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技術(shù)文章臭氧在水中的溶解度
發(fā)布時(shí)間：2023-04-26 00:00:00 點(diǎn)擊次數(shù)：3433次| 臭氧在水中的溶解度 |
關(guān)于某種氣體例如臭氧發(fā)生器的臭氧在水中溶解的推動(dòng)力，是用在試驗(yàn)使用的壓力和溫度下，溶解氣體的實(shí)際濃度（ CL ）與飽和濃度（ Cs ）之差表示的。
有關(guān)溶解氣體飽和濃度的理想表達(dá)式如下
Cs /（Kg/m3）= bMPg
式中 M——氣體的質(zhì)量比容，kg/m3；
Pg——氣體在一定氣相內(nèi)的分壓。
對(duì)臭氧發(fā)生器的臭氧來(lái)說(shuō)，M是2.14；而氧的M是1.43。
在0℃下壓力為1.02kgf/cm2（760mmHg）的純氣體，臭氧和氧的吸收系數(shù)分別等于0.65和0.049。這等于說(shuō)明，純臭氧比純氧更易溶于水，其溶解度大約是純氧的13.3倍。
以臭氧為基準(zhǔn)，在1atm和0℃下各種氣體的相對(duì)吸收系數(shù)表1-1所示。
表1-1 臭氧化有關(guān)氣體的溶解度
| 氣體 | 臭氧 | 氧 | 氮 | 二氧化碳 | 氯 | 二氧化氯 |
| 容積/容積 | 0.65 | 0.049 | 0.0235 | 1.71 | 4.54 | ≈ |
| b o3/b生氣 | 1 | 13.3 | 27.7 | 0.38 | 0.14 | 0.01 |
| Cs/Kg/m3 | 1.4 | 0.07 | 0.03 | 3.36 | 14.4 | 180 |
在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)臭氧深于水中時(shí)遵循“亨利定律”。這意味著在一定溫度下
除分壓以外，其他物理參數(shù)也能對(duì)臭氧在水中溶解度產(chǎn)生影響，zui主要的影響參數(shù)是液相的溫度。本生系數(shù)值（m3氣體/m3水）隨溫度的函數(shù)的變化而變化，如5-2所表明的，它也隨空氣混合氣溫度的函數(shù)的變化而變化。
盡管臭氧發(fā)生器的臭氧在水中的溶解度比氧在水中的溶解度高很多，但很少需要1gO3/m3水以上的濃度。同時(shí)2gO3/m3（溶解剩余）也是很難達(dá)到的，這是由于當(dāng)前僅有臭氧濃度極小的工藝氣體可用的緣故。
臭氧在水中溶解度的眾多研究者之一的羅森（Rawson）指出是：我們惟一可以一致同意的是，至少在l～20gO3／m3氣的濃度范圍內(nèi)，并在空氣中的分壓直到I％時(shí)，它是遵循亨利定律的。
當(dāng)工藝氣體中臭氧的分壓低時(shí)，同氣相平衡的溶解濃度也低。雖然關(guān)于這個(gè)主題依然可能存在爭(zhēng)議，但圖5—3給出實(shí)際上能達(dá)到平衡的zui有效數(shù)據(jù)。實(shí)際上，試驗(yàn)數(shù)據(jù)往往是動(dòng)態(tài)條件下的，此時(shí)工藝氣體是被擴(kuò)散或鼓泡進(jìn)人到靜止或流動(dòng)的液體里的。
在試驗(yàn)中，進(jìn)氣和出氣流量的正確測(cè)量往往存在問(wèn)題。除物理溶解外，一些次要效應(yīng)也可影響實(shí)際平衡（例如：液相的pH值既影響溶解度比，也影響溶解臭氧的分解率，或者液相有催化劑或其他化合物存在）。因此，圖5—3的數(shù)據(jù)，雖然一般可采用，但對(duì)于特殊情況，必須看成是輔助的。
