Universitatea Politehnica BucuretiFacultatea de Energetic

Procesul de ozonizare n tratarea apei

Student: Ana-Maria DINUAnul I, MS 7

Ianuarie 2012

Procesul de ozonizare n tratarea apei

1. Ozonul, O3

1.1. Stare natural

Ozonul se gsete n cantiti mici numai n straturile superioare ale atmosferei. n straturile inferioare ae atmosferei nu se poate dovedi prezena ozonului prin niciun mijloc.Coninutul de ozon al atmosferei, dei mic (cca. 10-6 volume %), influeneaz mult clima. Ozonl mpiedic radiaiile de lungime de und mic, nocive pentru fiinele vii, s ajung la suprafaa pmntului i menine, prin cldura degajat la disocierea sa n oxigen, straturile superioare ale atmosferei la o temperatur relativ ridicat.

1.2. Reacii de formare

1. ntr-un mediu gazos, cum ar fi aerul, sau n oxigen pur, sub influena unui aport energetic exterior (radiaii ionizante, cmp electric intens, reacii chimice) o parte din moleculele de oxigen se descompun n oxigen atomic care se combin cu o parte din moleculele de oxigen aduse n stare de excitaie rezultnd o molecul de ozon care conine trei atomi de oxigen, dup relaia:3 O2 2 O3, cu H = 33,9 kcal/moldeci reacia de formare a ozonului este puternic endoterm.

2. n toate procesele n care iau natere atomi liberi de oxigen, alturi de molecule de oxigen, se formeaz i ozon. Ecuaia stoechiometric de mai sus reprezint suma a dou reacii elementare, ruperea moleculei O2 n atomi O i reacia unui atom O cu molecula O2.

a. Descrcri electrice n oxigen sau n aer. La trecerea curentului electric prin aer sau la descrcri electrice prin vrfuri ascuite apare miros de ozon. Metoda obinuit de a prepara ozon (dupa Berthelot) const n trecerea de oxigen uscat prin spaiul ngust (cca. 2 mm) dintre dou tuburi de sticl concentrice, cufundate n ap, respectiv umplute cu ap. Cei doi electrozi sunt legai de polii unui transformator (10 000 voli, 0,05 amperi). Se obine un amestec de oxigen cu 2 3 % ozon.

Fig. 1. Ozonizator (dup metoda lui Berthelot)

b. Disocierea termic a oxigenului molecular. La temperatur ridicat (peste 1500oC) moleculele O2 disociaz n atomi O, care se combin cu O2, dnd ozon. La rcire ozonul se descompune ns n oxigen (ozonul fiind o combinaie endoterm, conform principiului lui Le Chatelier, echilibrul de formare al ozonnului este complet deplasat spre stnga, sub cca. 1500oC). Moleculele de O3 pot exista ns la temperaturi sub 100oC, cnd viteza reaciei de descompunere este foarte mic. n consecin se poate obine ozon, nclzind oxigen molecular pn la temperatura de disociere i apoi rcind brusc gazul (clire). Dac, de exemplu, se cufund n O2 lichid un bastona de oxid de ytriu i zorconiu, nclzit la cca. 2000oC prin trecerea unui curent electric (o lamp Nernst), ozonul format se dizolv n oxigenul lichid rece, unde poate fi recunoscut prin culoare i reaciile sale.c. Lumina ultraviolet transform parial oxigenul n ozon. De aceea se simte miros puternic de ozon n apropierea lmpilor de descrcri electrice n vapori de mercur.d. n procesele electrolitice n care se degaj oxigen la anod, acesta conine uneori (depinznd de natura suprafeei anodului) mici cantiti de ozon.e. n reaciile chimice n care se formeaz atomi liberi de oxigen, acetia se transform, n mic parte, n ozon. Astfel de reacii sunt: reacia fluorului molecular cu apa; descompunerrea peroxidului de hidrogen la temperatur joas; descompunerea termic a acidului permanganic, HMnO4 (din KMnO4 i H2SO4) n MnO2, H2O i O2, etc. La oxidarea fosforului alb n aer se formeaz mici cantiti de ozon, ceea ce dovedete c n aceast reacie apar intermediar atomi liberi de oxigen.

