой металлическую конструкцию с четырьмя
колёсами, имеющими возможность свободно поворачиваться относительно
вертикальной оси на 360о. Два колеса оборудованы фиксирующеми
прижимами для обеспечения неподвижности в процессе работы.
Электропитание устройства подводится к панели управления, на
которой имеются 2 выключателя: для включения компрессора и для
включения высоковольтного источника. На панели управления расположен
миллиамперметр для измерения тока, протекающего через разрядники
синтезатора озона. Слева от панели управления размещён автотрансформатор
типа ЛАТР, с помощью которого регулируется напряжение, подаваемое на
первичную обмотку повышающего трансформатора высоковольтного
источника. Таким образом, при помощи ЛАТРа устанавливается сила тока
коронного разряда и, следовательно, производительность озона.
Рисунок 8 – Размещение узлов озонатора (вид сверху).
41
Рисунок 9 – Размещение узлов озонатора (вид спереди).
Источник высокого постоянного напряжения представляет собой
двухполупериодный выпрямитель с ёмкостным фильтром пульсаций
(рисунок 10). Источник помещён в изолированный корпус, на котором
установлены два разъёма для подключения высокого напряжения,
подаваемого на синтезатор озона.
Рисунок 10 – Электрическая схема высоковольтного источника
Сетевой выключатель S1, предохранитель, трансформатор Тр.1 (ЛАТР)
размещены на панели управления. Повышающий трансформатор Тр.2 и
выпрямитель расположены в изолированном корпусе. Высоковольтные
диоды Д1 и Д2 типа Д1008, высоковольтный конденсатор КБГ-П емкостью
0,25 мкФ, рабочее напряжение 8кВ и образуют двухполупериодный
выпрямитель. С разъёма Х1 снимается отрицательное высокое напряжение
для подачи на микропровода разрядников, а с разъёма Х1 снимается
положительное высокое напряжение для подачи на плоскости разрядников. В
42
разрыв цепи положительного напряжения
измерения разрядного тока.
включён миллиамперметр для
5.3 Испытание установки
5.3.1. Подготовка к пуску
Установку нужно разместить вблизи резервуара с проточной
обрабатываемой водой (рисунок 11) и обеспечить неподвижное состояние
путем фиксации колес тележки.
Выпускной патрубок синтезатора озона соединить шлангом с
впускным патрубком распределителя. Выпускные патрубки распределителя
соединить шлангами с патрубками микропористых труб. При этом резервуар
должен быть свободным от воды.
5.3.2. Пуск установки
1 Включить компрессор озонаторной установки.
2 Открыть вентиль втекающей воды в резервуар.
3 После полного погружения микропористых труб в воду включить
высокое напряжение. При этом вода приобретёт запах озона.
Для бактериологического исследования следует отбирать пробы воды,
втекающей в резервуар и вытекающей из резервуара.
5.3.3. Отключение установки
1 Отключение установки производится в обратном порядке.
2 Отключить высокое напряжение.
3 Закрыть вентиль втекающей воды в резервуар.
4 Выпустить воду из резервуара.
5 Выключить компрессор озонаторной установки.
43
Рисунок 11 – Комплект водоочистной станции
6 Испытание экспериментальной и полупромышленной установки
6.1 Влияние озона на цветность воды
В технологических процессах существенное значение имеет очистка
воды от ионов тяжелых металлов. Железо и марганец часто присутствуют в
природной воде, как правило в виде органических комплексов, которые
придают воде цветность. Очистка состоит в том, что соответствующие
металлы окисляются и переводятся в нерастворимый осадок, который затем
фильтруется. Озон окисляет, например, Fe (II) до Fe (III), Mn (II) до Mn (IV),
а в кислых растворах окисление может идти до Mn (VII) [1]:
Mn2+ + O3 + H2O  MnO2 + O2 + 2H+,
2Fe2+ + O3 + 3H2O  2Fe(OH)3.
На экспериментальной установке были проведены опыты по влиянию
озона на цветность воды.
На рисунке 12 представлена диаграмма, характеризующая воздействие
озона на цветность воды в зависимости от времени экспозиции.
44
Исходная вода с цветностью 65 была доведена до стандартной
цветности 20 при дозе озона 2,7 мг/ дм3.
