ازن ( کاربرد ازن در تصفیه آب ) | شرکت شاران صنعت

ازن چیست؟

ازن یک مولکول غیر آلی با فرمول شیمیاییO3  بوده وهم چنین یکی از آلوتروپ های اکسیژن است که نسبت به آلوتروپ دو اتمی O2 پایداری کمتری دارد. این مولکول در دمای اتاق به صورت گاز و به رنگ آبی کمرنگ بوده و بوی کاملا محسوس و تندی دارد طوری که در غلظت های بسیار کم ppm 02/0 تا ۰۵/۰ نیز محسوس است، لازم به ذکر است که این غلظت برای سلامتی انسان مشکلی ایجاد نمیکند اما در غلظت های بالاتر در حدود ppb100 ممکن است باعث ایجاد مشکلات تنفسی در گیاهان و یا درحیوانات شود در واقع میتواند نوعی خطر تنفسی وآلودگی در نزدیکی کره ی زمین محسوب شود و به عبارت دیگر غلظت بالای ازن برای انسانها، حیوانات وگیاهان سمی میباشد و تنفس مقدار بیش از حد مجاز آن توسط انسان میتواند باعث ایجاد نشانه هایی مانند خشکی در دهان و گلو، سرفه و سردرد شود. اگرچه لایه ازن (قسمتی از لایه استراتسفر با غلظت بیشتر ازن ازppm  ۲ تاppm  ۸) برای زمین مفید بوده و از امکان رسیدن اشعه ی UV به زمین جلوگیری میکند به عبارت دیگر ازکره ی زمین در مقابل اشعه ی UV محافظت میکند.

نیمه عمر ازن: نیمه عمر ازن در آب بسیار کمتر از نیمه عمر آن در هوا میباشد. از آنجایی که ازن نیمه عمر کوتاهی دارد، در هنگام استفاده از آن برای تصفیه آب، باید آن را در محل تولید کرد. نیمه عمر ازن در آب در حدود ۲۰ دقیقه است و این به معنی آن است که در هر بیست دقیقه غلظت ازن به نصف مقدار اولیه میرسد اما در عمل این زمان کمتر میباشد زیرا عوامل بسیاری مانند دما، pH، غلظت مواد محلول و اشعه UV و… در نیمه عمرآن اثر میگذارندکه در ادامه تاثیر این پارامتر­ها در تجزیه ازن  به صورت مجزا شرح داده میشود.

دما: دما تاثیر به سزایی در نیمه عمر ازن دارد. انحلال ازن و پایداری آن در آب در دماهای بالاتر کاهش میابد طوری که انحلال ازن در آب در دماهای بالاتر از ۴۰ درجه ممکن نیست زیرا در این دما نیمه عمر ازن در آب بسیار کم میباشد. جدول زیر نیمه عمر ازن درهوا و آب را در دماهای مختلف نشان میدهد (این مقادیر فقط  بر اساس تجزیه گرمایی میباشد، و تاثیرات رطوبت، بار آلی و … در آن در نظر گرفته نشده است.)

 

pH: ازن در آب به رادیکالهای هیدروکسیل تجزیه میشود و هرچه pH افزایش پیدا میکند تشکیل این رادیکالها افزایش پیدا میکند. در محلولی که pH  بالایی دارد یون هیدروکسید (OH) بیشتری وجود دارد که این یون آغازگری برای واکنش تجزیه ازن طبق معادلات زیر میباشد.

۱-O3+ OH→HO2+ O2

۲-O3+ HO2OH + O2•- + O2

 

غلظت مواد محلول: ازن محلول در آب با مواد مختلفی مانند ترکیبات آلی، ویروسها، باکتری ها و … واکنش میدهد و در نتیجه ازن به مواد دیگری تجزیه میشود. نمودار شکل زیر نیمه عمر ازن برای آب با کیفیت های مختلف را نشان میدهد.

نمودار ۲- ۱-آب مقطر مضاعف (double-distilled) 2-آب مقطر(distilled) 3-آب شیر(tap water) 4-آب زیرزمینی با سختی کم(ground water of low hardness) 5-آب فیلتر شده از دریاچه زوریخ (filtered water from lake Zurich)

 

کاربردهای ازن

گاز ازن کاملا خورنده و سمی است و یک اکسید کننده ی قوی میباشد (بسیار قوی تر از O2) و میتواند بسیاری از مواد آلی و غیر آلی را اکسید کند بنابراین کاربردهای بسیاری به شرح زیر دارد.