在任一已知工藝氣體中臭氧濃度（g／m3）條件下，與液相相半衡的臭氧壓力將隨氣相總壓力的增長(zhǎng)而增加。如果氣相總壓力p下，工藝氣體中的臭氧濃度是C，同液相相平衡的臭氧分壓就等于pC。換句話說(shuō)，提高壓力有利于臭氧溶解。
在大規(guī)模應(yīng)用中所用設(shè)備的實(shí)際阻力一致的情況下，氣相臭氧很少能壓縮到壓力高于2bar（1bar=105Pa），zui常見(jiàn)的工藝把含臭氧工藝氣體的總壓力限制到1.5bar（壓力）。間接加壓，亦即改變氣相將在其內(nèi)擴(kuò)散的液相的壓力，這對(duì)擴(kuò)；裝置采說(shuō)是常有的事。
當(dāng)用空氣作為臭氧化過(guò)程工藝氣體時(shí)，可獲得平衡狀態(tài)下氧餉和的水，相當(dāng)于一定水溫下含氧20.9496（容積）的混合氣體。
通過(guò)臭氧（以及氧和其他少量諸如氮氧化物等附帶氣體）的溶解，排出的尾氣同標(biāo)準(zhǔn)空氣組成相比，氮?dú)飧患?/span>0.596～1％（容積）。所以，同空氣平衡溶解度相比，臭氧化水或許能使氮?dú)馊芙饴猿蔬^(guò)飽和。氮?dú)獾闹饾u富集是工藝氣體循環(huán)帶來(lái)的問(wèn)題之一。
當(dāng)氧氣或富氧空氣用作工藝氣體時(shí)，上述現(xiàn)象加重。在此情況下，水總是明顯地為氧過(guò)飽和，并逸出富氮?dú)怏w。濃度適中的鹽水（例如水中溶有lkg／m3固體）中氮和氧的溶解平衡，文獻(xiàn)中已有介紹。
N2和O2在不同水溫的平衡．溶解濃度示于圖5-4和圖5-5。此處仍然是遵循亨利定律的，而且總壓力（如果不是lkgf／cm2）可線性地求得低于2kgf／cm2的值。如早先確認(rèn)的氮吹脫和氧溶解的實(shí)際量，在任何情況下都必須進(jìn)行系統(tǒng)考慮。圖5-6和圖5-7給出的是泰爾費(fèi)（Tailfer）水處理廠使用的有氣水環(huán)流渦輪臭氧接觸裝置的氮吹脫量和氧溶解量。
當(dāng)在較高壓力下工作時(shí)，例如用在填料塔，氧和氮的溶解比均隨壓力線性增長(zhǎng)直到壓力等于1MPa。利用此項(xiàng)技術(shù)，可避免為了在循環(huán)氣體中脫除氮?dú)舛诺舨糠治矚狻槭怪?jīng)濟(jì)適用所需要的條件是，加壓技術(shù)固有的“超量溶解氮”在水處理過(guò)程中必須是的和可利用的。污水凈化中有這樣的事例，并且成為臭氧化階段應(yīng)用富氧工藝氣體的赫希斯特（Hoechst）法（前聯(lián)邦德國(guó)）的根據(jù)。除臭氧化本身外，整個(gè)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性靠選擇填料接觸塔工作壓力之間關(guān)系、工藝氣體的N2／O2比以及水的需氧量來(lái)實(shí)現(xiàn)。在聯(lián)邦德國(guó)杜伊斯堡應(yīng)用中也介紹了類(lèi)似成果。
當(dāng)采用富氧工藝氣體臭氧化時(shí)，因氧和氮溶解度比率引起的經(jīng)濟(jì)上的考慮，經(jīng)常使得將臭氧和伴隨氣體溶解于小股水流中似乎很有吸引力。這一小股水可以是待處理水的一部分，也可以是補(bǔ)充的清水。除非在污水經(jīng)大量充氣的情況下，該法實(shí)地應(yīng)用可能存在問(wèn)題，這將在后面予以討論。
