Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях

Устройства для диспергирования газовой смеси в воду

Наиболее полное растворение газообразного озона в воде, подлежащей очистке или обеззараживанию, является одной из основных задач техники озонирования, так как чаще всего только в растворенной форме озон способен воздействовать на загрязнения. За рубежом используются различные устройства для диффузии озона в воду, среди которых можно назвать колонны, заполненные гранулированным материалом, позволяющим увеличить площадь контакта газа с водой, механические турбины для диспергирования озона, гидравлические эмульсаторы, контакторы с разбрызгиванием жидкости, фильтросные трубы, пористые диски и т. д.

В нашей стране широкое распространение получили мелкопузырчатые распылители озоновоздушной смеси, выполняемые в виде фильтросных пластин или труб. Лучшие результаты по диспергированию озоновоздушной смеси получены при использовании керамических мелкопористых труб, металлокерамических труб с диаметром пор 100 мкм, а также пористых труб, изготовленных из порошка нержавеющей стали марки 1Х18Н9 методом порошковой металлургии. Интенсивность распыления на единицу площади пористых распылителей принимается равной 76—91 м3/(м2 • ч) для металлокерамических труб и 15—22 м3/(м2 • ч) для фильтров. Загрязняющие вещества в воде окисляются интенсивнее и полнее при концентрации озона около 20 г/м3.

В последнее время для диспергирования озоновоздушных смесей получают распространение центробежные распылительные машины и кавитационные аэраторы. Использование явления кавитации для интенсификации процесса растворения озона в воде рассматривается как наиболее экономичный и перспективный способ, позволяющий достичь 95—99%-ного использования озона. Кавитационные аэраторы отличаются простотой, компактностью и не требуют глубоких контактных камер.

Предпочтение тому или иному способу диспергирования озона в воду обосновывается в каждом конкретном случае экономическими расчетами, а также зависит от предназначения озонирования. Например, для содействия процессам коагуляции (преозонирование) или дезинфекции воды требуются, как известно, разные степень дисперсности, доза озона и продолжительность контакта с водой, что и определяет выбор той или иной системы диспергирования. Добавим к этому, что некоторое влияние на выбор систем диффузии оказывает и качество обрабатываемой воды. При высокой мутности жидкости нежелательно использовать фильтросные пластины, так как при этом не исключена возможность забивания их пор.

Одними из наиболее эффективных устройств для диспергирования озона в обрабатываемую воду зарекомендовали себя пористые диски, идентичные применяемым в аэротенках с пневматической системой аэрации.

В 1975 г. на станции экспериментальных исследований Коломб фирмы «Дегремон» проводились испытания новых моделей пористых дисков DP-230. Эти стеклокерамические диски (диаметром 230 мм, толщиной 19 мм) позволяют получать диаметр пузырьков озонированного воздуха 2—3 мм. Для пузырьков такого размера характерна наименьшая скорость всплывания, способствующая наиболее полному растворению озона. Преимуществом дисков DP-230 является то, что стеклокерамика оказывает сопротивление большому числу агрессивных химических веществ и обладает значительной механической прочностью (выдерживает центральную вертикальную нагрузку около 4 кН). Диск монтируют на поливинилхлоридной опоре с прокладкой из резины, предотвращающей утечки озона в пространство между диском и опорой. Опору диска крепят непосредственно к трубопроводу с помощью болта и гайки, выполненных из нержавеющей стали. Озонированный воздух поступает в диск через калибровочные отверстия, создающие равномерное распределение потока к порам. При непрерывной длительной эксплуатации поры диска подвергаются кольматации. Регенерация может осуществляться либо обработкой кислотами (в случае кольматации минеральными веществами), либо прокаливанием дисков в печах при определенной температуре (удаление органических веществ.)

Диспергируемый в воду озон независимо от применяемой системы диффузии растворяется не полностью. Коэффициент полезного действия систем, по зарубежным данным, в лучшем случае достигает 97%. На практике диффузию озона осуществляют в контактных камерах, работающих при атмосферном или повышенном давлении. Обычно камеры состоят из нескольких отделений, где с целью повышения степени растворения озона вода может циркулировать попеременно вдоль потока диспергируемого газа и противотоком. Воздух с непрореагировавшим озоном выпускается через стояки, установленные на перекрытии камер озонирования.