Далее, увеличивая дозу озона до 10 мг/дм3 цветность была снижена до
2,5, что более, чем удовлетворяет стандарту. Опыты проводились на
сконструированной в лаборатории Электроснабжения и автоматизации
КахНАУ установке с озонатором ОКБР–01. Напряжение на озонаторе
составляло 4 кВ, а содержание озона в смеси его с воздухом составляло 10
г/м3. Исходная вода с цветностью 65 была доведена до стандартной
цветности 20 при дозе озона 2,7 мг/ дм3.
Рисунок 12 – Воздействие озона на цветность
На рисунке 13 представлены два графика снижения цветности воды
при различной продолжительности контакта озона с водой, из которых
видно, что при 15–20-минутном контакте цветность воды доводилась до
стандарта 20
град
100
80
60
40
20
0
0
3
6
9
12
15
18
21
t, мин
Рисунок 13 – Влияние продолжительности контакта озона с водой
на цветность воды
45
В исключительных случаях по согласованию с органами санитарного
надзора допустима большая цветность воды, не превышающая однако 35,
мутность до 3 мг/дм3 и большая жесткость воды – до 14 мг-экв/дм3 [15].
В таблице 6 приведены данные по образцам, взятым из р. Есентай и в
таблице 10 – из Б. Алматинки.
Промышленные сточные воды (СВ) по своему составу отличаются
разнообразием и сложностью. Особенно это относится к СВ, загрязненным
органическими веществами. При обеззараживании их озоном следует знать
реакции окисления индивидуальных веществ в чистых растворах и
необходима идентификация продуктов их распада и, что особенно важно, для
очистки воды нужно определить токсикологические характеристики
оставшихся в ней химических соединений [17].
Таблица 7 – Результаты эксперимента с водой из р. Есентай
Наименование показателей
Нормативы
Величина сухого остатка, мг/ дм3, не более
Содержание сульфатов, мг/ дм3, не более
Содержание хлоридов, мг/ дм3, не более
Запах и привкус в баллах при t = 20С,
не более
Цветность по шкале, град., не более
Общая жесткость, мг-экв/ дм3, не более
Содержание свинца (Pb), мг/ дм3, не более
Содержание мышьяка (As), мг/ дм3,
не более
Содержание железа (Fe), мг/ дм3, не более
Содержание фтора (F), мг/ дм3, не более
Содержание меди (Cu), мг/ дм3, не более
Содержание цинка (Zn), мг/ дм3, не более
Количество кишечных палочек в 1 дм3
воды, определяемое числом колоний на
фуксинсульфитном агаре с применением
концентрации бактерий на мембранных
фильтрах, не более
Суммарное содержание закисного и
окисного железа после обеззараживания
воды, мг/ дм3, не более
Активная реакция (рН) после осветления
или умягчения воды в пределах
1000
500
350
3
Показатели
продувки
до
после
84
64
4,6
1,1
3,5
0,5
0
0
20
7
0,1
0,05
0
1,4
-
0
0,1
-
0,3
1,5
3,0
5,0
0,8
-
0,05
-
3
3
0
0,3
0,48
0,03
6,5–9,5
8,2
7
46
Таблица 8 – Результаты эксперимента с водой р. Б. Алматинка
Показатели
продувки
Наименование показателей
Нормативы
до
после
3
Величина сухого остатка, мг/ дм , не более
1000
87
87
3
Содержание сульфатов, мг/ дм , не более
500
5,4
1,3
3
Содержание хлоридов, мг/ дм , не более
350
5
0,3
3
0
0
Запах и привкус в баллах при t = 20С, не
более
Цветность по шкале, град., не более
20
0
0
3
Общая жесткость, мг-экв/дм , не более
7
1,5
3
Содержание свинца (Pb), мг/ дм , не более
0,1
3
Содержание мышьяка (As), мг/ дм ,
0,05
не более
Содержание железа (Fe), мг/ дм3, не более
0,3
3
Содержание фтора (F), мг/ дм , не более
1,5
0,82
0
3
Содержание меди (Cu), мг/ дм , не более
3,0
3
Содержание цинка (Zn), мг/ дм , не более
5,0
3
Количество кишечных палочек в 1 дм
воды, определяемое числом колоний на
фуксинсульфитном агаре с применением
3
2
0
концентрации бактерий на мембранных
фильтрах, не более
Суммарное содержание закисного и
окисного железа после обеззараживания
0,3
0,48
0,07
3
воды, мг/дм , не более
Активная реакция (рН) после осветления
или умягчения воды в пределах
6,5–9,5
8
7
6.2 Обезвреживание цианистых растворов
Важное практическое применение имеет окисление цианидов озоном,
поскольку оно используется при очистке сточных вод. Реакция идет в
несколько стадий, причем на одной из них образуется мочевина, затем азот и
углекислый газ.
