Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова
117997, Россия, г. Москва, ул. Островитянова, д. 1. e-mail: avbutorina@gmail.com
Аннотация. Преимущество озона перед другими окислителями состоит в том, что при его использовании в окисляемой среде не остается продуктов восстановления окислителя, загрязняющих окисляемое вещество. Применение озона способствует созданию экологически безопасных производств промышленности, что позволит создавать озонаторные установки с меньшими эксплуатационными затратами на производство озона и повысит конкурентоспособность отечественных установок.
Ключевые слова: озон, окислитель, обработка, обеззараживание, вода, экологически безопасное производство, промышленность, эксплуатационные затраты.
| О |
зон – сильный экологически чистый окислитель, отличающийся высокой реакционной способностью при нормальных давлении и температуре.
Первые сообщения о возможности применения озона для обработки (очистки) воды появились во Франции в 1840-1860 гг., первые станции обеззараживания воды были построены в 1893 г. в Нидерландах и в 1898 г. во Франции. В России первая экспериментальная установка озонирования воды была создана в Санкт-Петербурге в 1905 г.
Преимущество озона перед другими окислителями состоит в том, что при его использовании в окисляемой среде не остается продуктов восстановления окислителя, загрязняющих окисляемое вещество. В процессе озонирования подаваемый в окисляемую среду озон может быть израсходован не полностью, в этом случае продуктом восстановления избыточного количества озона является кислород, который свободно удаляется из любых окисляемых продуктов. Это обстоятельство в ряде случаев оказывается решающим при определении возможности использования того или иного окислителя, так как часто задача отделения продуктов восстановления окислителя от обрабатываемого вещества представляет значительные трудности, а иногда и вовсе практически невыполнима. Применение озона способствует созданию экологически безопасных производств промышленности.
Основные технологические процессы, в которых применение озона технически и экономически оправдано:
· очистка (обеззараживание) питьевой воды;
· очистка промышленных стоков (в металлургии, нефтепереработке, на целлюлозно-бумажных комбинатах и др.);
· бесхлорное отбеливание целлюлозы;
· переработка жидких радиоактивных отходов, рециклинг изношенных автопокрышек;
· озонирование воды плавательных бассейнов.
Суммарный уровень потребления озона в 1989 г. за рубежом составил 9700 кг/ч, в том числе во Франции – 6700 кг/ч (очистка воды на городских водопроводах во Франции полностью проводится по озонной технологии, для чего построены 594 установки озонирования).
В Германии к 1997 г. озон применялся примерно на 400 станциях подготовки воды и на 140 канализационных очистных станциях, а всего озон использовался на 3000 предприятий различных отраслей промышленности.
В США широкое применение озона в промышленности, особенно в технологии водоподготовки, началось лишь в 80-е годы ХХ века после получения положительных результатов по технологической эффективности и санитарно-гигиенической безопасности озонирования. К 2000 г. количество станций, на которых применяется озонирование воды, достигло 300.
В России среднегодовое производство озона в 1992 г. составило примерно 600 кг/ч, основное количество которого использовалось в процессах водоподготовки.
Сопоставление данных показывает, что в России метод озонирования по ряду причин не находит такого же широкого применения, как за рубежом. Одной из основных причин успешного продвижения метода озонирования в промышленности США является финансирование правительством разработок различных технологий по подготовке питьевой воды. Объем этого финансирования ежегодно увеличивается на 3-5 млн. долларов.
Поставщиками крупных озонаторных установок в Россию для очистки питьевой воды с единичной производительностью 12,5-30 кг/ч озона являются следующие зарубежные фирмы: «Озония АГ» – интернациональное предприятие Германии, Франции, США, Швейцарии; «Трейлигаз» – фирма, входящая в концерн «Дегримон» (Франция); «Ведеко» (Германия).
Всего в настоящее время в мире работает около 100 фирм, производящих озонаторное оборудование производительностью от долей грамма до нескольких килограммов озона в час. Например, в Японии их более двадцати (самые крупные из них – фирмы «Тошиба» и «Сумитомо»).
Следует отметить, что, по мнению специалистов, ориентировочная потребность российской промышленности к 2000 г. должна была составить 60 т/ч, в том числе для подготовки питьевой воды 4-5 т/ч, для чего потребовалось бы около 1200 озонаторных установок производительностью до 50 кг/ч озона. Однако намеченная на 1990-1995 гг. «Межотраслевая научно-техническая программа по созданию и освоению производства новых видов озонаторного оборудования» не была реализована по нескольким причинам, главными из которых являлись: спад производства, нарушение межотраслевых связей, отсутствие средств у потребителей и отсутствие государственной поддержки, что сдерживало проведение работ по улучшению технических и экономических показателей разрабатываемого озонаторного оборудования.
В России по прогнозу на ближайшие 10 лет потребуется следующее количество озона:
· для систем озонирования питьевой воды в городах с населением свыше 1 млн. человек – до 2000 кг/ч (для г. Москвы до 500 кг/ч);
· для отбеливания целлюлозы на целлюлозно-бумажных комбинатах – до 6000 кг/ч;
· для доведения до рыбохозяйственных нормативов промышленных и бытовых стоков только г. Москвы – до 2500 кг/ч;
· для гидрометаллургии, например, только для Удоканского медного месторождения – до 5000 кг/ч;
· для обработки зернопродуктов и зернохранилищ г. Москвы – до 300 кг/ч.