  • تصفیه آب شهری
  • تصفیه فاضلاب شهری
  • تصفیه فاضلاب صنعتی
  • تولید آب در بطری
  • استفاده از ازن در صنایع میکرو الکترونیک
  • صنایع غذایی
  • مکان های آبی مانند استخرها و …
  • سیستم های آب خنک کن(cooling towers)

 

موادی که میتوانند با ازن حذف شوند

آلودگی ها و مشکلات زیر میتوانند با ازن حذف شوند و از بین بروند:

  • مواد معدنی و غیر آلی
  • فلزات: شامل آهن و منگنز و بسیاری دیگر
  • مواد آلی: شامل رنگ، جلبک و سایر ترکیبات کربن
  • پروتوزا: شامل تمام نوع های شناخته شده مانند کریپتوسپریدیم، ژیاردیا و تمام آمیب ها
  • باکتری ها: تمام نوع های شناخته شده آن شامل باکتری های آهن
  • ویروس ها: شامل تمام انواع آن
  • BOD  وCOD

 

کاربردهای ازن در تصفیه آب آشامیدنی

ازن در تصفیه آب آشامیدنی برای اهداف مختلفی استفاده میشود

گندزدایی: برای گندزدایی باکتری ها، ویروس ها، انگل ها و …

از آنجایی که پیش تر هم گفته شد ازن یک ضدعفونی کننده قوی میباشدکه با غلظت و زمان تماس کم تر نسبت به سایر گندزداهای ضعیف تر مانند کلر و دی اکسید کلر و مونو کلرو آمین و … میتواند گندزدایی را به صورت مطلوب انجام دهند. ازآنجایی که ازن در شبکه باقیمانده به جا نمیگذارد فقط میتوانند به عنوان گندزدایی اولیه استفاده شود بنابراین باید به همراه یک گندزدایی ثانویه نظیر کلر و دی اکسید کلر و … استفاده گردد.

اکسیداسون مواد غیر آلی مانند آهن، منگنز و سولفید و...

ازن یون های فلزی آهن و منگنز را اکسید میکند، در واقع آهن دو ظرفیتی (فرو) را به آهن سه ظرفیتی (فریک) و منگنز دو ظرفیتی را به منگنز چهار ظرفیتی تبدیل میکند و شکل اکسید شده به صورت منگنز هیدرو اکسید و آهن هیدرو اکسید رسوب میکندکه میتوانند به آسانی و از طریق فیلتراسیون و ته نشینی حذف گردند.

ترکیب شیمیایی دقیق رسوبات حاصل از اکسیداسیون به نوع آب، pH و دما داد. دز مورد نیاز ازن برای اکسیداسیون آهن ۴۳/. میلیگرم به ازای میلیگرم آهن و ۸۸/۰میلیگرم به ازای میلیگرم منگنز میباشد. ازن زنی بیشتر از حد بر آهن تاثیری نمیگذارد اما باعث انحلال مجدد منگنز شده که مجددا باید به منگنز دی اکسید تبدیل گردد.

اکسیداسیون آلودگی های میکرو که شامل ترکیبات ایجاد کننده بو ومزه، آلودگی های فنلی و برخی از حشره کش ها هستند.

بو و طعم ایجاد شده در آب آشامیدنی میتواند منابع آلی و غیر آلی داشته باشد.آهن و سولفید هیدروژن دو ماده غیرآلی ایجاد کننده طعم و بو در آب آشامیدنی میباشندکه هر دو با اکسید کردن حذف میشوند. بو و طعم حاصل از مواد آلی بیشتر به صورت فصلی و به خصوص در فصل تابستان از آبی که در جایی نگه داشته شده است حاصل میشود. دو ترکیب آلی مهم ژئوسمین هاGeosmin  و متیل ایزو بورنئول   (MIB (Methyl-Isoborneol در ایجاد بو و طعم در آب نقش بسزایی دارند. عوامل دیگری مانند آلودگی های صنعتی و محصولات جانبی حاصل از تصفیه آب نیز در ایجاد بو نقش دارند که اکثرا به علت واکنش کلر و کلرو آمین ها با مواد موجود در آب میباشد.

زدودن طعم و بو میتواند توسط روش های اکسایشی و غیر اکسایشی انجام شود روش های غیر اکسایشی شامل استفاده از کربن فعال پودری و یا گرانولی میباشد از طرفی اکسید کننده های مختلفی میتوانند برای زدودن طعم و بو استفاده شوند. هوادهی معمولی میتواند برای اکسید کردن آهن و هیدروژن سولفید استفاده شود. پر منگنات پتاسیم در غلظت بالا میتواند در مقابل برخی از مواد موثر باشد اما در مقابل ترکیبات  مهم مانندgeosmin  ها وMIB  ها تاثیرگذاری چندانی ندارد.

استفاده از ازن به تنهایی و یا به همراه هیدروژن پراکسید و یا UV  (AOP)در حذف ترکیبات ایجاد کننده بو و مزه شامل Geosmin ها وMIB  ها بسیار موثر است.

اکسیداسیون مواد آلی ماکرو شامل حذف رنگ، افزایش ترکیبات آلی قابل تجزیه بیولوژیکی، کنترل DBP ها وکاهش نیاز به کلر

افزایش ترکیبات قابل تجزیه بیولوژیکی: ازن میتواند بخشی از مواد آلی در آب را به ترکیبات قابل تجزیه بیولوژیکی تبدیل کند و سپس این ترکیبات میتوانند با فیلترهای بیولوژیکی حذف گردند.