1.3. Structura ozonului

Oxigenul este singurul element care exist n dou forme alotropice, ambele compuse din molecule mici, gazoase la temperatura obinuit.Structura moleculelor de ozon a fost stabilit prin metoda difraciei electronilor i mai trziu prin metoda microundelor. Molecula O3 are form angular i dimensiunile din figur. Cele dou distane O-O sunt egale.Egalitatea celor dou legturi O-O a fost explicat printr-o rezonan ntre cele dou structuri limit, I i II. Potrivit definiiei rezonanei, distribuia electronilor n molecula real nu corespunde nici uneia din cele dou structuri. Cei doi electroni sunt uniform distribuii ntre cele dou legturi, n modul reprezentat n figur.

Fig. 2. Molecula de ozon

Fig. 3. Legturile formate de O n molecula de O3

Dac electronii ar fi localizai ca n formulele I sau II, cele dou legturi ar trebui s fie inegale. Pe de alt parte, doi atomi de oxigen ar trebui s fie hibridizai sp2 i unghiul de valen ar trebui s fie de 120o. Faptul c acest unghi este mai mic de 120o i mai mare de 109,5o, pledeaz pentru o hibridizare intermediar, ntre sp2 i sp3, la atomul central.

1.4. Proprieti fizice

1. Ozonul lichid nu se amestec n orice proporie cu oxigenul lichid. Un amestec de oxigen i ozon se lichefiaz, la rcire cu azot lichid, formnd dou faze lichide. Cea superioar, colorat albastru deschis, conine circa 30% ozon, cea inferioar, colorat albastru deschis, conine circa 75% ozon. Aceast faz din urm explodeaz uor.2. Punctul de fierbere al ozonului este de -112,5oC, iar punctul de topire este -251,4oC. Densitatea ozonului este 1,78 kg/m3, la presiunea atmosferic.3. Chiar n stare gazoas, ozonul are o culoare slab albastr (absoarbe n regiunea galben a spectrului). El mai absoarbe n ultraviolet i n infrarou. Ozonul are un moment electric permanent.4. Ozonul este puin solubil n ap, dar se dizolv n lichide organice (ex.: freonul, CF2Cl2, la -25oC).5. Mirosul caracteristic al ozonului este perceput la diluii foarte mari (o parte la un milion pri aer). Chiar n concentraii mici, ozonul este foarte toxic.

1.5. Proprieti chimice

1. Descompunerea termic. Fiind o combinaie endoterm, ozonul se descompune n oxigen molecular, cu degajare de energie. Energia degajat este evident egal cu cea absorbit la formarea din molecule O2. Ozonul lichid explodeaz uor, prin lovire sau chiar spontan; n stare solid explodeaz chiar la -250oC, prin simpl atingere.Amestecul de oxigen cu mai puin de 10% ozon este stabil la temperatura obinuit, dar se descompune la 100oC. Descompunerea este accelerat de catalizatori ca MnO2 sau PbO2.2. Ozonul este un agent oxidant puternic. n reacii de oxidare ozonul dezvolt o molceul O2 i un atom O (doi echivaleni de oxigen), de exemplu ozonul pune n libertate iod din ioduri ionice, ca NaI, KI, etc.:O3 + 2 I- + H2O O2 + I2 + 2 HO-Ozonul oxideaz numeroase substane anorganice, de exemplu sulfura de plumb (neagr) pe care o transform n sulfat de plumb (alb):PbS + 4 O3 PbSO4 + 4 O23. Ozonul reacioneaz energic cu multe substane organice. Buci de vat mbibate cu alcool, eter sau ulei de terebentin, introduse ntr-un amestec de oxigen i ozon i se aprind imediat. Cu substane organice care conin legturi de acest fel, este distrus repede de ozon (devine sfrmicios), la fel i coloranii organici care se decoloreaz.4. Ozonul omoar microorganismele din aer i ap i este un bun dezinfectant pentru apa de but.