Количество оставшегося или непрореагировавшего озона можно контролировать несколькими способами, нашедшими применение: йодометрией в нейтральной среде, спектрофотометрией, калориметрией, люминесценцией и хемилюминесценцией.

Способ йодометрии в нейтральной среде известен под условным названием NBKI (Neutral Buffer Potassium Iodide). Он заключается в том, что озонированный воздух пропускают через водный раствор КД, в который добавлен фосфатный буфер. При реакции взаимодействия озона с йодидом калия образуются йод, кислород и гидрат окиси калия.

Характерным признаком реакции служит появление желтой окраски, вызванной присутствием молекулярного йода. Свободный йод титруется раствором тиосульфата натрия.

Количество израсходованного на титрование тиосульфата натрия соответствует определенной дозе озона в исследуемой пробе воздуха, т. е. количеству озона, пропущенному через раствор в единицу времени. Метод наиболее чувствителен и точен при концентрациях озона в воздухе 2—10 мг/м3. При замере количества окислителя в интервале от 0,1 до 2 мг в 1 м3 воздуха способ йодометрии NBKI дает завышенные результаты. Более точные результаты по определению количества озона в области указанных значений могут быть получены при использовании модифицированного метода йодометрии BKI, где вместо фосфатного буфера применяется боратный. Данный метод дает результаты, полностью соответствующие замерам по способу спектрофотометрии. К недостатку метода йодометрии в нейтральной среде следует отнести то, что он чувствителен к присутствию других (помимо озона) окислителей (NO2, Cl2, Н2O2 и т. д.) и восстановителей (SO2), которые могут находиться в анализируемой пробе воздуха.

Способ спектрофотометрии в настоящее время является единственным, который позволяет осуществлять селекцию озона в присутствии других окислителей. Он основан на способности озона поглощать ультрафиолетовые лучи с максимумом адсорбции.

Ослабление ультрафиолетового излучения в указанном интервале пропорционально количеству озона и может служить непосредственным индикатором его концентрации в газовой смеси. Приборы, работающие на принципе поглощения озоном ультрафиолетовых лучей, используются на озонаторных станциях для контроля количества производимого генераторами озона и устанавливаются на выходе газа из озонаторов. Нарж. 38 приведена упрощенная принципиальная схема подобного анализатора. Работа его заключается в следующем. Исследуемая проба подается в кювету, через которую проходит поток ультрафиолетовых лучей. В зависимости от количества находящегося в пробе озона наблюдается изменение величины фототока, который, проходя через усилитель, регистрируется прибором указывающим поглощение (адсорбцию) озоном ультрафиолетовых лучей. Концентрация озона определяется по номограммам, построенным на основе формул, связывающих величины поглощения ультрафиолетовых лучей исследуемой пробой и эталонной пробой. и корректируется в зависимости от температуры и давления газовых смесей в момент опытов.

Спектрофотометрически можно определять достаточно малые концентрации озона. Приборы, работающие на принципе поглощения света в ультрафиолетовой области, позволяют с большой точностью определять концентрацию озона, что делает их практически незаменимыми при исследовании кинетики реакций озона с органическими соединениями. Высокая стоимость таких анализаторов не позволяет широко использовать их на станциях водоподготовки.

Способ калориметрии основан на том, что при деструкции озона его энтальпия составляет величину 144,41 кДж/моль, что позволяет определять концентрацию окислителя в газовой смеси по изменению ее температуры. На практике это осуществляется следующим образом. Исследуемую газовую смесь, содержащую остаточный озон, и контрольную смесь, в которой окислитель отсутствует, подвергают деструкции (например, каталитическим путем). По разности замеряемых в момент опытов температур судят о концентрации озона в исследуемой пробе. Метод калориметрии, несмотря на простоту, не нашел широкого применения на станциях озонирования, так как обычно газовая смесь содержит некоторое количество влаги, что не позволяет точно определить концентрацию остаточного озона.