CN   O 3  OCN   O 2 ;
OCN   2H   H 2 O  CO 2  NH 4 ;
NH 4  OCN   NH 2 CONH 2 ;
NH 2 CONH 2  2H 2 O  ( NH 4 ) 2 CO 3 ;
NH 2 CONH 2  O 3  N 2  CO 2  2H 2 O.
47
Поэтому в данном параграфе рассматривается обезвреживание
цианистых растворов, для которых был проведен эксперимент на установке с
новым типом озонатора ОКБР–01. Цианистые соединения присутствуют в
сточных водах предприятий машиностроительной, приборостроительной,
металлургической, химической и других отраслей промышленности. Метод
очистки озоном СВ имеет ряд преимуществ [17]: возможность полной
автоматизации процесса и легкость контроля, обрабатываемая вода не
загрязняется продуктами восстановления окислителя и посторонними
примесями, вносимыми в большом количестве с реагентами. При окислении
же цианидов активным хлором возможно образование сильно ядовитого
хлорциана. Применение озона для разрушения цианидов в щелочной среде
приводит к образованию менее токсичных цианидов, которые затем с
меньшей скоростью окисляются озоном до СО2 и Н2О.
На рисунке 14 показана схема для обезвреживания озоном цианистого
натрия. Она содержит компрессор 1, расходомер 2, озонатор 3, емкость 4 с
раствором цианистого натрия 5, барбатер 6 и измерительная колба 7 с
раствором, чувствительным к изменению концентрации озона в
озоновоздушной смеси.
Схема работает следующим образом. Атмосферный воздух В
нагнетается с помощью компрессора 1 через расходомер в озонатор, на
выходе которого образуется озоновоздушная смесь, поступающая в емкость
4. Для опытов используется образцовый озонатор типа ОКБР–01 с
производительностью 0,19 г/ч, а для определения содержания озона в
озоновоздушной
смеси
применен
иодометрический
метод,
широкораспространенный в лабораторной практике. Озоновоздушная смесь
поступает в барбатер 6 и дальше вступает в реакцию с цианистым натрием.
Отработанная озоновоздушная смесь затем поступает в колбу с раствором
иодистого калия, где остаток озона взаимодействует с ним, что позволяет
определить в конечном итоге энергозатраты и расход озона на реакцию с
цианистым натрием [12].
В таблице 8 представлены результаты, полученные при
обезвреживании цианистого натрия с помощью озонированного воздуха с
концентрацией озона 1,5 мг/дм3. Расход пропускаемого через раствор воздуха
во всех опытах составил 12,5 дм3/мин. При уменьшении продолжительности
продувки раствора озоновоздушной смесью до 10 мин. эффективность
обезвреживания снижалась незначительно.
48
Рисунок 14 – Схема для обезвреживания озоном цианистого натрия
Таблица 9 – Изменение содержания цианистого натрия при обработке
растворов озоном
До продувки озоном
После продувки озоном
№
Концентрация, Количество, Концентрация, Количество,
раствора
мг/дм3
мг
мг/дм3
мг
1
380
45,6
0,31
0,0372
2
280
33,6
0,27
0,0324
3
120
24,0
0,1
0,012
4
100
12,0
0,065
0,008
Анализ конечных продуктов показал, что при продолжительности
продувки не более 30 мин, остаточная концентрация цианистого натрия была
в 3–5 раз меньше ПДК (0,1 мг/дм3). При этом на обработку 1 м3 раствора
цианистого натрия концентрации 200–300 мг/дм3 энергозатраты составили
2–3 кВт/ч, расход озона – 2,2 мг на 1 мг цианистого натрия. Полученные
данные близки к теоретическому расходу озона (уравнение реакции): на
взаимодействие с 1 мг цианида требуется 1,84 мг озона. Наиболее
благоприятной для протекания процесса окисления является область рН = 9–
12. В этих пределах влияние активной среды на окисление цианидов
значительно. Повышение щелочности вызывает быстрый катализируемый
ОН-ионами распад озона, который сильно проявляется при малых
концентрациях цианидов, поэтому процесс озонирования следует проводить
при рН = 10–11 [28].