2. Bazele teoretice

Ozonul (O3) (din greac miros) este format din trei atomi de oxigen fiind o molecul instabil care dup un timp scurt se descompune n oxigen molecular (O2).Ozonul este cel mai puternic oxidant utilizat pentru tratarea apei, este folosit pe scara larga si poseda cea mai ridicata eficienta de dezinfectie pe termen scurt.Tratamentul cu ozon mbuntete calitatea apei de but n general. Cu toate acestea, este un tratament esenial pentru producerea apei de calitate, sigure, de calitate superioar, cu bun gust cu care s-au obinuit oamenii.Tratarea apei cu ozon are avantajul ca nu are efecte nocive asupra produsului. ns, costurile de investitie si de functionare sunt mai ridicate in cazul ozonului, comparativ cu procedeele alternative.

3. Beneficiile tratamentului cu ozon pentru apa mbuteliat

Ozonul este un tratament de dezinfecie utilizat cel mai frecvent n mbutelierea de ap astzi. Cu aplicarea unui singur pas de tratament cu ozon, mbuteliatorul de ap poate dezinfecta apa, echipamentul de mbuteliere, sticla, aerul de deasupra apei i capacul sigilat al sticlei, oferind astfel o barier eficient de protecie n calea contaminrii microbiologice, aducnd beneficii consumatorului. Acestea sunt motivele pentru care mbuteliatorii de ap se bazeaz pe tratamentul cu ozon pentru a oferi un produs cu gust bun, mbuteliat n condiii de siguran, bun din punct de vedere estetic i care poate fi stocat pn la 2 ani.

3.1. Scurt istoric

Tratamentul cu ozon a jucat un rol central la nceputul industriei de apa mbuteliat i a contribuit la o cretere sntoas a acestei industrii.n anii 1970, anii de inceput ai industriei de mbuteliere a apei, nu toi mbuteliatorii de ap au utilizat tratamentul cu ozon pentru dezinfectare. n plus, procesul de mbuteliere de ap nu era dezvoltat pe deplin i nici cel de sigilare a sticlelor. n timpul manipulrii microorganismele din aer puteau intra n flacon. Astfel, dup zile sau sptmni de depozitare, de multe ori pe rafturile supermarketurilor, potenialul de creterea exploziv a microorganismelor din apa imbuteliat conducea la probleme de gust, miros i de sntate. n America, mai multe articole reamintesc despre problemele ridicate de ctre media legate de mbutelierea apei din acele zile. De fapt, se poate spune c recent dezvoltatul procedeu de tratament cu ozon a salvat industria de apa imbuteliata, fa de 1970, atunci cnd apa mbuteliat n-a fost ntotdeauna dezinfectat n mod corespunztor, acest fapt fiind criticat frecvent la televiziune i n ziar de rapoarte de investigaie pentru calitatea apei care se deteriora rapid n timpul stocrii pe rafturile supermarketurilor. La scurt timp dup aceea, sub presiunea problemei sntii publice, mai multe organizaii au dezvoltat o mai bun dezinfecie a apei, iar mbutelierea prin tratamentul cu ozon a devenit componenta-cheie. Dozele necesare de ozon, timpul i temperatura de contact i cerinele de nchidere pentru diferitele tipuri de sticle cu ap s-au determinat experimental. Ozonul s-a dovedit a fi un dezinfectant magic i oxidant care putea dezinfecta apa, echipamentele de mbuteliere, sticla, capacul sigilat al sticlei, n timp ce, de asemenea, oxida orice urme de materiale mirositoare ce puteau fi prezente n ap. Apoi, ozonul se descompe n oxigen inofensiv i, prin urmare, dispare fr s lase un gust sau miros nedorit n spate.Procesul de tratare cu ozon este o parte integrant de tratare a apei potabile a sistemelor ce opereaz n mai mult de 3.000 de municipaliti instalate in intreaga lume. Instalaiile de alimentare cu ap a locuitorilor din mai multe importante orae renume international de la Londra, Paris, Budapesta, Kiev, Moscova i Singapore folosesc acest procedeu. Doar n Statele Unite sunt aproape 400 de instalaii ce folosesc tratamentul cu ozon pentru dezinfecia apei, cum ar fi cele din Dallas, Los Angeles, Milwaukee, Orlando, i Atlanta, Boston i New York City.