Способ люминесценции применяют с помощью различных люминесцентных анализаторов озона. В качестве сенсибилизатора чаще всего используется люминол с различными добавками. К преимуществу данного способа замера концентрации озона относится возможность получать результат анализа в виде электрического сигнала. Использование бумаги, пропитанной щелочным раствором люминола или смесью люминола с гематином в качестве чувствительного элемента, позволяет достичь чувствительности 0,3—0,005 мкг/л.

Люминесцентный анализатор представляет собой фотоумножитель, перед фотокатодом которого помещен диск из силикагеля или фильтровальной бумаги, пропитанных раствором (1 г люминола и 6,5 мг гематина в 100 мл 1%-ного раствора соды) и высушенных до постоянного веса. Бумажный диск при непрерывной работе сохраняет интенсивность свечения 1,5—2 ч. Чувствительность метода (±10%) может быть повышена, однако при этом увеличатся габариты и вес прибора. Производственным объединением Аналитприбор (Смоленск) создан универсальный ленточный фотометр типа ФЛ 550 1М.

Способ хемилюминесценции заключается в смешении озона с этиленом и последующем замере интенсивности светового излучения, которое пропорционально концентрации озсна, присутствующего в газовой смеси. Этот метод характеризуется высокой чувствительностью и применяется в основном при определении утечек озона в атмосферу. К недостаткам метода относится его чувствительность на наличие в воздухе других окислителей, а также то, что для его применения требуется дополнительный реактив (этилен).

Для постоянного контроля за концентрацией растворенного в воде озона станции водоподготовки снабжаются различного рода анализаторами, в основе действия которых заложен метод вольтам-перметрии, спектрофотометрии или хемилюминесценции. Анализаторы, работающие на принципе вольтамперметрии, состоят из поляризованных гальванопар (например, Cu/Au, Pt/Au, Ni/Ag и т.д.) и работают по принципу сравнения сигналов изменения силы тока при пропускании через электроды воды до и после озонирования. т. е. когда окислитель деполяризует электроды. Одним из таких приборов является анализатор AMPERAZUR фирмы «Дегремон».

Типовой индустриальный анализатор AMPERAZUR представляет собой ячейку замера, в которой установлена пара электродов — поляризованный катод из золота и анод из меди. В отсутствии окислителей гальванический элемент поляризован и пропускает лишь слабый ток. При наличии в воде различного рода окислителей (хлор, бром) происходит деполяризация электродов и , следовательно, пропорциональное увеличение силы тока, регистрируемое амперметром, шкала которого отградуирована в мг/л окислителя. Такой прибор и ему подобные позволяют замерять концентрацию растворенного в воде озона, однако гальваническая пара золото/медь чувствительна на присутствие других окислителей, что отражается на точности результатов растворенного озона.

Усовершенствованная модификация аппарата AMPERAZUR исключает недостатки прежней конструкции, поскольку позволяет осуществить селекцию озона в присутствии хлора, что довольно часто встречается в практике водоподготовки. Анализатор не реагирует на хлор, когда последний находится в виде хлораминов.

Для соблюдения данного условия аппарат обрудован устройством для инъекции в исследуемую воду раствора NH4Cl.

Анализатор представляет собой ячейку замера, в которой установлена гальваническая пара никель/серебро. В межэлектродное пространство пропускается постоянный расход пробы 60 л/ч, обеспечиваемый напором воды в расходной емкости. К ячейке осуществляется тангенциальный подвод воды для лучшего перемешивания пробы. С этой же целью в межэлектродное пространство помещены стеклянные шарики, одновременно служащие для очистки поверхности катода и анода от налипания взвешенных частиц. Инъекция NH4Cl в воду осуществляется автоматически благодаря системе устройств: компрессора, капилляра и распределительного сосуда, сообщающегося с расходной емкостью. Совокупность данных устройств создает постоянное давление воздуха, соответствующее глубине погружения трубки в распределительном сосуде и уровню воды в расходной емкости. Капилляр служит для ручного регулирования расхода воздуха.