6.3 Разработка
сточных вод
аппаратурно-технологической
схемы
очистки
Озонирование представляет собой единственный универсальный метод
обработки воды, так как проявляет свое действие одновременно в
бактериологическом, физическом и органолептическом отношениях. С
49
химической точки зрения минеральные вещества, растворенные в воде и
определяющие в некоторой мере ее питательные вещества, не изменяются
после озонирования. Вместе с тем обработка воды озоном не вносит в воду
никаких дополнительных посторонних веществ, что происходит, например,
при хлорировании воды.
Как известно, улучшение качества воды по общепринятой схеме
помимо ее осветления обеспечивается тремя процессами: обесцвечиванию
способствует коагулирование; обеззараживание осуществляется хлором;
улучшение вкусовых качеств достигается аммонизацией или с помощью
активированного угля.
Необходимость выполнения трех различных процессов усложняет
технологию обработки воды. Между тем озонирование позволяет достичь
всех этих целей, благодаря высокой окисляющей способности озона.
Озонирование - один из наиболее эффективных методов очистки воды,
который, кроме того, является экологически чистым, так как озон крайне
реакционно способен и его время жизни в воде не превышает несколько
минут. Введение стадии озонирования перед биоочисткой воды резко
повышает биоусвояемость органических соединений (БПК может
увеличиваться в десятки раз). Кроме того, озонированием можно убрать
вещества ядовитые для бактерий учавствующих в биоочистке (например
фенол).
Озоновая стерилизация сточной воды перед ее сбросом в водоемы
гораздо эффективнее и надежнее ультрафиолетовой, так как прозрачность
сточной воды может быть нестабильной.
Для деодорации и обесцвечивания воды применение озона,
естественно, вообще вне конкуренции.
Острота проблемы внедрения экологически-безопасных методов
обеззараживания воды и воздуха повышается с каждым днём. Внимание
разработчиков привлекает озонирование - удивительная технология очистки,
основанная на использовании газа озона, об уникальных очистительнооздоровительных свойствах которого сегодня многим известно.
Являясь международным стандартом свежести воздуха, озон:
- разрушает все известные вирусы, бактерии и даже грибки;
- устраняет практически все неприятные запахи;
- снижает токсичность окружающей среды, нейтрализуя такие газы, как
сероводород, аммиак, окись углерода, обеспечивая полную деструкцию
фенола, стирола, изопрена, хлорсодержащих соединений и т.д.
Принципиальная технологическая схема установки для озонирования
воды, предлагаемая многими авторами, в том числе и российскими,
представлена на рисунке 15.
50
1 – фильтр; 2 –компрессор; 3 –охлаждающие устройства; 4 –осушка
воздуха; 5 –змеевик; 6 –озонатор; 7 –трубопровод; 8 –повышающий
трансформатор; 9 –контактная колонна; 10 –пористые трубки; 11 –труба; 12 –
боковой карман; 14 –вытяжная труба; 15 –резервуар с чистой водой
Рисунок 15 –Технологическая схема установки для озонирования воды
Атмосферный воздух пропускается через фильтр 1 для очистки от пыли,
после чего воздушным компрессором 2 нагнетается на охлаждающие
устройства 3, откуда поступает в устройства для осушки воздуха 4.
Охладителем служит вода, подаваемая в змеевик 5. Охлажденный и
осушенный воздух направляется в генераторы озона 6 (озонаторы). Под
действием тихого электрического разряда получается озон, но не в чистом
виде, а в смеси с воздухом. Концентрация озона в этой озоно- воздушной
смеси колеблется для озонаторов различных типов в пределах от 2 до 12 г/м3
(или от 0.15 до 0,93% по весу).
Рисунок 16 –Технологическая схема очистки сточных вод озоном
Так как тихий электрический разряд сопровождается тепловыделением,
предусматривается охлаждение электродов озонатора водой, поступающей
по трубопроводу 7.
51
Напряжение подается на озонатор от повышающего трансформатора 8
по высоковольтному кабелю.