例如，在臭氧化實(shí)際應(yīng)用中，一級(jí)噴射階段工藝氣體體積（以標(biāo)準(zhǔn)立方米m3表示）一般不超過(guò)所接觸水體積的20％。作為飲水處理zui終階段的臭氧化中，氣水體積比（m3氣／m3水）一般約為1：100因此，臭氧擴(kuò)散和接觸技術(shù)對(duì)．氣體吹脫往往只有輕微作用，故而要求較高的氣液比。即使有烴類(lèi)物質(zhì)存在，也遠(yuǎn)低于尾氣爆炸濃度低限。當(dāng)氯氣以游離氯形式存在，其濃度小于1.408×10—5mol幾（1mg／L）時(shí)，能使尾氣中的氯上升到微量，如<2.23×10—9mol／L。在這些含量下其毒性危險(xiǎn)是可以忽略的，不過(guò)，由于積累作用，該氣體有可能使做尾氣臭氧分解用的鈀催化劑中毒。三鹵甲烷（THM）濃度低于0.687mol／L（100mg／m3）時(shí)，臭氧化過(guò)程中所用的氣水比，很少能通過(guò)氣體吹脫去除0.208mol幾（10mg／m3）。然而，在三鹵甲烷生成和降解的反應(yīng)過(guò)程期間，由于臭氧可能產(chǎn)生的影響，上述分析是有問(wèn)題的。在所有接觸和擴(kuò)散系統(tǒng)中，尾氣是按照操作壓力和溫度的平衡條件為水蒸氣所飽和的。
根據(jù)以上論述可以看出，臭氧在低壓（p≤0．05MPa）下的溶解，即使工藝氣體中臭氧的濃度低；如≤3．125×10—4mol幾（15gO3／m3空氣），平衡濃度Cs值也能達(dá)到2.083×10—4mol幾（10gO3／m3水）。事實(shí)上，在實(shí)際工作中使用現(xiàn)有接觸系統(tǒng)，這樣的平衡濃度是不可能達(dá)到的，這緣于以下一些因素：
（1）臭氧吸收動(dòng)力學(xué)及尾氣中臭氧的損失；
（2）臭氧在溶解過(guò)程中或溶解后隨即的反應(yīng)；
（3）水中溶解臭氧的分解；
（4）因接觸設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)而破壞的臭氧；
（5）接觸過(guò)程中，臭氧與靠近“密集臭氧氣泡”附近基質(zhì)的反應(yīng)。
在上述影響下，臭氧接觸裝置的實(shí)際吸收量常表示為
在擁有各種接觸設(shè)備以及具有不同工藝氣體和水流物理?xiàng)l件的現(xiàn)行處理廠內(nèi)，此值是用作安全裝置的臭氧接觸控制與測(cè)定的參數(shù)。
經(jīng)過(guò)充足反應(yīng)時(shí)間如≥6min后，溶解的臭氧濃度值，是監(jiān)測(cè)臭氧劑量的常用參數(shù)。
不過(guò)，臭氧在過(guò)程中的實(shí)際化學(xué)質(zhì)量平衡應(yīng)是：
某一臭氧投配量=尾氣中臭氧+水中剩余臭氧+反應(yīng)的臭氧十分解的臭氧
在實(shí)際臭氧接觸條件下，上式中后兩項(xiàng)參數(shù)往往是不可測(cè)的。
臭氧分解成氧或者更穩(wěn)定的含氧分子（官能團(tuán)），通過(guò)熱分解及離子或游離基反應(yīng)進(jìn)行。
的水中臭氧的分解依一系列參數(shù)而定，除了溫度和可能存在的催化劑之外，其中zui重要的是pH值。在pH值為7時(shí)；剩余臭氧的半衰期實(shí)際上可從2rain到30min不等，一般在不太干凈的水中分解快些。此外，功力學(xué)方程式的確切形式可能十同，不過(guò)一般實(shí)際應(yīng)用可用一級(jí)關(guān)系描述反應(yīng)初始階段的分解速率。圖5-8給出泰爾費(fèi)水廠（布魯塞爾）水中剩余臭氧分解的實(shí)例。
分解速度隨pH值的增加而增加。實(shí)際遇到的水體pH值都等于或大于6，臭氧半衰期隨pH值的提高呈線性下降。
此處指出的這些一般概念，有助于對(duì)實(shí)際系統(tǒng)中擴(kuò)散設(shè)備的評(píng)價(jià)。事實(shí)上，臭氧在堿性pH值下作用時(shí)，由于反應(yīng)物質(zhì)和催化效應(yīng)兩方面的原因，有可能與中性pH值下作用時(shí)的機(jī)理不同
資料來(lái)源：青島維斯特凈化設(shè)備 趙德平