Работа анализатора состоит в следующем. При наличии в воде окислителя на катоде возрастает потенциал и в цепи образуется ток, о чем свидетельствует отклонение стрелки гальванометра, шкала которого отградуирована в мг/л озона. Задачей терморезистора является корректирование показаний гальванометра в зависимости от температуры воды. Регулирование нуля позволяет избавиться от остаточного тока, а с помощью потенциометров уточняется шкала масштаба. Сигнал о наличии тока передается на внешнее записывающее устройство и на электронный регулятор производительности озона.

В зарубежной практике озонирования находят применение анализаторы CIFEC (фирмы «Компани Эндюстриель дё Фильтрасион э д'Экипман Шимик»), позволяющие определять концентрацию нескольких окислителей, присутствующих в воде одновременно. В упрощенном виде анализаторы CIFEC состоят из нескольких ячеек для замера концентрации окислителей, снабженных парами электродов. Принцип работы таких анализаторов аналогичен работе анализатора AMPERAZUR. Отличие состоит в том, что в каждой ячейке производится «маскировка» одного какого-нибудь компонента из числа окислителей, присутствующих в воде. Поясним работу анализатора на следующем примере. Известно, что в воде присутствуют три окислителя: озон, свободный хлор и диоксид хлора. Анализируемая проба воды подводится к четырем ячейкам анализатора. Перед входом в каждую ячейку, кроме IV, осуществляется инъекция химического вещества, нейтрализующего тот или иной окислитель. В IV ячейке замеряется общая концентрация окислителей, в I—III — концентрация каких-то двух из трех присутствующих. Счетное устройство производит вычитание из общей концентрации окислителей (IV ячейка) величины двух других (I—III ячейки) и выдает данные о наличии окислителя на световом табло, где против I ячейки указывается концентрация озона, против II — хлора, а против III — диоксида хлора. При большем числе окислителей в воде подключаются дополнительные ячейки.

Как указывалось выше, для измерения концентрации озона в воде может быть использован способ спектрофотометрии. Так как озон довольно стабилен в ряде растворителей (фреоны, четыреххлористый углерод и т. д.), то его концентрацию можно измерять в растворах данных веществ. Однако применение этого метода ограничено. Основной недостаток его состоит в подборе способов компенсации поглощения излучения растворителем, которое в условиях опыта может быть велико (т. е. может превышать поглощение, обусловленное наличием озона).

Перечисленные различные способы замера концентрации растворенного озона в воздухе и воде позволяют значительно упростить задачу определения концентрации окислителя в какой-либо среде Однако, несмотря на это, применение анализаторов ограничено их высокой стоимостью. За рубежом анализаторами оборудуются в основном крупные станции водоподготовки, среди которых можно выделить четыре озонаторные станции парижского пригорода, а также станции в Нанте и во Флоренции. На большинстве других зарубежных установок контроль за растворенным в воде озоном осуществляется практически вручную методом йодометрии в нейтральной среде.

Литература

Голышев А.Б., Бачинский В.Я., Полищук В.П., Железобетонные конструкции

Зайцев Ю.В., Строительные конструкции заводского изготовления

Е.Ф. Лысенко, Армоцементные конструкции

С.В. Поляков, Каменная кладка из пильных известняков

В. Ермолов, Пневматические строительные конструкции

Журавлев А.А., Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Пространственные деревянные конструкции

А.В. Калугин, Деревянные конструкции

Е.К. Карапузов, Г. Лутц, X. Герольд, Сухие строительные смеси

А.А. Пащенко, Теория цемента

Волков В.А., Сантехника: как все устроено и как все починить

А. Грассник, Бездефектное строительство многоэтажных зданий

Д.С. Щавелев, Гидроэнергетические установки

Д.С. Щавелев, Экономика гидротехнического и водохозяйственного строительства

Гидротехнические сооружения. Ч. I. Глухие плотины

Гидротехнические сооружения. Ч. II. Водосливные плотины

Производство гидротехнических работ

Н.П. Розанов, Гидротехнические сооружения

А. П. Юфин, Гидромеханизация

Термоэлектрические преобразователи энергии

Использование возобновляемой энергии

Бетон и железобетон, избранные статьи

Современное состояние и перспективы развития энергетики