Атмосферный воздух пропускается через фильтр 1 для очистки от
пыли, после чего воздушным компрессором 2 нагнетается на охлаждающие
устройства 3, откуда поступает в устройства для осушки воздуха 4.
Охладителем служит вода, подаваемая в змеевик 5. Охлажденный и
осушенный воздух направляется в генераторы озона 6 (озонаторы). Под
действием тихого электрического разряда получается озон, но не в чистом
виде, а в смеси с воздухом. Концентрация озона в этой озоно- воздушной
смеси колеблется для озонаторов различных типов в пределах от 2 до 12 г/м3
(или от 0.15 до 0,93% по весу).
Так как тихий электрический разряд сопровождается тепловыделением,
предусматривается охлаждение электродов озонатора водой, поступающей
по трубопроводу 7.
Напряжение подается на озонатор от повышающего трансформатора 8
по высоковольтному кабелю.
В заключительном этапе технологического процесса происходит
быстрое и полное смешение воды с озонированным воздухом в специальной
контактной колонне 9. Диффузия озона в виде мельчайших пузырьков в
толще воды осуществляется через сеть пористых трубок 10, размещенных в
основании контактной колонны. Вода входит самотеком по трубе 11.
Следовательно, вода и озонированный воздух циркулируют во встречных
направлениях, что ускоряет процесс растворения озона. Вода выпускается
через отверстия в стенке бокового кармана 12, примыкающего к корпусу
колонны. Озонированная вода поднимается по этому карману, после чего
направляется в резервуар чистой воды 15 по трубопроводу 13. Благодаря
рациональным условиям контакта воды с озоном воздух, выходящий в
вытяжную трубу 14, содержит только следы озона и может быть выведен
наружу, без всякой опасности для населения окружающих районов.
Доза озона для обработки воды колеблется обычно от 0,6 до 2,5 мг/л в
зависимости от качественных показателей исходной воды [17].
Трубка озонатора, выполненная из диэлектрического материала,
выполняет одновременно роль реактивного буферного сопротивления,
ограничивающего ток в цепи разряда. Присутствие в электрической цепи
диэлектрического сопротивления вызывает необходимость питания
озонатора только переменным током.
Впуск в озонатор кондиционированного воздуха производится через
трубопровод, примыкающий к торцовой плоскости корпуса озонатора.
Полученный озон выпускается через трубопровод с противоположного конца
корпуса. Охлаждающая вода входит через трубу и выходит через трубу.
Рабочее напряжение тока равно 15 кВ с частотой 50 пер/сек. Источником
такого напряжения служит повышающий трансформатор 8.
Ширина
разрядной щели 9 и толщина стеклянной трубки примерно одинаковы и
равны каждая 2,5 мм. Использование озона для очистки сточных вод
52
является хорошей альтернативой хлорированию.
На рисунке 16 представлена технологическая схема разработки
российских ученых по очистке и обеззараживанию сточных вод, прошедших
биологическую очистку.
1 – винтовые компрессорные установки; 2 – адсорбционные генераторы
кислорода;
3 – озонаторные модули; 4- струйные аппараты; 5 – камера контактная
Рисунок 17 –Технологическая схема станции озонирования
Станция работает следующим образом. Атмосферный воздух
сжимается компрессорными установками 1 и подается на адсорбционные
генераторы кислорода 2, где происходит разделение воздуха на кислород и
азот. Далее кислород подается в озонаторные модули 3, где под воздействием
электрического разряда из него синтезируется озон. Затем озоно-кислородная
смесь через струйные аппараты 4 подается в контактную камеру 5. Из
описанного выше технологического процесса видно, что для
обеззараживания стоков не требуются покупные реагенты [17].
Производительность одного озонатора колеблется в зависимости от его
размеров от 0,25 до 1,23 кг озона в 1 ч. В таблице 10 приводятся технические
данные озонаторов, разработанных при непосредственном участии
отечественныхученых.
53
Энергетический
выход
выход,
г/кВт·ч
Мощность,
кВт
Напряжение,
кВ
Производительность, г/ч
Таблица 10 – Технические данные малогабаритных озонаторов
Тип
Озонатора
Разработчик
ОКБР-01
КазНТУ
2
4
0,04
61
ВН-1
ОВК-1
ОВЧ
ОВ
КазНТУ
«Табигат-Ая»
«Табигат-Ая»
«Табигат-Ая»
2
1
2
1
4
4
6
4
0,02
0,04
0,04
0,04
35
43
53
57
Из таблицы 9 видно, что все они имеют ряд преимуществ по
напряжению коронного разряда, потребляемой мощности, малым габаритам,
тем что не требуют специальной воздухоподготовки – а это приводит к
снижению капитальных затрат при внедрении установки на производстве.