استفاده از ازن به منظور کنترل محصولات جانبی گندزدایی و کاهش نیاز به کلر: کلرزدن به آبی که حاوی ترکیبات آلی طبیعی و یا مواد مصنوعی باشد باعث تولید محصولات جانبی گندزدایی مانند تری هالومتان ها و هالواستیک اسید ها میشود، این ترکیبات در تصفیه آب آشامیدنی باید کمتر از ppb80 باشند و هم چنین قوانین مربوط به حذف میکروارگانیسم هایی مانند ژیاردیا وکریپتوسپوردیوم روز به روز محکم تر و سخت تر میشود که این به معنی آن است که تصفیه آب آشامیدنی به گندزدای جایگزین کلر نیاز دارد. تحقیقات نشان داده که ازن میزان محصولات جانبی را به مقدار قابل توجه و به طرق مختلفی میتواند کاهش دهد.

ازن در مقابل بسیاری از میکرو ارگانیسم ها بسیار بهتر عمل کرده و صد برابر کلر در مقابل ژیاردیا موثرتر است. استفاده از ازن به عنوان ضدعفونی کننده اولیه میتواند به مقدار قابل توجهی میزان نیاز به کلر در ضدعفونی ثانویه در سیستم توزیع را افزایش دهد .

ضمنا استفاده از ازن به همرا فیلتر های بیولوژیکی (biologically active filters) میتواند به طور قابل ملاحظه ای میزان مواد آلی که باعث ایجاد تری هالو متان ها میشود را کاهش دهد فیلتر های بیولوژیکی فیلتر های معمولی هستند که اجازه رشد بیولوژیکی در آنها داده شده است.

شکل۲- تاثیر ازن بر مقدار تری هالومتان

 

بهبود فیلتراسیون و انعقاد:

ازن زنی بر بازده انعقاد و فیلتراسیون تاثیر میگذارد آمار و ارقام سیستم های تصفیه آب نشان میدهد که ازن زنی اولیه بیشتر از کلر زنی اولیه در کاهش کدورت آب خروجی از  فیلتر ها تاثیر میگذارد.

 

استفاده از ازن در صنایع میکرو الکترونیک

اخیرا صنعت میکروالکترونیک در استفاده از ازن برای تمیز کردن نیمه هادی ها به جای استفاده رایج از ترکیبات H2SO4 سرمایه گذاری کرده است. استفاده از ازن یک روش دوستدار طبیعت است و میتواند باعث کاهش هزینه ها شود. برای بهینه کردن این روش شستشو، دانستن رفتار ازن  در آبِ فوق خالص ضروری میباشد. تجزیه و انحلال ازن در آب فوق خالص تابع دما و pH و افزودنی های مختلف میباشد.

 

استفاده از ازن در مکان های آبی مانند استخر

استفاده از ازن در استخرها از تشکیل محصولات جانبی ناشی از وجود کلر مانند تری هالو متان ها جلوگیری میکند که این امر باعث کاهش مشکلات تنفسی و مشکلاتی مانند قرمزی چشم میشود هم چنین استفاده از ازن باعث میشود میزان نیاز به جایگزین کردن آب کمتر شود بنابراین تاثیر زیادی برهزینه های ناشی از گرم کردن آب میگذارد.

 

استفاده از ازن در برج های خنک کننده

آب برج های خنک کننده به تصفیه نیاز دارد ودو فاکتور مهم و اساسی در آنها باید کنترل شود:

خوردگی و رسوب گذاری در واحد های تبادل حرارت و لوله ها

رشد میکروبی (باکتری و میکروارگانیسم ها)

این فاکتورها جدا ازهم نیستند برای مثال کاهش pH  باعث جلوگیری از رسوب گذاری میشود اما از طرفی خوردگی فلزات را افزایش میدهد. با  استفاده از ازن تمامی این فاکتورها بدون اضافه کردن مواد شیمیایی دیگری قابل کنترل میشود.

 

استفاده از ازن در صنایع غذایی

از آنجایی که ازن یک گندزدای قوی و بی خطر است میتواند برای کنترل رشد بیولوژیکی میکروارگانیسم ها در محصولات و تجهیزات مورد استفاده در صنایع غذایی استفاده گردد. ازن در هوا برای کنترل باکتری ها و آلودگی های موجود در اتمسفر و در فضایی که عمل آوری محصولات غذایی انجام میشود، استفاده میگردد. از دیگر سو ازن به صورت محلول در آب برای شستشوی مواد غذایی و زدودن آلودگی های موجود در سطح این مواد استفاده میشود. در بعضی از مواقع ازن گازی با غلظت بسیار کم و به صورت مستقیم برای استرلیزه کردن ماده ی غذایی به آن زده میشود. هم چنین آب ازن زده شده میتواند برای شستشوی تجهیزات، سطوح و دیوار های اتاقِ فرآوریِ مواد غذایی استفاده شود.