Практически весь производимый в мире озон сегодня синтезируют в генераторах озона (ГО) трубчатого типа – ГО Велсбаха, которые состоят из нескольких десятков или сотен трубчатых стеклянных электродов, размещенных в общем цилиндрическом корпусе. Электродами низкого напряжения (потенциал земли) являются трубы из нержавеющей стали, омываемые снаружи холодной водой. Внутри каждой металлической трубы находится стеклянная трубка меньшего диаметра (обычно 70-80 мм), на внутреннюю поверхность которой нанесен газоплазменным или иным методом слой алюминия. При прохождении кислорода или воздуха через разрядный промежуток, образованный металлическим электродом и диэлектриком, и при подаче к электродам переменного тока высокого напряжения (8-12 кВ) возникает барьерный разряд, в котором происходит образование озона. ГО со стеклянными электродами работают при частоте питающего напряжения 50-1000 Гц. Дальнейшее повышение частоты приводит к перегреву газа в разрядном промежутке, и, следовательно, к разложению образовавшегося озона. Односторонний отвод теплоты из зоны реакции является тем барьером, который для данной конструкции ГО является непреодолимым. Следовательно, нельзя увеличить выход озона с единицы площади поверхности электрода больше чем 1,2 г/(ч/дм2) и уменьшить габаритные размеры и массу ГО.
В 1975 г. ГО фирмы «Трейлигаз» с единичной производительностью 7,5 кг/ч озона со стеклянными электродами диаметром 74 мм были установлены на Восточной водопроводной станции (г. Москва). В 2002 г. эта фирма пустила в эксплуатацию ГО HRS-850 (также с электродами диаметром 74 мм) производительностью 30 кг/ч озона на Рублевской водопроводной станции (г. Москва). Габаритные размеры ГО – 3850/1810/2790 мм, масса – 8840 ±200 кг.
Удельный выход озона с единицы площади поверхности электрода повышен до 2,4 г/(ч/дм2) в ГО фирмы «Озония АГ» путем замены стеклянных электродов длиной 1300 мм и диаметром 74 мм на короткие металлические (длиной 455 мм, диаметром 70 мм) с керамическим покрытием (технология «АТ-95»). Это позволило минимизировать отклонения размера зазора от номинальной величины и получить более равномерное распределение микрозарядов и обеспечить более гомогенную обработку рабочего газа [1]. При этом разрядный промежуток, равный 0,45 мм, выдерживается с высокой точностью.
Основной тенденцией развития озонаторостроения в мире является переход на использование в качестве рабочего газа кислорода вместо осушенного воздуха и переход на ГО с электродной системой, имеющей малый разрядный промежуток [2]. Однако, такие не менее важные вопросы обеспечения эффективности процесса синтеза озона, как создание в промышленных ГО производительностью 25-30 кг/ч двухстороннего диэлектрического барьера и двухстороннего охлаждения электродов, пока не решены.
В соответствии с принятым в августе 2000г. постановлением Правительства г. Москвы «Об организации производства отечественных озонаторных установок большой производительности для систем централизованного водоснабжения» эта работа была поручена ФГУП «Московский институт теплотехники» как головному предприятию, в настоящее время решением этой проблемы занимается ЗАО «Московские озонаторы» в кооперации с ГУП «ВЭИ» (г. Москва), ВНИЦ ВЭИ (г. Истра Московской обл.), ОАО «Криогенмаш» (г. Балашиха Московской обл.), ОАО «НПО Автоматики» (г. Екатеринбург) и другими предприятиями, в том числе оборонного комплекса.
ЗАО «Московские озонаторы» совместно с перечисленными предприятиями разработали, изготовили и провели испытания озонаторной установки ОУ-25 производительностью 25 кг/ч озона для систем централизованного водоснабжения. Для этой установки впервые созданы промышленные пластинчатые полые тонкостенные электроды с высокой степенью эквидистантности разрядного промежутка сопряженных поверхностей длиной 0,5 мм, с двухсторонним диэлектрическим барьером и двухсторонним охлаждением. Это позволило увеличить выход озона с единицы площади поверхности до 7-9 г/(ч/дм2) при работе на воздухе и до 15-17 г/(ч/дм2) при работе на кислороде.
Кроме уже решенных задач в процессе создания промышленной озонаторной установки ОУ-25 в ЗАО «Московские озонаторы» создана многофункциональная комплексная лабораторно-экспериментальная база для экспериментального решения комплекса задач по отработке режимов и взаимодействия систем озонаторной установки, процесса озонирования воды, а также проведения приемочных испытаний промышленных озонаторных установок. Озонаторная установка ОУ-25 находится в промышленной эксплуатации на Восточной водопроводной станции МГУП «Мосводоканал».
Реальные перспективы и пути повышения эффективности озонаторных установок ОУ-25:
· совершенствование технологии изготовления электродов, которая позволила бы получить эквидистантный промежуток между электродами менее 0,5 мм;
· использование в качестве рабочего газа воздуха, обогащенного кислородом, или кислорода;
· создание диэлектрического барьера, свойства которого позволили бы решить проблему управления и оптимизации газового разряда;
· разработка специальных импульсных высокочастотных источников питания.
Реализация этих задач позволит создавать озонаторные установки с меньшими эксплуатационными затратами на производство озона и повысит конкурентоспособность отечественных установок.
Литература
1. Байг С., Вецци Г. Совершенствование АТ-технологии синтеза озона. Водоснабжение и санитарная техника. 2007. № 4.
2. Драгинский В.Л., Алексеева Л.П., Самойлович В.Г. Озонирование в процессах очистки воды. М.: Дели Принт, 2007.
References
1. Big S., Vezzi of. Improvement of AT-technology of synthesis of ozone. Water supply and sanitary equipment. 2007. No. 4.
2. Draginsky V.L., Alekseeva L.P., Samoylovich V.G. Ozonization in water purification processes. M.: Have put the Print, 2007.