В нашем случае предлагается следующая аппаратурно-технологическая
схема очистки сточных вод на котором в узле озонирования стоит опытный
образец по патенту № 12180 [82] (рисунок 17).
54
1 –приемный резервуар; 2 –песколовка; 3 –нефтеловушка; 4 –
радиальный отстойник; 5 –эжектор; 6 –озонатор; 7 –смеситель; 8 –фильтр; 9
–бак очищенной воды; 10 -шламонакопитель
Рисунок 18 –Установка по обезвреживанию сточных вод
Вода от накопителя 1 попадает в песколовку 2 для предварительной
очистки от твердых включений, затем подается в нефтеловушку 3. После
предварительной очистки СВ от тяжелых металлов и нефтепродуктов вода
попадает в отстойник и далее в эжектор, куда поступает озоновоздушная
смесь от озонатора 6. Из эжектора СВ через смеситель 7, где производится ее
обеззараживание с помощью озона, и поступает в выходной фильтр 8, откуда
попадает в бак очищенной воды 9. Следует отметить, что часть очищаемой
воды от смесителя снова попадает в эжектор, что позволяет значительно
поднять эффективность работы установки. Шлам по мере накопления
удаляется в шламонакопитель.
6.4 Расчет расхода воздуха на озонирующую установку
Расход воздуха на озонирующую установку зависит от количества
воды. Например, для озонирования 36000 м3/сутки, или 1500 м3/час при
максимальной дозе озона 4 г/ м3 максимальный расход озона составит
Qоз 
Q  q оз 36000  4

 144 кг/сутки или 6 кг/час
1000
1000
Продолжительность контакта воды с озоном 7 мин.
Наша
установка
оборудована
озонирующими
блоками
производительностью 1 кг/час (в блоке 10 по 100 г), смонтированных в шесть
блоков. Блок озонирующей установки характеризуется следующими
техническими данными: производительность блока по озону 1 кг/час;
давление газа в генераторе озона 1,65 ат; концентрация озона в воздухе 12 г/
дм3.
На каждые два блока приходится по одному резервному. Этого вполне
достаточно, учитывая, что расчет установки ведется по максимальной дозе
озона. В условиях подачи средней годовой дозы озона один резервный
агрегат приходится уже на каждый блок (средняя доза 2,6 г/ м3).
Мощность электроэнергии, подводимой к озонатору, является
функцией напряжения и частоты тока и может быть определена по формуле:

C
N  4 fC Д e0 e M   a
C

 
e0  ,
 
55
где
f  частота
тока, Гц;
C Д  емкость
диэлектрика, Ф;
разрядного зазора, Ф; С –средняя емкость установки: С 
С а  емкость
Са С Д
Са  С Д
; e0 
потенциал разряда, В; eM  наивысшее значение напряжения тока,
проходящего через электроды, В.
Для озонаторов можно принять f  50 Гц; C Д  3,1 мкФ, или 3,1·10 -6 Ф;
С а  0,4 мкФ, или 0,4·10
отношение
-6
Ф; С 
0,4  3,1
 0,36 мкФ, или 0,36·10
0,4  3,1
-6
Ф;
Са
0,4

 1,1 ; еМ  10 кВ.
С 0,36
Величина потенциала разряда через зазор составляет 2 кВ на каждый
линейный миллиметр зазора. Если зазор 2 мм, то потенциал разряда e0  4 кВ.
Тогда
N  4  50  3,1  10 6  400010000  1,1  4000  3,1  5600  17360 Вт или 17,36 кВ
Для определения активной мощности генератора озона надо учесть
значение Cos  0,54 .
Следовательно, активная мощность озонатора составит
N a  N  Cos  17,36  0,54  9,37 кВт.
Таким образом, удельная затрата электроэнергии на выработку 1 кг
озона будет равна
N a  1000 / qоз  9,37  1000 / 100  93,7 Вт .
Активная мощность блока из десяти генераторов озона будет равна
93,7 кВт.