Fig. 4. Instalaii de tratare a apei cu ozon n SUA

3.2. Tratament cu ozon folosit la mbutelierea apei

Ozonul se adaug n ap ntr-un contactor de ozon chiar nainte de mbutelierea acesteia. Sistemul de contact cu ozon deservete dou funcii primare. n primul rnd, este folosit pentru dizolvare sau transfer de mas a gazului de ozon de la ieirea generatorului de ozon a fluxului amestecului de gaz n apa de tratat. O cantitate suficient de ozon trebuie dizolvat n ap pentru a realiza dezinfecia apei i pentru a furniza ozon dizolvat rezidual n ap necesar pentru dezinfectarea echipametului de mbuteliere, a sticlei i a capacului sigilat al apei mbuteliate. n plus, ozonul dizolvat trebuie s fie furnizat pentru oxidare chimic a oricrui contaminant organic sau neorganic nedorit, cum ar fi materiale mirositoare, fier, mangan, etc. Ozonul rmas n afara contactorului cu ozon este distrus prin trecerea sa ntr-o unitate de descompunere a ozonului, n aa fel nct gazul eliminat n atmosfer s conin o concentraie a ozonului mai mic de 0,1 ppm v., sau 2 x 10-4 mg/l. Pentru o tratare optim a apei i o formare minim de bromat, adugarea de ozon ar trebui fcut automatic, utilizndu-se monitoare de ozon i instrumente de control a procesului. Un astfel de sistem de tratare ar trebui s asigure o concentraie suficient de ozon dizolvat pentru tratament, dar ar trebui s previn n acelai timp ca o cantitate prea mare de ozon s duc la formare de produi adiionali. De aceea, petru o ap mbuteliat de calitate, adugarea de ozon trebuie controlat i monitorizat cu atenie.n al doilea rnd, contactorul de ozon este un reactor. Acesta ofer suficient timp de reacie (reinere sau timp de contact) pentru a permite dezinfectarea dorit i / sau procesele de oxidare care ar putea aprea n ap. Timpul de reactie este un parametru important pentru toate cele trei reacii ntlnite n procesul de mbuteliere a apei: dezinfecie, oxidare i descompunere.Prin urmare, dimensiunea sau volumul contactorului de ozon trebuie s fie proiectate pe baza debitului de ap, calitii apei, i cerinelor de timp de reacie. Este necesar ca sursele de ap pentru fabricile de mbuteliere s fie testate i determinate n laborator nainte de a fi utilizate. Ceilali factori care influeneaz cererea de ozon i de tratament global cu ozon includ: temperatura, pH-ul, proiectarea de umplere, proceduri de exploatare etc. Pentru cele mai bune rezultate, efectele lor ar trebui s fie, de asemenea, evaluate i luate n considerare. Controalele de procedur sunt o parte important a sistemului de tratare a apei cu ozon. Cel mai important dintre aceste controale este controlul automat al dozrii cu ozon. Aa cum s-a subliniat mai sus, obiectivul acestui control bucl este de a asigura faptul c o cantitate suficienta, dar nu excesiv de ozon se adaug la ap pentru a se obine concentraia necesar de ozon dizolvat n ap, n vederea realizrii dezinfeciei, controlul gustului i mirosului, dar s nu produc produi adiionali nedorii n cadrul mbutelierii apei. i alte controale de proces sunt, de asemenea, discutate mai jos. A se vedea figura 5.

Fig. 5. Schema de flux a procesului de tratare cu ozon a apei.

3.3. Reaciile ozonului

O dat ce ozonul se dizolv n ap au loc trei reacii simultane.

1. Dezinfecia.Procesul de dezinfecia trateaz apa contra bacteriilor, viruurilor i paraziilor, cum ar fi Giardia i Cryptosporidium. Ozonul este un dezinfectant de efect, cu o mare spectru de atac. Este considerat a fi cel mai eficient dezinfectant chimic disponibil mpotriva tuturor microorganismelor menionate n tabelul 1. Gradul de dezinfecie poate fi definit ca o valoare Ct. Valoarea Ct este produsul dintre concentraia de ozon dizolvat (n mg/l) i timpul de dezinfecie (n minute). Tabel 1. Comparaie ntre eficacitatea diferitelor soluii de dezinfectareDezinfectantEnterobacterieVirusuriSpori de bacteriiAmoebe

O3500520,5

HOCl20>10,050,05

OCl-0,2