کاربردهای ازن در صنایع غذایی:

  • در شستشوی میوه جات و سبزیجات
  • در تولید و عمل آوری گوشت  قرمز وگوشت ماکیان
  • در صنایع غذا های دریایی و آبزی پروری
  • در ذخیره ی مواد غذایی
  • در مدیریت آفات
  • در آبیاری
  • در کنترل کیفیت هوا ی محیط
  • در صنایع تولید نوشیدنی ها

 

استفاده از ازن در تولید آب در بطری(Bottled water)

امروزه ازن نقش مهمی در پروسه تصفیه آب در تولید آب در بطری را ایفا میکند. آب های معدنی و یا آب چشمه ها در پروسه تبدیل به آب در بطری میتوانند از ازن به عنوان ضد عفونی کننده برای جلوگیری از رشد میکرو ارگانیسم های مضر استفاده کنند. ازن تمام پاتوژن هایی که در آب به وجود می آیند را از بین میبرد وهم چنین میتواند برای حذف ذرات مولد طعم و بو نیز استفاده گردد.

 

پارامتر های موثر در ازن زنی

همانطور که پیشتر هم گفته شد پارامتر های مربوط به کیفیت آب نقش مهمی در ازن زنی دارند به عنوان مثال برای pH های مختلف، دزهای مختلف ازن نیاز است همچنین افزایش کدورت، مواد آلی، رنگ و مواد غیر آلی مانند آهن و منگنز مقدار نیاز به ازن را افزایش میدهند. خاصیت گندزدایی و اکسیداسیون به دما ارتباطی ندارد اما افزایش دما باعث کاهش حلالیت ازن در آب میشود. میزان تاثیر ماده ی گندزدا به میزان حساسیت و آمادگی میکروارگانیسم های هدف، زمان تماس و غلظت ازن بستگی دارد در واقع میزان غلظت ازن تولید شده (C) و زمان تماس(T)،CT  را که مشخصه ی مهمی  برای نشان دادن توانایی ازن جهت ضدعفونی و غیر فعال کردن میکروب هاست را نشان میدهد.

 

انحلال ازن در آب

مطالعات پایه ای شیمی نشان داده زمانی که ازن وارد آب میشود واکنش های متوالی رخ میدهد و به صورت خود به خود و طبق مکانیسم های پیچیده درون آب تجزیه میگردد که حاصل آن تولید رادیکال هیدروکسیل (.OH) است. رادیکال هیدروکسیل نیم عمر بسیارکوتاه و در حد میلیونیم ثانیه دارد اما ظرفیت اکسیداسیون آن بسیار بالا و از خود ازن بیشتر است بنابراین اکسیداسیون با مولکول ازن در مقایسه با اکسیداسیون با رادیکال هیدروکسیل بسیار آرامتر صورت میگیرد.

همانطور که در شکل زیرهم نشان داده شده است ازن میتواند به دو صورت زیر با ترکیبات واکنش دهد:

۱)اکسیداسیون مستقیم ترکیبات توسط مولکول ازن

۲)اکسیداسیون ترکیبات با رادیکال آزاد هیدروکسیل که از تجزیه ازن

اکسیداسیون مستقیم ترکیبات به آرامی صورت میگیرد اما غلظت ازن نسبتا بالاست و به عبارت دیگر واکنش رادیکال هیدروکسیل با ترکیبات سریع رخ میدهد اما غلظت هیدروکسیل تحت شرایط نرمال ازن زنی بسیار کم است. در شرایط اسیدی اکسیداسیون مستقیم با ازن مولکولی اهمیت دارد و در شرایطی که رادیکال هیدروکسیل تولید میشود مانند pH بالا، یا قرار گرفتن در معرض اشعه UV و یا افزایش هیدروژن پراکسید، اکسیداسیون توسط رادیکال هیدروکسیل غالب میشود.

Potential (V) Substance
۲,۸۶ Hydroxyl radical (.OH)
۲,۴۲ Oxygen atom (O)
۲,۰۷ Ozone molecule (O3)

 

جدول ۱-مقایسه پتانسیل های اکسید کنندگی

 

 

اکسیداسیون پیشرفته

استفاده از گاز اوزن به همراه اشعه UV، فراصوت و یا هیدروژن پراکسید نتایج بسیار خوبی دارد ترکیب این متدها، روش هایی از اکسیداسیون پیشرفته هستند  AOP.

روش های مختلف اکسیداسیون پیشرفته به شرح زیر است:

-ازن زنی درpH  بالاتر از ۸.۵

-ازن + هیدروژن پراکسید

-ازن +کاتالیست

-سیستم فنتون(Fe2+/H2O2)

-ازن +UV

-هیدروژن پراکسید + UV

-ازن و هیدروژن پراکسید + UV

-فوتو فنتون

-اکسیداسیون فتوکاتالیتیک  UV +TiO2

 

محصولات جانبی تولید شده در اثر ضد عفونی با ازن

زمانی که ازن با مواد آلی طبیعی در واکنش های اکسایش و کاهش شرکت میکند محصولات جانبی گندزدایی هالوژن دار زیادی تولید نمیکند (تری هالومتان ها و هالو استیک اسیدها) اما محصولات جانبی دیگر تولید شده توسط ضد عفونی با ازن  (DBPs)زیاد است و شامل آلدهید ها،کتون ها وکربوکسیلسک اسید میباشد. ازن همچنین بخشی از کل کربنی آلی (TOC) را به مواد آلی محلول  قابل تجزیه بیولوژیکی (BDOC) تبدیل میکند که اگر حذف نشوند باعث رشد بیولوژیکی در سیستم توزیع میشود. ازن زنی در آبی که حاوی برومید باشد میتواند باعث ایجاد برومات(BrO3-)  شودکه میزان آن باید کمتر از  µg/L10 باشد.

