آشنایی با گاز اُزن
این مقاله به بررسی گاز اُزن و کاربردهای متعدد آن در صنعت تصفیه و بهسازی آب، پالایش پساب و فاضلاب و نیز سایر موارد از قبیل ضدعفونی هوا، رنگبری، بو زدایی و... میپردازد. مطالب در چند بخش، شامل معرفی و بررسی ماهیت گاز اُزن، کاربردها، بررسی قدرت اکسیدکنندگی اُزن، روشهای تولید گاز اُزن، انواع مولد اُزن، روشهای اختلاط و تماس اُزن با سیال و چگونگی طراحی سامانههای تزریق گاز اُزن است.
معرفی گاز اُزن
گاز اُزن حالت سه اتمی مولکول اکسیژن است. در علم شیمی آن را با نماد O3 نمایش میدهند. ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی این مولکول به قرار زیر است:
-اُزن گازی است بدون رنگ
-مولکول سه اتمی اکسیژن
-بسیار ناپایدار (آنتالپی تشکیل این مولکول مثبت است)
دارای بوی ترش و زننده (شبیه ماهی گندیده)
-نیمه عمر بسیار کوتاه
-اکسیدکنندهی بسیار قوی
مولکول اُزن نامتقارن و به تبع آن ناپایدار است و در مدت کوتاهی با از دست دادن یک اتم اکسیژن به حالت پایدار یعنی اکسیژن دو اتمی (O2) تبدیل میشود.
3O2
2O3
3O2
2O3
ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی مولکول اُزن به قرار زیر است:
وزن مولکولی: | g/mole | 47.9982 |
چگالی: | g/lit | 2.144 |
نقطه ذوب: | °C | 192.7- |
نقطه جوش: | °C | 111.9- |
زمان نیمهعمر مولکول اُزن با دمای محیطی که در آن قرار دارد رابطهی عکس داشته و در دماهای بالا سریعتر از بین میرود و به حالت پایدار (مولکول اکسیژن دو اتمی) میرسد. نمودار 1، رابطه این دو پارامتر را برای ازن محلول در آب (آبی که پاک بوده و میزان درخواست ازن آن صفر است) با هم مشخص کرده است.
نمودار 1 – رابطه نیمهعمر اُزن محلول در آب پاک با دمای آب
کاربردهای گاز اُزن
گاز اُزن کاربردهای متعددی دارد که بر مبنای قدرت بالای اکسیداسیون این ماده و نیز سایر ویژگیهایی که باعث میشود همواره به عنوان گزینهای قابل توجه در بسیاری از فرآیندها مورد استفاده قرار گیرد.
کاربردهای عمده اُزن در حوزه آب و پساب به قرار زیر است:
-ضدعفونی و بهسازی آب در تصفیهخانههای آب شهری
بهسازی شرایط فاضلاب و پساب صنعتی در زمینههای زیر:
-ضدعفونی
-کاهش COD در پساب
-بهسازی شرایط شیرابه زباله (بو زدایی، ضدعفونی، رنگبری)
گاز اُزن کاربریهای متعددی در صنایع مختلف از جمله تاسیسات، صنایع دارویی و سرمسازی، صنایع غذایی و ... دارد که مهمترین آنها به قرار زیر است:
-برج خنککننده (جایگزین مواد Biocide در مدار آب خنککننده)
-سفیدسازی خمیر کاغذ
-تولید آب بستهبندی
-استخرهای پرورش آبزیان
-استخرهای شنا، جکوزی و سایر سازههای آبی
-فرآیندهای ترکیبی بر مبنای اکسیداسیون
-بو زدایی
-ضدعفونی سطوح
-ضدعفونی هوا
کاربردهای متعدد گاز اُزن و دلایل بهکارگیری آن به عنوان جایگزین و یا همراه با سایر روشهای ضدعفونی و یا اکسیداسیون دلایل قابل توجهی داشته که در ذیل به مهمترین آنها اشاره شده است:
- سازگار بودن اُزن و فنآوری به کارگیری آن با محیط زیست
- اقتصادی بودن نسبت به روشهای مشابه
- عدم نیاز به ماده اولیه جهت تولید
- قابلیت تبدیل سریع به اکسیژن (عدم ماندگاری)
- ترکیبات ثانویه بدون خطر (تمام ترکیبات ثانویه تولید شده، حاصل اکسیداسیون با اکسیژن بوده و خطر زیست محیطی، اشتعال پذیری و .... ندارند)
- بیخطر برای کاربر و استفاده کننده
بررسی قدرت اکسیدکنندگی اُزن
گاز اُزن، اکسیدکننده بسیار قوی بوده و در عین حال نسبت به سایر اکسیدکنندههای دیگر موجود در طبیعت، در زمان سریعتر و با غلظت کمتر، قادر به حذف و نابودی میکروارگانیسمها است. جدول زیر نشاندهنده قدرت اکسیدکنندگی این ماده و سایر اکسیدکنندهها بوده و در در عین حال نسبت قدرت اکسیدکنندگی آن نسبت به کلر نیز به نمایش گذاشته شده است.
