1. Otsonin perustiedot
Otsoni, jonka molekyylikaava on O3, on hapen (O2) allotrooppi. Otsonimolekyyli koostuu kolmesta happiatomista, joista yksi on yhdistetty kahteen muuhun yksinkertaisella sidoksella. Otsonia ylistetään "vihreäksi kemikaaliksi", vahvaksi hapettimeksi, jolla on neljä päätehtävää: sterilointi, värinpoisto, hapetus ja hajunpoisto. Sillä on myös etuja, kuten jäämätön ja toissijainen saastuminen, mikä tekee siitä ympäristöystävällisen vihreän teollisuuden raaka-aineen.
Otsonilla on erittäin voimakas hapetuskyky, ja sen redox-potentiaali on 2,07 mV. Otsoni hapettaa orgaanista ainetta kahdella tavalla: ensinnäkin otsonimolekyylit hapettavat orgaanista ainetta selektiivisesti suoraan, eli suoraan hapettuvat, mutta reaktionopeus on suhteellisen hidas; toiseksi se hapettaa nopeasti orgaanista ainetta ei--selektiivisesti sen oman hajoamisen eli epäsuoran hapettumisen synnyttämien hydroksyyliradikaalien (·OH) kautta. Varsinaisissa vedenkäsittelyreaktioissa otsonin tehokkuus orgaanisen aineen poistamisessa on suoran ja epäsuoran hapettumisen päällekkäisyys, ja näiden kahden reaktion eteneminen riippuu erilaisista reaktio-olosuhteista. Epäsuora hapetus tunnetaan myös edistyneenä hapetusteknologiana.
2. Otsonin valmistus
Otsonia voidaan valmistaa eri menetelmillä. Vedenkäsittelyssä käytetään yleisesti korkeajännitteistä{1}}ääntäpurkausta. Otsonin valmistuksen raaka-aineet ovat pääasiassa ilmaa tai happea. Kun kaasun lähteenä käytetään ilmaa, otsonipitoisuus on vain noin 1 %, kun taas happea käytettäessä otsonipitoisuus voi olla 10 % (massa) tai enemmän.
3. Edistyksellinen otsonihapetustekniikka
Yhden otsonin hapetusteknologialla on merkittäviä rajoituksia: yksittäinen otsoni ei voi hapettaa joitain vastahakoisia orgaanisia yhdisteitä, kuten kloroformia; Yksittäinen otsonihapetus ei pysty hajottamaan orgaanista ainetta kokonaan hiilidioksidiksi ja vedeksi, ja korkean COD-poistotehokkuuden saavuttaminen on vaikeaa. Edistykselle otsonihapetusteknologialle, joka tunnetaan myös nimellä syvähapetustekniikka, on ominaista erittäin hapettavien hydroksyyliradikaalien (·OH) tuottaminen (hydroksyyliradikaalien (·OH) redox-potentiaali on 2,80 V, toiseksi vain fluorin jälkeen). Reaktio-olosuhteissa, kuten korkeassa lämpötilassa, korkeassa paineessa, sähkössä, äänessä, valosäteilyssä ja katalyyteissä, se hapettaa suuret, vastahakoiset orgaaniset molekyylit vähä-myrkyllisiksi tai myrkyttömäksi pieniksi molekyyleiksi.
1) Fotokatalyyttinen otsonihapetustekniikka
Fotokatalyyttinen otsonihapetus ei käytä otsonia suoraan reagoimaan orgaanisen aineen kanssa. Sen sijaan se käyttää aktiivista sekundaarista hapetinta (·OH), joka syntyy otsonin hajoamisesta ultraviolettivalossa orgaanisen aineksen hapettamiseksi. Otsonin ja orgaanisen aineen välinen reaktio yksin on selektiivinen, eikä se pysty hajottamaan orgaanista ainetta kokonaan hiilidioksidiksi ja vedeksi. Otsonin hapettumisnopeuden ja tehokkuuden parantamiseksi on toteutettava muita toimenpiteitä otsonin hajoamisen edistämiseksi aktiivisen ·OH:n tuottamiseksi.