جدول۵-محصولات حانبی ایجاد شده در اثر ازن زنی آب

اندازه گیری ازن گازی

در سیستم های تصفیه با ازن، نقاطی که ازن گازی اندازه گیری و کنترل میشوند عبارت اند از:

  • خروجی ازن ژنراتور(Ozone generator output)
  • گاز خروجی کنتاکتور  (Contactor off-gas)
  • واحد تخریب گاز خروجی (Ozone destruct off-gas)
  • هوای اطراف در فضای ازن زنی (Ambient air in ozone process areas)

غلظت ازن به صورت گاز ازppm  ۱ /۰ حجمی (mg/m3 NTP 2/0) در فضای اطراف و واحد تخریب گاز ازن خروجی، تا ۱ الی ۲ درصد (g/m3 NTP 10) در گاز خروجی کنتاکتور و تا ۱۵ درصد حجمی  (g/m3 NTP 200)در خروجی ازن ژنراتور تغییر میکند.

روش های اندازه گیری ازن در فاز گاز به شرح زیر است:

جذبUV (UV Absorption): آنالیزورهایی که ازن را بر اساس UV انداره گیری میکنند بر این قاعده که ازن میتواند نور UV با طول موج ۲۵۴ نانومتر را جذب کند کار میکنند. زمانی که این طول موج از  UVساخته شده و به محفظه ی هوا فرستاده میشود مقدار اشعه  UVجذب شده با غلظت ازن موجود در محفظه متناسب است. در واقع این تجهیزات مقدار جذب اشعه UV بدون حضور و با حضور ازن را اندازه گیری میکنند تفاوت این دو مقدار در خروجی این تجهیزات نشان داده میشود.

روش یدومتری (Iodometry): در این روش از از محلول طبیعی و یا قلیایی پتاسیم یدید به عنوان واکنشگر استفاده میشود. گاز ازن و یا نمونه ای که قرار است اندازه گیری شود  از داخل محلول پتاسیم یدید عبور میکند و مقدار ید آزاد شده اندازه گیری میشود این روش ممکن است دقت و صحت بالایی داشته باشد اما نیاز به زمان کارکرد طولانی دارد.

 

نورتابی شیمیایی (Chemiluminescence): تولید نور در اثر آزاد شدن انرژی در یک واکنش شیمیایی را نورتابی شیمیایی میگویند. این روش میتواند برای اندازه گیری غلظت های کم ازن گازی استفاده گرددکه رایج ترین شیوه ی آن استفاده از واکنش نورتابی شیمیایی اتیلن است. نور منتشر شده در این واکنش با غلظت واکنش دهنده متناسب است.

 

شکل۶-نورتابی شیمیایی و تولید ازن

تیتراسیون فاز گازی (GPT-Gas-Phase Titration)

عمل تیتراسیون در فاز گاز را تیتراسیون فازگازی (GPT) مینامند که گاز ازن با نیتروژن اکسید طبق واکنش زیر تیتر میشود و در نهایت تیتر کنندۀ باقی مانده و محصولات واکنش، اندازه گیری میشوند.

O3 + NO → O2 + NO2

 

 

Expected

Precision

(±%)

Working

Range

(mg/L)

Type of Test
۲.۵ ۰.۵ – ۵۰۰۰۰ UV Absorption
۱ – ۲ ۰.۵ – ۱۰۰ Stripping Absorption

Iodometry

۵ ۰.۰۰۵ – ۱ Chemiluminescence
۸.۵ ۰.۰۰۵ – ۳۰ Gas-Phase Titration

 

 

تولید ازن

زمانی که یک مولکول اکسیژن دو اتمی توسط یک منبع انرژی گسسته شده و به اتم های اکسیژن تبدیل میشود و پس از آن به یک مولکول اکسیژن برخور میکند، گاز ناپایدار ازن که میتواند برای ضدعفونی استفاده شود ساخته میشود. ازن در طبیعت میتواند از طریق تابش نور اولترا ویولت (UV) و پدیده رعد و برق به وجود بیاید. بوی تازه ای که بعد از رعد و برق و یا بارندگی استشمام میشود ناشی از وجود ازن میباشد.

معادله تبدیل اکسیژن به ازن مطابق زیر است، این واکنش گرما گیر است و به مقدار قابل ملاحظه ای انرژی نیاز دارد.