شایان ذکر است که رادیکال هیدروکسیل OH° و اکسیژن اتمی O° در فرایند تلاشی مولکول اُزن به وجود میآیند. البته رادیکال هیدروکسیل در مجاورت نور UV تشکیل شده و به عنوان قویترین اکسیدکنندهی مجاز موجود در جهان قابل استفاده در فرآیند ضدعفونی آب میتواند مورد استفاده قرار بگیرد.
روشهای تولید گاز اُزن
دستگاه مولد گاز اُزن را اصطلاحا مولد گاز اُزن مینامند. مولدهای گاز اُزن از سه روش برای تولید این گاز اُزن استفاده میکنند. این سه روش عبارتند از:
- تخلیه الکتریکی در اختلاف پتانسیل بالا (بین 3000 و 5000 ولت)
- مجاورت اکسیژن اتمی در برابر نور فرابنفش (UV) در طول موج 185 نانومتر
- الکترولیز مولکول آب (تشکیل مولکول اُزن از مولکولهای آب)
دو روش اول کاملا الهام گرفته از طبیعت است و به عنوان مثال در زمان رعد و برق در کوهستان، کاملا بوی گاز اُزن قابل استشمام است. در عین حال لایه اُزن شکل گرفته روی جو زمین ناشی از مجاورت اکسیژن در برابر نور فرابنفش خورشید بوده که لایهی محافظ در برابر خاصیت سرطانزایی به دلیل تابش مستقیم نور فرابنفش به موجودات زنده محسوب میشود. روش سوم نیز روشی خاص و منحصر به فرد به منظور تولید گاز اُزن است که مزیتهای قابل توجهی نسبت به دو روش دیگر داشته و اگرچه تولید در این روش، مقدار بسیار کمی در قیاس با مولدهایی که از دو روش دیگر استفاده میکنند دارد، لیکن در بسیاری موارد گزینه بسیار مناسبتری است که دلایل آن به تفصیل مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
در ادامه هر سه نوع مولد گاز اُزن و ساختار آن مورد بررسی قرار گرفته و در ادامه روشهای تماس و اختلاط گاز اُزن با آب (و یا پساب) مورد تحلیل و بررسی قرار میگیرد. مهمترین نکته در انتخاب مولد اُزن، مقدار گاز تولیدی بر حسب جرم در ساعت است. بهعنوان مثال، مولد ها با ظرفیت X g/hr (گرم یا کیلوگرم بر ساعت) معرفی میشوند. سایر پارامترهای مهم در ارزیابی هر نوع از مولد به تفکیک مورد بررسی قرار گرفته است. پارامتر مهم دیگر در انتخاب مولد اُزن، نوع کاربری و نیز شرایط بهکارگیری آن است که باید در طراحی لحاظ شود. لازم به ذکر است که انتخاب و بهکارگیری فنآوری استفاده از اُزن نیازمند محاسبات و طراحی خاص این کار بوده که الزاما باید توسط کارشناس خبره و متخصص در این زمینه انجام شود. در غیر این صورت، ممکن است نتیجه کار مطلوب نبوده و چه بسا هزینههای زیادی را به کاربر تحمیل کند.
انواع مولد اُزن، تفاوتها و مزایا:
همانگونه که پیش از این ذکر شد، ظرفیت مولدهای گاز اُزن بر مبنای مقدار جرم خروجی (گرم یا کیلوگرم) در واحد زمان (معمولا ساعت) اعلام و مشخص میشود. در ذیل هر سه نوع مولد معرفی و پارامترهای ارزیابی آن و نیز مهمترین کاربردهای آنها شرح داده شدهاند.