2) Homogeeninen katalyyttinen otsonihapetustekniikka
Homogeenisessa katalyyttisessä otsonoinnissa käytettävät katalyytit ovat yleensä siirtymämetalleja, kuten Fe(II), Mn(II), Ni(II), Co(II), Cd(II), Cu(II), Ag(I), Cr(III) ja Zn(II). Tarkka (mikro-annos, ppb-taso) otsoni-katalysoivien ionien lisäys jäteveteen saavutetaan tehonsäädöllä, mikä saattaa loppuun edistyneen hapetusreaktion, joka synnyttää hydroksyyliradikaaleja, jotka poistavat epäpuhtauksia jätevedestä.
3) Heterogeeninen katalyyttinen otsonihapetustekniikka
Tämä tekniikka käyttää tyypillisesti kiinteää hapettimen kantaja-ainetta (koostuu usein alumiinioksidista tai synteettisestä zeoliitista). Katalyytin vaikutuksesta otsoni hajoaa muodostaen voimakkaasti hapettavia hydroksyyliradikaaleja (·OH), mikä hajottaa vedessä olevia orgaanisia epäpuhtauksia.
4. Todellinen sovellus
Kunnallinen jätevedenpuhdistamo on suunniteltu käsittelemään 100 000 tonnia/vrk, mutta sen todellinen puhdistuskapasiteetti on 90 000 tonnia/vrk. COD-päästöstandardien (vähintään 40 mg/l) täyttämiseksi käytetään homogeenista katalyyttistä otsonin hapetustekniikkaa, jossa käytetään kolmea otsonigeneraattoria (kummankin kapasiteetti on 42 kg/h, kaksi käytössä ja yksi valmiustilassa). Prosessivirtaus on seuraava: otsonigeneraattori → tuottaa otsonikaasua → kuljettaa sen putkistojen kautta suihkupumpun sisääntuloon → liukenee jäteveteen suihkusuihkulla → tuottaa ·OH:ta homogeenisen katalyytin vaikutuksesta → suorittaa hapetusreaktion otsonikatalyyttisen hapetussäiliössä.
1) COD-hajoamisen ja värinpoiston suorituskyky
Jätevedenkäsittelykapasiteetti: 90 000 tonnia/vrk. Tällä hetkellä yksi otsonigeneraattori on toiminnassa, asetettu 40 kg/h, todellinen tuotantonopeus 34 kg/h (otsonin virtausnopeus x otsonipitoisuus). Otsonin annostus on 9,1 mg/l. Tämä vähentää COD:stä 45:stä 30 mg/l:aan ja värin 40:stä 5:een, mikä saavuttaa jätevesien "Yhdyskuntajätevedenkäsittelylaitosten pääasiallisen vesisaastepäästöstandardin" (DB33/2169-2018) vaatimukset.
2) Virrankulutus
Vaikka otsoni tunnetaan vihreistä ja ympäristöystävällisistä ominaisuuksistaan, sen valmistukseen liittyvät korkeat energiankulutukset ja käyttökustannukset ovat kiistattomat. Käytettäessä ilmaa kaasulähteenä tehonkulutus on noin 20 kWh/kg otsonia; käytettäessä happea kaasulähteenä tehonkulutus on noin 10 kWh/kg otsonia. Todellisen paikan päällä tapahtuvan-käytön perusteella virrankulutus on 13 kWh/kg otsonia kesällä ja 11 kWh/kg otsonia talvella. Kesäisten korkeiden ulkolämpötilojen vuoksi otsonigeneraattorin jäähdyttämiseen tarvitaan jäähdytin, kun taas talvella vain levylämmönvaihdin on kytkettävä päälle normaalin toiminnan varmistamiseksi.