روش ازن زنی در تصفیه آب | شرکت شاران صنعت

روش ازن زنی در تصفیه آب امروزه رو به گسترش است. روش ازن زنی به منظور ضدعفونی ، گندزدایی و اکسیداسیون آب ، فاضلاب و هوا استفاده می شود. در فرایند ازن زنی از یکی از روش های تخلیه الکتریکی ، فتوشیمیایی یا برق کافتی جهت تولید ازن استفاده می شود. روش ازن زنی به عنوان یکی از روش های ضد عفونی در کنار روش کلرزنی و روش اشعه فرابنفش مطرح می باشد.

 

مشخصات و ویژگی های ازن

ازن یک مولکول غیر آلی با فرمول شیمیایی O3  بوده و هم 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 ۰/۰۲ تا ۰/۰۵ ppm  نیز محسوس است.

لازم به ذکر است که این غلظت برای سلامتی انسان مشکلی ایجاد نمیکند اما در غلظت های بالاتر در حدود ppb 100 ممکن است باعث ایجاد مشکلات تنفسی در گیاهان و یا درحیوانات شود در واقع میتواند نوعی خطر تنفسی و آلودگی در نزدیکی کره ی زمین محسوب شود و به عبارت دیگر غلظت بالای ازن برای انسان ها حیوانات و گیاهان سمی می باشد و تنفس مقدار بیش از حد مجاز آن توسط انسان می تواند 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 از ۲ تا ppm 8 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.

 

فرایند تولید ازن در طبیعت

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.

 

فرایند تولید ازن در روش ازن زنی

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 می شود. معادله تبدیل اکسیژن به ازن مطابق فرمول ۳O2⇔۲O3 است که این واکنش گرما گیر است و به مقدار قابل ملاحظه ای انرژی نیاز دارد.

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:

تخلیه الکتریکی یا تخلیه کورونا Electrical Discharge : 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.

فتوشیمیایی Photo chemically یا 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.

برق کافتی یا الکترولیز اسید یا Electrolytically : 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.

 

پارامتر های موثر در روش 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 CT را که مشخصه ی مهمی برای نشان دادن توانایی ازن جهت ضدعفونی و غیر فعال کردن میکروب هاست را نشان میدهد.

 

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 غیره در نیمه عمر آن اثر می گذارندکه در ادامه تاثیر این پارامتر­ها در تجزیه ازن به صورت مجزا شرح داده می شود.

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 می باشد.
O3+ OH-→HO-2+ O2
O3+ HO2- →•OH + 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.

 

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 می گیرد.

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

اکسیداسیون مستقیم ترکیبات توسط مولکول ازن
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 می شود مانند pH بالا، یا قرار گرفتن در معرض اشعه UV و یا افزایش هیدروژن پراکسید، اکسیداسیون توسط رادیکال هیدروکسیل غالب می شود.

مقایسه پتانسیل های اکسید کنندگی به شرح زیر است :
Hydroxyl radical یا .OH برابر است با ۲,۸۶
Oxygen atom یا O برابر است با ۲,۴۲
Ozone molecule یا O3 برابر است با ۲,۰۷

 

مواد قابل حذف با روش ازن زنی

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

 

محصولات جانبی تولید شده در اثر ضد عفونی با فرایند ازن زنی

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/L 10 باشد.

 

کاربرد های روش ازن زنی

گاز ازن کاملا خورنده و سمی است و یک اکسید کننده ی قوی می باشد (بسیار قوی تر از O2) و می تواند 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 معدنی
استفاده از ازن در صنایع میکرو الکترونیک
صنایع غذایی
مکان های آبی مانند استخرها و …
سیستم های آب خنک کن cooling towers

 

کاربردهای روش ازن زنی در تصفیه آب

ازن در تصفیه آب آشامیدنی برای اهداف مختلفی استفاده می شود

گندزدایی: برای گندزدایی باکتری ها، ویروس ها، انگل ها و غیره. از آنجایی که پیش تر هم گفته شد ازن یک ضدعفونی کننده قوی میباشد که 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 وغیره : 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 ۰/۴۳ میلیگرم به ازای میلیگرم آهن و ۰/۸۸ میلیگرم 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 ها Geosmin  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 می باشد.

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 مانند geosmin ها و MIB ها تاثیرگذاری چندانی ندارد.

استفاده از ازن به تنهایی و یا به همراه هیدروژن پراکسید و یا UV در حذف ترکیبات ایجاد کننده بو و مزه شامل Geosmin ها و MIB  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 می تواند 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 ppb 80 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.

 

کاربرد فرایند ازن زنی در بهبود فیلتراسیون و فرایند 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.

 

کاربرد روش ازن زنی در 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

 

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 از ppm ۰/۱ حجمی (mg/m3 NTP 0/2) 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 می کند.

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

جذب 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  UV ساخته شده و به محفظه ی هوا فرستاده میشود مقدار اشعه UV جذب 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.

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 می شوند.

 

اندازه گیری ازن در آب

اندازه گیری ازن در آب به روش های گوناگونی به شرح زیر انجام می شود :

کیت سنجش ازن – کیت اندازه گیری ازن باقی مانده به روش رنگ سنجی

سنسور یا آنالایزر ازن آنلاین