۳O2⇔۲O3

شکل۸-به وجود آمدن گاز ازن

از آن جایی که ازن گازی ناپایدار است و در زمان کوتاه پس از تولید به اکسیژن عنصری تبدیل میشود و نمیتواند ذخیره شود، باید به صورت مصنوعی و در محل واحدهای تصفیه آب و فاضلاب تولید شود و همچنین از آنجایی که برای تبدیل اکسیژن به ازن، مولکول اکسیژن باید شکسته شود و دوباره شکل بگیرد، بنابراین به انرژی از جنس القا الکتریکی که بتواند مولکول های اکسیژن را بشکند نیاز است این انرژی میتواند توسط ژنراتور تولید شود. اولین بار ازن به صورت مصنوعی از طریق الکترولیز سولفریک اسید به وجود آمد.

روش های مختلف تولید ازن به شرح زیر میباشد:

۱)تخلیه الکتریکی (Electrical Discharge): تخلیه کورونا

این متد روشی بی خطر، موثر و اقتصادی میباشد. تخلیه کورونا شبیه یک رعد و برق کوچک کاملا کنترل شده میباشد. بسیاری از ازن ژنراتور های تجاری از سایز کوچک با ظرفیت ۵/۰ گرم در روز تا ۵۰ کیلوگرم در ساعت موجود میباشند. متد تخلیه کورونا در اکثر  صنایع به صورت گسترده استفاده میشود.

 

۲)فتوشیمیایی (Photo chemically)(UV)

نورخورشید با تاثیرات گرمایشی و مفید خود میتواند ازن تولید کند. اصل و اساس روش فتوشیمیایی میتواند برای تولید ازن به صورت مصنوعی و در جایی که نیاز است استفاده شود. لامپ UV طول موج لازم برای تولید ازن را فراهم میکند. لامپهای UV بسیاری با طول موج متفاوت از رنج ۱۸۰ تا ۲۵۴ نانومتر موجود است لازم به ذکر است این روش، روشی اقتصادی  و به صرفه برای تولید ازن نیست و ۳/. تا ۴/. درصد وزنی ازن تولید میکند. اگرچه ماشین های اشعه ایکس یا اُوِن های میکروویو این انرژی لازم را فراهم میکنند، اما فرکانس آنها برای تولید موثر ازن مناسب نیست.

۳)برق کافتی(Electrolytically): الکترولیز اسید

این متد روشی ساده برای تولید ازن میباشدکه میتواند در مکان های دور و ساده استفاده شود اما به ندرت برای تولید ازن در تصفیه آب آشامیدنی استفاده میگردد.در حال حاضر این روش ۲ تا ۵ برابر گران تر از روش تخلیه کورونا میباشد و مشکلات ناشی از انتقال اسید به محل تولید ازن و در دسترس بودن کانتینر و دیگر مواد را دارد. پیشرفت الکترود ها و و ممبران های جدید میتواند هزینه ها و نگهداری و تعمیرات این روش را کاهش دهد. گندزداهای دیگر نیز میتوانند ازین روش تولید شوند.

 

دستگاه ازن ژنراتور

در تخلیه کورونا و یا تخلیه الکتریکی ساکت، گاز اکسیژن از فضای تخلیه و از بین دو الکترود که توسط یک دی الکتریک از هم جدا شده اند عبور میکند. به الکترودها ولتاژی وارد میشود که باعث حرکت الکترون ها در سراسر  فضای تخلیه میشود این الکترون ها انرژی لازم برای شکستن  مولکول های اکسیژن و تبدیل آن به ازن را فراهم میکند .

 

همانطور که در شکل های زیر نشان داده شده است سیستم ازن زنی ۴ جز و پایه دارد اجزای سیستم  ازن زنی به شرح زیر است:

سیستم تهیه گاز ورودی: سیستم تهیه گاز ورودی باید اکسیژن خشک و تمیز را وارد سیستم کند.

ازن ژنراتور

مخزن و تجهیزات تماس ازن

سیستم تخریب و تخلیه گاز خروجی

 

سیستم های تهیه و تغذیه گاز ورودی به دو دسته تقسیم بندی میشوند:

سیستم هایی که از اکسیژن با خلوص بالا استفاده میکنند.

اکسیژن میتواند به صورت مایع خریداری شده (IOX) و ذخیره گردد و یا میتواند در محل به روش برودتی                                          (Cryogenic Oxygen Generation) و یا به روش PSA (Pressure Swing Adsorption)تهیه گردد. تولید اکسیژن به روش برودتی  پیچیده است  و فقط برای سیستم های بزرگ ممکن میباشند.

-PSA روشی است که به موجب آن یک غربالگر مولکولی مخصوص تحت فشار به صورت انتخابی نیتروژن،کربن دی اکسید، بخارات هوا و هیدرو کربن را جذب میکند و گازی غنی از اکسیژن (۸۰ تا ۹۰ %) تولید میکند.

سیستم هایی که از اکسیژن مایع استفاده میکنند نسبتا ساده هستند و شامل چند مخزن، یک تبخیر کننده که مایع را به گاز تبدیل میکند و فیلتر هایی برای جدا کردن نا خالصی ها هستند.