Полная мощность десяти озонаторов в одном блоке –93,7/0,54=173,52
кВт.
Необходимо иметь в виду, что 85-90% электроэнергии, потребляемой
для производства озона, затрачивается на тепловыделение. В связи с этим
надо обеспечить охлаждение электродов озонатора. На один кВт активной
мощности озонатора расход воды для охлаждения будет 230 л/час, а на весь
озонатор
Q  230  9,37 / 1000  1,75 м 3 / час
Для блока из десяти озонаторов расход охлаждающей воды составит
17,5 м3/ч.
При определении расчетного расхода воздуха надо иметь в виду, что
озон вырабатывается не в чистом виде, а в смеси с воздухом. Концентрация
56
озона в озоно – воздушной смеси Ро= 12 г/м3, что в переводе на объем
воздуха равно Ро1=12 : 1, 655=20 г/м3 (1,655 – отношение плотности озона к
плотности воздуха).
Тогда расход воздуха, необходимый для наиболее эффективного
действия одного генератора, с учетом коэффициента запаса К = 1,15 будет
равен:
qвозд = (qт.о . К) : Р1о= (100 . 1,15) : 20 = 5,75 м3/ч,
а для всей установки из 3 озонаторов
q1возд=5,75. 3 = 17,25 м3/ч.
Так как озонирующая установка обрабатывает qв = 150 м3/ч воды, то
оптимальное отношение расхода воздуха к расходу воды получится равным
17,75 : 150 = 0,115.
Воздух к озонаторам подается воздуходувками, которые должны
обеспечивать следующие соотношения между объемом воздуха и расходом
обрабатываемой воды: 0,27 :1, 0,5:1 и 1:1.
Расчет воздуходувок ведется на максимальную потребность, т. е. для
соотношения 1:1. При расходе воздуха 150 м3/ч с учетом потерь, равных 10%,
это составит q возд = (150 . 1,1) : 60 = 2,75 м3/мин.
Принята
одна
ротационная
воздуходувка
РМК
–
3
3
производительностью 10 м /мин, с рабочим давлением 0.8 ати.
Техника безопасности.
Реакция превращения озона в кислород
является экзотермической, чем объясняется взрывчатость озона. Однако
взрыва не происходит, если концентрация озона в озоновоздушной смеси не
превышает 10% по весу. Практически приходится иметь дело с весьма
низкими концентрациями - от 0,15 до 0,93%по весу. Такие смеси безопасны
даже при давлении в несколько атмосфер и при любых воздействиях
(нагревании, ударе и др.).
Озон относится к отравляющим веществам раздражающего действия.
Присутствие озона легко узнается по свойственному ему острому запаху. Для
безопасности обслуживающего персонала содержание озона в помещении
должно быть не более 0,0001 мг/л. При концентрации озона в воздухе 0,001
мг/л может быть допущено только кратковременное пребывание человека в
помещении. Доза озона 0.018 мг/л вызывает удушье.
Поэтому при
устройстве озонирующей установки важно обеспечить сокращение пути
движения смеси озона с воздухом от генератора к контактной колонне и
газонепроницаемость трубопроводов, подводящих озон.
Кроме того, выпуск воздуха из контактной колонны после сепарации
его от озона надо производить через специальную вытяжную трубу, с
соблюдением условий, предусмотренных схемой.
Схемы включения очистными установками автоматизированы.
Озонирующие
установки
выполняют
с
автоматическим
или
57
полуавтоматическим управлением. Ручная операция заключается в чистке
электродов, которая производится 1 раз в год.
Все контрольноизмерительные приборы автоматической системы управления широко
известны в практике. Исключение составляет прибор для регистрации дозы
озона (в мг/дм3), фактически поступившей в обрабатываемую воду.
Действие этого прибора основано на электрическом или на
фотометрическом принципе.
6.5 Экономическая эффективность использования озона
В процессе испытаний были выполнены экономические расчеты по
эффективности использования озона.
Учитывая, что стоимость одной озонаторной установки с одним
модулем, производящим 10г озона в час –20,4 тыс.тг, например, для
обеззараживания воды в объеме –41090 г/сутки требуется установить 3
модуля и стоимость установки составит – 61,2 тыс.тг.