1- مولد اُزن بر مبنای تخلیه الکتریکی
این نوع از مولدهای گازاُزن، با استفاده از اختلاف پتانسیل ایجاد شده بین دو قطب الکتریکی در حدود 3000 تا 5000 ولت، جرقه ایجاد کرده و با تخلیه الکتریکی موجب شکسته شدن مولکول اکسیژن و تبدیل آن به O3 کار میکنند. در واقع این روش، روش صنعتی تولید اُزن است که به وسیله آن میتوان از 1 گرم تا چند صد کیلوگرم در ساعت اُزن تولید کرد.
در این نوع مولدها هوای خشک وارد سیستم تغلیظ اکسیژن شده و با افزایش غلظت اکسیژن تا حداقل 95% وارد محفظه تخلیه الکتریکی میشود. با استفاده از دیالکتریک (که از جنس شیشه یا سرامیک است) و ایجاد اختلاف پتانسیل چند هزار ولت، جرقه الکتریکی زده شده و بخشی از گاز اکسیژن تبدیل به اُزن میشود. خروجی این محفظه، ترکیبی از گاز اکسیژن و گاز O3 خواهد بود. میزان غلظت اُزن تولیدی به جنس دیالکتریک و نیز غلظت اکسیژن ورودی بستگی دارد. شکل 1 دیاگرام تولید اُزن در این نوع مولد را نشان میدهد.
مهمترین نکات در انتخاب یک مولد اُزن، اطمینان در مقدار گاز تولیدی آن و نیز حجم آن (به لحاظ محاسبات تماس با سیال) است. در عین حال، درجه حفاظت الکتریکی (IP code) و نیز دقت تنظیم خروجی گاز از نکات دیگر در انتخاب مولد اُزن است.
شکل 2 – مولد اُزن با روش تخلیه الکتریکی
شکل 3 – دستگاه اکسیژنساز
این نوع مولدهای گاز اُزن برای هر نوع کاربری قابل استفاده هستند و دامنه کاربردی بسیار وسیعی دارند.
2-مولد اُزن با لامپ فرابنفش
مولکول اکسیژن در مجاورت نور فرابنفش و در طول موج 185 نانومتر تبدیل به مولکول اُزن میشود. در این نوع مولد، هوای محیط (بدون حساسیت از نظر رطوبت و نیز غلظت اکسیژن) وارد محفظهای که در آن یک یا چند لامپ UV قرار داده شدهاند، میشود و با توجه به دبی جریان هوا و نیز تعداد و مشخصات لامپها به لحاظ ابعادی، گاز O3 تولید میکنند. با توجه به قدرت حذف بو و نیز آلودگی بیولوژیکی، از این نوع مولد جهت بهسازی هوای محیط و پاک کردن آن استفاده میشود. به عنوان مثال در منازل، رستورانها، اطاقهای بیمارستانی، اطاق مخصوص سیگار (در فرودگاه یا اماکن دیگر)، مراکز تفریحی و کافهها (در نقاطی که مصرف دخانیات آزاد است) و... به طور فراوان از این نوع مولد استفده میشود. همچنین میتوان خروجی گاز این نوع مولدها وارد کانال هواساز شده تا هوای مطبوع و عاری از بو و آلودگی میکروبی وارد محیط شود. در عین حال ذکر این نکته بسیار مهم است که گاز اُزن بسیار سمی بوده و غلظت آن در محیط نباید از حد مشخصی فراتر رود. از این رو کنترل مقدار اُزن باقیمانده در محیط بسیار ضروری است.
شکل 4 – دیاگرام شماتیک تولید اُزن به کمک نور فرابنفش
شکل 5 – مولد اُزن با نور فرابنفش
3-مولد اُزن به روش الکترولیز مولکول آب
در این روش، فنآوری خاصی مورد استفاده قرار میگیرد که قادر است از هر سه مولکول آب یک مولکول O3 تولید کند.
مزیت این روش، عدم استفاده از گاز ورودی در تولید گاز اُزن است. این مهم از آنجا اهمیت پیدا میکند که عدم وجود هوا یا اکسیژن اضافه در آب، مشکلاتی ناشی از وجود آن را ایجاد نمیکند. یکی از مهمترین کاربردهای چنین روشی، استفاده در صنایع الکترونیک و نیز صنایع سرمسازی و داروسازی است.