سیستم هایی که از هوا استفاده میکنند

سیستم که از هوا استفاده میکنند: سیستم تغذیه هوا برای ازن ژنراتور تقریبا پیچیده هستند زیرا هوا باید طوری کنترل شود که از آسیب رساندن به ژنراتور جلوگیری کند. هوا باید تمیز، عاری از آلودگی و خشک باشد و حداکثر نقطه شبنم آن ۶۰- درجه ی سانتی گراد باشد. این سیستم ها معمولا شامل کمپرسور هوا،  فیلتر، خشک کن و رگلاتور فشار هستند. ذرات بزرگتر از یک میکرون و قطرات روغن بزرگتر از ۰۵/۰ میکرون باید با فیلتراسیون حذف شوند. اگر درگاز ورودی هیدروکربن موجود باشد باید از کربن فعال گرانولی در ادامه استفاده کنیم.

حذف رطوبت میتواند با فشرده سازی و یا سردکردن حاصل شود هم چنین مواد خشک کننده (desiccant dryers) که رطوبت را از هوا خارج میکنند برای تمام این سیستم ها مورد نیاز هستند. مواد کوچک و بزرگ و رطوبت باعث جرقه شده که به دیاالکتریک های ژنراتور آسیب میرساند.

این سیستم ها میتوانند بر اساس فشار اعمالی به سیستم های کم فشار (کمتر از ۳۰ psi)، فشار متوسط، و فشار بالا (بیشتر از ۶۰ psi) دسته بندی شوند.

کمپرسورهای روتاری لوب، سانتریفیوژ، روتاری اسکرو، پره ای، حلقه روغنی و کمپرسور رفت و برگشتی میتوانند استفاده گردند.کمپرسور جا به جایی مثبت و حلقه روغنی رایج ترین نوع کمپرسور ها در این سیستم ها هستند. در سیستم های جدید کمپرسور های بدون روغن برای جلوگیری از ورود هیدرو کربن ها به گاز تغذیه استفاده میشوند.

 

معایب مزایا منبع
به ازای حجم ازن تولیدی انرژی زیادی نیاز دارد.

به تجهیزات کنترل گاز وسیعی نیاز دارد.

حداکثر غلظت ازن تولیدی ۳-۵ % است.

تکنولوژی اثبات شده

مناسب برای سیستم های کوچک و بزرگ.

هوا
قیمت های متفاوتی دارند.

به علت ذخیره ی اکسیژن در محل مسایل مربوط به ایمنی اهمیت دارد.

نیاز به تجهیزات کمتری دارد.

اجرا، تعمیرات و نگهداری آسانی دارد .

برای سیستم های کوچک و متوسط مناسب است.

میتواند اکسیژن اضافی را ذخیره کند.

Liquid Oxygen Storage (LOX)
نسبت به روش استفاده از LOX  پیچیده تر است.

نیاز به تجهیزات کنترل گاز بزرگی دارد.

نگهداری و تعمیرات پیچیده دارد.

برای سیستم های بزرگ  مناسب است.

میتواند اکسیژن اضافی را ذخیره کند.

تولید اکسیژن به روش برودتی

(سرمایش یا سرد سازی کرایوژنیک)

(cryogenic)

 

 ازن ژنراتور: به طور کل بالاترین میزان بازده (ازن تولید شده در واحد سطح عایق ) در اثر ولتاژ و فرکانس بالا و یک دی الکتریک بزرگ ثابت و نازک به وجود می آید لازم به ذکر است که برای این پارامترها محدودیت های عملی وجود دارد. زمانی که ولتاژ افزایش پیدا میکند مواد سازنده  الکترودها و دی الکتریک ها بیشتر در معرض خرابی و شکست قرار میگیرند از طرفی افزایش فرکانس باعث افزایش غلظت ازن و هم چنین افزایش تولیدگرما میشود در نتیجه نیاز به سرد کردن برای جلوگیری از شکست و تجزیه ازن افزایش میابد از طرفی دی الکتریک های نازک بیشتر در معرض سوراخ شدن میباشند. در واقع طراحی ژنراتور ها باید بر اساس برقراری تعادل بین بازده تولید ازن و کاهش نگهداری و تعمیرات باشد.

دو شکل مختلف برای الکترود های استفاده شده در ژنراتور های تجاری به کار میرود.

۱-صفحه های موازی: معمولا در ژنراتورهای کوچک مورد استفاده قرار میگیرد و میتوانند با هوا خنک شوند.

۲-استوانه های هم مرکز: شکل زیر چیدمان استوانه های هم مرکز را نشان میدهد. بیشتر انرژی الکتریکی ورودی به ازن ژنراتور (حدود ۸۵%) به صورت گرما هدر میرود. به علت تاثیر منفی دما در تولید ازن، برای جلوگیری از کاهش بازدهی ازن ژنراتور، یک سیستم خنک کننده نیاز است. این گرمای اضافی معمولا توسط جریان آب که در اطراف الکترود های  فلزی ضد زنگ وجود دارد از بین میرود. این لوله ها میتوانند به صورت های  افقی و عمودی  در داخل محفظه های از جنس استیل ضد زنگ قرار بگیرند که آب خنک کننده از داخل این محفظه ها میگذرد.