Для очистки и обеззараживания воды питьевой воды на существующих
очистных сооружениях используют хлорирование в комбинации с
коагулированием, для которых требуется хлора и коагулянта на 1000 м 3 4,06
кг и 76 кг соответственно. При стоимости коагулянта 36$ и хлора 700$ за
тонну обработка 1000 м3 составит 5,578$.
Стоимость же озонирования в среднем за год –3,22$ и экономия на 1000
3
м составляет 2,358$., что в пересчете на тенге –313,614 тг.
58
Заключение:
1. Применение озонирования существенно снижает содержание
токсичных компонентов, вредных примесей, вирусов в водных объектах и
повышает качество водоочистки;
2. В результате исследований электросинтеза озона в коронном разряде
выведена зависимость влияния толщины чехла коронного разряда на
производство озона;
3. В результате исследований энергетических характеристик получены
оптимальные размеры озонаторных ячеек;
4. Результаты испытаний выявили свойства озона улучшать цветность
воды и обезвреживание цианидов;
5. Разработана
аппаратурно-технологическая
схема
для
обеззараживания воды
59
Список литературы
1. Абишев М.А., Бахтаев Ш.А., Кожаспаев Н.К., Боканова А.А. Озонная
технология и охрана окружающей среды. Алматы. 2001. 120 с.
2. Мырзабекова А.М. Разработка способов очистки сточных вод от
нефтепродуктов. Дис.канд.наук. –Алматы, 2005.
3. Боканова А.А., Бахтаев Ш.А., Иченец В.М., Кожаспаев Н.К. Новые
процессы и аппараты озонной технологии. //Ш Межд.научно-техн.конф.
«Энергетика, телекоммуникации и ВО в современных условиях» -Алматы:
АИЭС, 2002. –С.
4. Баймаханова З.А. Повышение эффективности очистки питьевых и
сточных вод озонированием. Дисс.канд.техн.наук. –Алматы, 2007. – 113 с.
5. Бахтаев Ш.А., Боканова А.А., Нурпеисова М.Б., Баймаханова З.А.,
Мырзабекова А.М. Пузырьковые характеристики газосодержащих
жидкостей. КИМС -№1, Алматы, 2004, с.3- 9.
6. Филиппов Ю.В., Вобликова В.А., Пантелеев В.И. Электросинтез
озона. – М.: МГУ, 1987. – 237 с.
7. Бахтаев Ш.А., Алмагамбетов Б.Н., Бокова Г.И. Электросинтез озона в
коронном разряде // Межвуз. сб. АГУ им. Абая. – Алматы, 1994. – С. 73–77.
8. Предпат. РК 8626. Способ получения озона и устройство для его
получения./ Бахтаев Ш.А. и др.; опубл. 15.03.2000, Бюл. №3. – 4 с.
9. Сыдыкова Г.К. Исследование и разработка малогабаритных
озонаторов и
методов контроля озона, основанных на коронном разряде.
Автореферат диссертации канд. техн. наук. Алматы, 2001. – 17с.
10. Предпат. РК 12083. Способ усиления электрического тока в
озонаторе. /Абишев М.А., Бахтаев Ш.А., Боканова А.А., Кожаспаев Н.К.;
опубл. 15.10.2002, Бюл. №10. – 4 с: ил.
11. Пат. РК 4981. Способ получения озона и устройство для его
осуществления. /Бахтаев Ш.А., Алмагамбетов Б.Н., Бокова Г.И.; опубл.
16.10.1998, Бюлл. №10. – 4 с.
12. Боканова А.А. и др. Физика и техника коронноразрядных приборов. –
Алматы: АИЭС, 2007. – 287с.
13. Боканова А.А. Зависимость энергетических характеристик
озонирующего элемента на коронном разряде от давления воздуха. –Алматы:
Вестник КазАТК, 2009. – №2. –С.69-77.
14. Боканова А.А. Исследование озонирующего элемента на
коронном разряде. – Астана: Вестник науки Казахского гос.
агротехнического университета им. С.Сейфуллина, 2009. – №2. –С.7988.
60
15. 5.4.4. №1255 ФИ Промежуточный отчет за 1-е полугодие. – 36с.
16. Патент РК№471. Озонатор. Бюлл.№4 от 15.04.09 [16].
17. Боканова А.А. Создание теоретических и технологических основ
озонной технологии для очистки и обеззараживания воды. Дисс. Докт.наук
61