شکل 6 – دیاگرام شماتیک تولید اُزن در فرآیند الکترولیت
روشهای تماس و اختلاط اُزن با سیال
به منظور اختلاط و واکنش اُزن با آب یا پساب، دو روش اساسی وجود دارد. استفاده از ونتوری انژکتور یا استفاده از دیفیوزر. استفاده از هرکدام از این دو روش، بستگی به نوع کاربرد و حجم آن و نیز مسائل اقتصادی مرتبط با آن دارد. در ادامه هر کدام از این دو روش و دیاگرامهای مربوطه در سامانه تزریق اُزن ارائه شده است:
استفاده از دیفیوزر
استفاده از دیفیوزر عمدتا در تصفیه خانههای شهری آب و فاضلاب و در کل در ابعاد بزرگ مورد استفاده قرار میگیرد. روش کلی به این صورت است که گاز اُزن تولید شده به سمت شبکهی دیفیوزر تعبیه شده که گاز اُزن را از عمق حوضچه اختلاط به سمت سطح سیال (آب یا پساب) هدایت کرده و در فاصله انتقال از کف حوضچه تا سطح بالای سیال، واکنش تماسی مستقیم با مواد و میکروارگانیسم ها میدهد.
استفاده از اینژکتور ونتوری
استفاده از روش اختلاط و تزریق اُزن به سیال به وسیله اینژکتور ونتوری، کارآیی بالاتری نسبت به روش دیفیوزر برای بهرهبردارحاصل میشود. در واقع در این روش، مولکولهای اُزن در زمان کمتر و با شدت بیشتری با سیال مخلوط شده و به جهت یکنواختتر بودن تزریق، واکنش بهتری خواهد داد. در این روش بخشی از جریان اصلی آب (یا پساب) به واسطه بوستر پمپ (با فشاری که محاسبات مکانیکال آن توسط سازنده اینژکتور ونتوری، اعلام شده است) وارد اینژکتور ونتوری شده و به واسطه اختلاف سطح مقطع ورودی و خروجی، موجب ایجاد خلا و مکش در اتصال میانی شده و اُزن وارد سیال میشود.
مهمترین نکات در طراحی سامانه تزریق اُزن
مهمترین پارامترها در طراحی یک سامانه تزریق اُزن در پاسخگویی به پرسشهای زیر تعیین میشود:
- تعیین نقطهی محل تزریق اُزن
- مقدار غلظت تزریق در واحد حجم
- محل اندازهگیری مقدار اُزن باقیمانده در سیال
- تعیین مقدار اُزن باقیمانده
تعیین این چهار پارامتر و تطبیق پاسخ صحیح با شرایط موجود، میتواند موجب کارکرد صحیح سامانه تزریق اُزن و حصول به نتیجه مطلوب گردد. به منظور روشن شدن بیشتر موضوع به دو نمونه از سامانههای متداول تزریق اُزن پرداخته شده است.
نمونه 1- سامانه تزریق اُزن در کارخانه آب بسته بندی
در چنین سامانهای محل تزریق اُزن بعد از فیلتراسیون نهایی (میکروفیلترها) تعیین میشود. مقدار ابتدایی غلظت تزریق یک گرم در هر متر مکعب آب است. مقدار اُزن باقیمانده در داخل بطری (قبل از بسته شدن درب) اندازه گیری شده و مقدار آن باید در بازه کمتر از 0/4 و بیشتر از 0/2 میلیگرم بر لیتر باشد.
نمونه 2- سامانه تزریق اُزن در استخر شنا
در استخرهای شنا بعد از فیلتر شنی، مدار جانبی از لوله اصلی آب جدا شده و به آب مقدار مشخص که مستقیما به سطح الودگی برآوردی استخر (با توجه به نوع آن اعم از عمومی، اختصاصی، نوع سیستم چرخش آب سرریز یا اسکیمر، روباز یا سرپوشیده و .....) به میزان یک گرم در متر مکعب، اُزن اضافه شده و پس از عبور از مخزن واکنش و ماند، در نقطه بازگشت مدار جانبی به انشعاب اصلی، مقدار اُزن باقیمانده اندازهگیری شده باید صفر باشد.