 

طبقه بندی ازن ژنراتور ها:

ازن ژنراتور ها بر اساس فرکانس و یا توان وارده به الکترودها دسته بندی میشوند ژنراتورهایی با فرکانس کم (Hz50-60) و یا متوسط (Hz60-1000) رایج ترین نوع ژنراتور ها در صنعت آب هستند. ژنراتور های با فرکانس متوسط بازده بالایی دارند و میتوانند ازن را با قیمت مناسب تولید کنند اما گرمای بیشتری نسبت به ژنراتورهای با فرکانس کم  تولید میکنند.

 

 

تجهیزات تماس گاز ازن با آب و یا کنتاکتورهای ازن (Ozone Contactor)

بخشی از ازن ورودی به مخزن تماس به آب منتقل نمیشود و به عنوان گاز خروجی جدا میشود. برای آنکه گندزدایی به صورت  بهینه انجام گردد، به انتقال موثر ازن به آب ( بیشتر از ۸۰ درصد) نیاز است.

روش های معمول انحلال ازن شامل:

کنداکتور اختلاط و پخش حباب (Bubble Diffuser Contactors)

کنداکتور تزریقی (Injectors)

۱۶-۳-۳-کنداکتور میکسری توربینی (Turbine Mixers)

کنداکتور اختلاط و پخش حباب (Bubble Diffuser Contactors)

این نوع کنتاکتور ها به انرژی اضافی نیاز ندارد و انتقال ازن را سریع انجام میدهند، اجرا و راه اندازی ساده ای دارند و همچنین هیچ بخش متحرکی ندارد.

 

شکل زیر کنتاکتور دیفیوزر حبابی سه مرحله ای با جریان خلاف جهت هم (ازن و آب در خلاف جریان هم هستند)، جریان متناوب و جریان هم جهت (ازن و آب دریک جریان حرکت میکنند) را نشان میدهد.

تعداد مراحل برای گندزدایی با ازن از دو تا شش مرحله تغییر میکند. بسیاری از واحدهای تصفیه آب از دو یا سه محفظه  برای تماس و واکنش استفاده میکنند.این نوع کنتاکتور ها برای انتقال موثر گاز از ۸۵ الی ۹۵ درصد، با عمق آب ۱۸ تا ۲۲ فوت ساخته میشوند. از آنجایی که تمام ازن به آب وارد نمیشود این محفظه ها برای نگهداشتن و جلو گیری از خروج گاز خارج شونده پوشیده شده اند.که سپس این گاز به واحد تخریب ازن میرود. این نوع کنتاکتور ها از دیفیوزرهای ضد زنگ و یا سرامیکی استفاده میکنند که به شکل های میله ای و یا  بشقابی برای تولید حباب وچود دارند.

مزایا معایب
بخش متحرک ندارند محفظه ی تماس با عمق زیاد دارند.
ازن را به صورت موثر منتقل میکنند. مسیر حباب ها عمودی است.
عملیات ساده ای دارند نیاز به تعمیرات و نگهداری لوله ها و درزبندی ها میباشد.

مزایا و معایب کنتاکتورها دیفیوزر حبابی

 

کنداکتور تزریقی (injector dissolutions)

در این روش ازن تحت فشار منفی که در قسمت ونتوری ایجاد میشود به داخل جریان آب تزریق میگردد. در بسیاری از مواقع برای افزایش خلا جهت تزریق ازن، بخشی از کل جریان به یک جریان کنار گذر پمپ میشود و پس از آنکه ازن به آن تزریق شد با بقیه ی جریان تحت شرایط متلاطم (برای افزایش انتشار ازن) ترکیب میشود. شکل زیر سیستم تزریق ازن هم با جریان کنار گذر و هم در خط را نشان میدهد

نسبت گاز به مایع پارامتر مهمی در طراحی این سیستم ها میباشد برای انتقال بهینه ازن باید کمتر از ۰۶۸/۰ cfm/gpm باشد .

کنداکتور میکسری توربینی (Turbine Mixers Contactors)

میکسرهای توربینی برای انتقال، تغذیه و اختلاط ازن با آب درکنتاکتور استفاده میشوند. شکل زیر این نوع کنتاکتورها را نشان میدهد که موتور آن به علت دسترسی برای تعمیرات و نگهداری خارج از حوضچه میباشد. در سایر طراحی ها از توربین غوطه ور نیز استفاده میکنند. انتقال ازن توسط میکسر های توربینی میتواند بیش از ۹۰ درصد باشد. انتقال یک پوند ازن توانی تا اندازه ی kW-hr  ۲/۲-۷/۲ نیاز دارد. عمق  حوض ها در این روش از ۶ تا ۱۵ فوت متغیر است.

سیستم تخریب گاز خروجی

غلظت ازن در گاز خروجی معمولا بیشتر از غلظت زیان آور و مضر است بنابراین گاز خروجی باید جمع آوری شود و به فرم اکسیژن وگاز غیر سمی برای آزاد سازی در اتمسفر در آید. ازن در دمای بالا (بالاتر از ۳۵۰ درجه و یا توسط عملیات  کاتالیستی در دمای بالای ۱۰۰ درجه ) میتواند تخریب شود.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *