2
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ . .. 6
Основные обозначения ..... . 15
ГЛАВА 1. БАРЬЕРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В
ГЕНЕРАТОРЕ ОЗОНА И СОПУТСТВУЮЩИЕ ЯВЛЕНИЯ 19
1 1 Свойства и способы получения озона 19
1 2 Электрические явления в озонном барьерном разряде и их ха- ^
рактеристики
1 3 Тепловые явления в элементах озонатора . 40
I 4 Кинетика образования озона . . 48
1 4 1 Стадии образования озона в электрическом разряде 48
1 4 2 Фактор времени в процессе образования озона 54
1 4 3. Особенности образования озона при барьерном разряде в воздухе . 57
1 5 Особенности течения газа в разрядном промежуїке озонатора 60
Выводы по первой главе . 65
ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ БАРЬЕРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОЗОНАТОРА В ГИДРОДИНАМИЧЕСКОМ ПРИБЛИЖЕНИИ (ЛАМИНАРНЫЙ РЕЖИМ) 66
2 1 Постановка задачи математического моделирования барьерною
электрического озонатора .... 66
2 2 Расчет энергетических характеристик озонатора . 72
2 2 1 Энергетические характеристики озонатора с равномерной толщиной разрядного промежутка 72
2 2 2 Энергетические характеристики озонатора с переменной толщиной разрядного промежутка . . 74
2 3 Обобщение кинетического уравнения образования озона . 77
3
2.3Л. Обобщение кинетического уравнения для случая ламинарного потока кислорода................................ 78
2.3.2. Обобщение кинетического уравнения для случая воздуха.. 80
2.3.3. Моделирование зависимости констант образования и разложения озона от температуры............................ 87
2.4. Моделирование течения газа в разрядном промежутке ^
озонатора.................................................
2.4.1. Стандартный вариант озонатора......................... 90
2.4.2. Озонатор с вращающим магнитным полем.................. 91
2.5. Моделирование тепловых явлений в элементах озонатора 97
2.6. Особенности реализация алгоритмов модели.................... 106
2.6.1. Конечно-разностные схемы для поля температуры........ 106
2.6.2. Особенности расчета поля концентрации озона........ 111
Выводы по второй главе.................................... 114
ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ОЗОНАТОРОВ С ТУРБУЛЕНТНЫМ ТЕЧЕНИЕМ ГАЗА 115
3.1. Особенности моделирования поля скоростей в газе при его турбулентном течении через разрядный промежуток................ 115
3.2. Особенности тепловых явлений в озонаторах с турбулентным
течением газа в разрядном промежутке........................ 117
3.2.1. Моделирование распределения температуры в озонаторах
с турбулентным течением газа с системой охлаждения.......... 117
3.2.2. Моделирование распределения температуры в озонаторах
без системы охлаждения и турбулентным течением газа 123
3.3. Кинетические уравнения образования озона при турбулентном
течении озонируемого газа через разрядный промежуток 125
3.4. Моделирование барьерного электрического озонатора с многократным турбулентным прохождением газа через разрядный
4
промежуток . . . . 126
3 5 Исследование электрической зараженности озонированного газа
при турбулентном режиме работы озонатора 129
3 6 Явление очищения электродов барьерного озонатора при тур-
булентном режиме течения озонируемого газа 136
36 1 Расчет электрических сил 138
3 6 2 Расчет гидродинамических сил . 139
3 6 3 Сравнение сил .... 141
Выводы по третьей главе .... 143
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИХ
ОБСУЖДЕНИЕ 144
4 1. Экспериментальная проверка модели . 144
4 1.1 Зависимость концентрации озона от удельной энергии разряда при производстве озона из кислорода 146
4.1 2. Зависимость концентрации озона от удельной энергии разряда при производстве озона из воздуха 147
4.1.3 Зависимость концентрации озона от расхода газа при производстве озона из воздуха ... 151
4.1.4 Распределение концентрации озона по толщине газового
слоя в разрядной зоне............................... . 151
4 1 5. Производительность озонатора .... 154
4.1 6 Температура в разрядном промежутке озонатора 156
4 2 Исследование некоторых физико-химических явлений па модели барьерного электрического озонатора . 159
4 2 1 Скорость течения газа в разрядной зоне 159
4 2.2 Распределение температуры газа в разрядной зоне 160
4 2 3 Анализ поля концентрации озона в разрядной зоне 163
4 2.4. Исследование производительности озонатора.......................... 168
4 3 Задачи оптимизации, разрешимые на построенной модели барь-
5
ериого электрического озонатора .................... . 172
Выводы по четвертой главе............................... 173
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОЗОНАТОРОВ ДЛЯ НЕКОТОРЫХ
СПЕЦАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ РАБОТЫ................... 174
5.1. Необходимость применения озонаторов для нейтрализации
продуктов сгорания твердого ракетного топлива 174
5.1.1 Исследование процессов на различных стадиях развития и обработки струи продуктов сгорания твердого ракетного топлива...................................... . . . 174
5.1 2. Проблемы и целесообразность применения озона для совершенствования системы улова и нейтрализации различных компонент сгорающего на стенде ракетного топлива .... 180
5.1.3. Исследование процесса электризации мелкодисперсного корунда, образующегося при утилизации твердого ракетного
топлива ..................................
5 2. Устройства для коагуляции аэрозольного корунда при
утилизации сгорающего твердотопливного ракетного заряда 187
5.3. Барьерный электрический озонатор для стенда по утилизации
твердотопливного ракетного заряда ........... ... 195
5 3 1. Озонатор без системы принудительного охлаждения с ламинарным потоком озонируемого газа. .. 196
5.3.2 Барьерный электрический озонатор с температурной динамикой и многократным турбулентным прохождением газа
через разрядный промежуток ..................... ... 207
5 4. Расчет озонатора «ЭЛИТА» .................................... 212
5.5. Озонатор «МАГИКА».......................................... 215
Выводы по пятой главе........................................ 221
ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................ 222
Список использованной литературы.................................. 224
Приложения........................................................ 238
6
ВВЕДЕНИЕ
Диссертация посвящена проблеме совершенствования конструкций барьерных электрических озонаторов (БЭО) и способов их применения
Актуальность темы В настоящее время в промышленных городах и их окрестностях очень остро обстоит дело с охраной здоровья человека и окружающей среды. Многое здесь усложняется из-за набирающего силу техногенного фактора (нефтедобыча, нефтепереработка, химическое производство, двигатели внутреннего сгорания, испытания новых образцов ракет, утилизация снимаемых с вооружения ракет путем выжигания твердого топлива их двигателей и т д ) Одним из современных, экологически чистых и эффективных способов нейтрализации вредных химических и биологических примесей в воде и воздухе, являезся способ озонирования С помощью озона можно очищать выбрасываемые промышленными предприятиями газы, природные и сточные воды, производить санигар-ную обработку помещений, увеличивать сроки хранения сельхозпродуктов, обрабатывать гноящиеся раны, очищать кровь, повышать КПД двигателей внутреннего сгорания, уменьшать их токсичность и тд При решении экологических, гигиенических и медицинских проблем с помощью искусственно синтезированного озона человек помогает природе ускорять ее естественный процесс самоочищения
В промышленных объемах озон получают с помощью барьерного электрического разряда в потоке кислорода или воздуха в БЭО (аппаратах для электросинтеза озона).
Однако озонные технологии не получают широкомасштабною распространения из-за большой их энергоемкости, материалоемкости, высокой стоимости и недолговечности аппаратуры, а также высокой требова-
7
тельности к обслуживанию. Все это свидетельствует о наличии проблемы для научного решения - проблемы совершенствования барьерных электрических озонаторов и способов их применения.
В зависимости от решаемой с помощью озона задачи требуются различные его количества: от граммов (при дезинфекции воды) до тонн (при выжигании твердотопливных ракет). В БЭО газ пропускается через узкий зазор 2 (рис. 0.1), между электродами 1 и 4, подключенными к источнику переменного тока высокого напряжения. Между электродами находится диэлектрический барьер 3, обеспечивающий тихий разряд, в котором и происходит образование озона.
0
о
о
О -
о
о
о
о 2
0 \
Рис. 0 1 Схема разрядного промежутка барьерного электрического озонатора:
1,4 - металлические электроды,
2 - разрядный промежуток;
3 - диэлектрический барьер;
5 - охлаждающая жидкость
В связи с разнообразием сфер применения озона в настоящее время существует потребность в конструировании озонаторов с очень разнообразными целевыми назначениями и с соответственно заданными производительностью и концентрацией озона в выходящем газе. При разработке новых конструкций озонаторов важно иметь, по возможности, наиболее точные расчеты их геометрических размеров, значений потребляемой мощности, режимов охлаждения и расходов исходного газа в зависимости от требующихся производительностей озонаторов и концентраций озона.
8
Продолжительно работающие в ламинарном режиме озонаторы страдают существенным недостатком* происходит загрязнение их диэлектрических барьеров, которое ведет к снижению производительности озонаторов и выходу их из строя В связи с этим актуален вопрос поиска путей повышения надежности и увеличения долговечности озонаторов Не менее важен при электросинтезе озона вопрос эффективности энергозатрат.
В настоящее время начинает развиваться применение озонной техники для обеззараживания воздуха В связи с этим возникает необходимость исследования возможностей использования озонаторов как источников отрицательно заряженного газа
Решение обозначенных частных проблем затруднено отсутствием комплексной модели процессов в барьерном электрическом озонаторе
Исследованию отдельных сторон электросинтеза озона посвящено много экспериментальных и теоретических работ. Однако, узость разрядного промежутка в озонаторе (1-4 мм) и высокое прикладываемое напряжение (10-20 кВ) значительно затрудняют экспериментальные исследования Поэтому все известные их результаты имеют характер разрозненных фактов
Известные же до недавнего времени теоретические модели процессов в БЭО страдают рядом существенных недостатков кинетические уравнения образования озона лишь только на небольшом участке значений удельных энергий адекватны описываемым процессам, известные модели не объясняют и не учитывают неоднородности полей температуры и скорости газа в разрядном промежутке БЭО, а также не учитывают возможной температурной динамики в озонаторе и ее влияния на электросинтез озона Отмеченные и некоторые другие обстоятельства не позволяют решать проблему совершенствования уже имеющихся и конструирования новых БЭО
9
Поэтому целью работы явилось создание теории математического моделирования процессов в барьерных электрических озонаторах, которая позволяла бы совершенствовать генераторы озона и способы их применения.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи
1) исследованы приоритеты влияния различных факторов на интенсивность электросинтеза озона в БЭО,
2) получено обобщение кинетического уравнения образования озона из кислорода, учитывающее неоднородность поля скоростей, поля температуры и активной мощности в озонаторе,
3) построена модель тепловыделения в барьерном разряде,
4) получено и использовано в модели обобщение формулы для определения активной мощности БЭО,
5) аппроксимирована зависимость поля концентрации озона в разрядном промежутке озонатора при его производстве из воздуха,
6) построена модель БЭО с турбулентным течением озонируемого газа,
7) исследованы причины загрязнения электродов БЭО и найдены условия их самоочищения,
8) выявлены преимущества озонаторов с турбулентным потоком озонируемого газа перед озонаторами с ламинарным режимом,
9) построена и реализована комплексная математическая модель БЭО в гидродинамическом приближении, позволяющая рассчитывать оптимальные режимы работы озонаторов,
10) построены и реализованы модели БЭО со специальными назначениями
Новизна работы заключается в том, что в ней впервые - построена комплексная модель процессов, происходящих в БЭО, в их взаимосвязи,
10
- при моделировании кинетики электросинтеза озона учтены неоднородности полей температуры и скорости озонируемого газа в разрядном промежутке,
- исследованы особенности и доказаны преимущества озонирования турбулентного потока воздуха в сравнении с ламинарным,
- доказана возможность использования озонаторов для улова нанодисперсного корунда при выжигании твердотопливных ракет,
- доказана возможность применения озонаторов с температурной динамикой
Достоверность научных результатов основывается на применении методов, использующих классические законы физики, гидродинамики, теплофизики, аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений, сопоставления результатов расчетов с экспериментальными измерениями Новизна научных результатов диссертационной работы подтверждена двумя полученными патентами на изобретения, одним патентом на полезную модель и положительным решением по одной заявке на изобретение.
На защиту выносятся следующие положения и результаты исследования.
- положение о существенном влиянии неоднородности поля скоростей и поля температуры в разрядном промежутке на поле концентрации озона в нем;
- обобщение кинетического уравнения образования озона в кислороде и воздухе,
- методика применения кинетических уравнений образования озона в барьерном электрическом разряде, учитывающая неоднородность поля температуры и поля скоростей в разрядном промежутке,
- методика расчета тепловых явлений в озонаторе,
11
-математические модели барьерных электрических озонаторов для ламинарного и турбулентного потоков озонируемого газа,
- положение о преимуществе БЭО с турбулентным потоком озонируемого газа перед озонаторами с ламинарным потоком,
- положение о возможности применения БЭО с турбулентным потоком газа в качестве транспортера зарядов для электростатического генератора Ван-де-Г раафа,
- новый метод математического моделирования процессов в барьерных электрических озонаторах, учитывающий неоднородности нолей скорости и температуры озонируемого газа,
- разработанный на основе применения барьерных электрических озонаторов метод улова нанодисперсного корунда при сжигании зарядов твердотопливных ракет.
Практическая ценность работы Проведенные автором на основе построенных моделей озонаторов численные эксперименты, позволили сконструировать и успешно построить несколько типов озонаторов, предназначенных для работы в условиях испытательного экологического стенда твердотопливных ракет МБР РВСН, а также в других специальных условиях работы. Предложенный метод применения барьерных электрических озонаторов для улова мелкодисперсного корунда при сжигании зарядов твердотопливных ракет, принят к реализации в НИИПМ (г Пермь). Разработанные алгоритмы и составленные программы расчета электрических озонаторов используются для модельных численных экспериментов с проектируемыми озонаторами на предмет оптимизации их режимов работы
Апробация работы Материалы, содержащиеся в диссертации, обсуждались на Пермском гидродинамическом семинаре в 1991г (рук -проф. Г 3 Гершуни и Е.М.Жуховицкий), на семинаре кафедры элекгротех-ники ПЛИ в 1992 г. (рук проф Н В Шулаков), на Пермском МГД-семинаре в 1993 г. (рук. иностранный член АН Латвии И М Кирко), в
12
конструкторском бюро завода Курганхиммаш в 1991 г, на научных конференциях в Магнитогорском госуниверситете в 1992- 2004 гг На заседании Пермского городского гидродинамического семинара (ЛГУ, рук проф Любимов Д В.) 1999 г и 2003 г На VIII съезде по теоретической и прикладной механике в 2001 г. в г Перми, на 3-й Российской конференции по теплоэнергетике в 2001 г в г Казани, на 22-м Всероссийском семинаре ’’Синтез озона и современные озонные технологии” в МГУ им М В Ломоносова в 2001 г., на четвертом совещании но магнитоплазменной аэродинамике в аэрокосмических приложениях в ИВТ РАН в 2002 г , на семинаре в институте технической химии УрО РАН в 2002 г, на заседании научного семинара в Пермском военном ракетном институте (рук проф Трефилов В А) в 2003 г
Личный вклад автора В целом полностью самостоятельно автор выполнил 38 работ, а 16 работ выполнено в соавторстве (участие в равных долях) Автору принадлежат соответственно номерам в списке использованной литературы в конце диссертации [46] - построение модели, составление программы и расчет, обсуждение результатов,[47] - постановка задачи, расчет, обсуждение результатов, [48] - участие в проведении экспериментов, аналитический расчет, [49] - расчет и обсуждение результатов, [50] - расчет и обсуждение результатов, [51] - участие в проведении экспериментов, аналитический расчет, [52] - математическое моделирование генератора озона, [53] - идея, обсуждение результатов, [54] - построение моделей, расчет, обсуждение результатов, [55] - построение моделей, расчет, участие в проведении экспериментов, обсуждение результатов, [56] -построение моделей, расчет, обсуждение результатов, [57] - гипотеза, моделирование, оформление, [58]- модели, расчеты, обсуждение и оформление результатов; [59] - идеи, обсуждение результатов, оформление, [60] -участие в проведении экспериментов, аналитический расчет, [61] - построение модели, составление программы и расчет, обсуждение результатов
13
Исследования велись в соответствии с прошедшими гос регистрацию темами "Математическое моделирование барьерных электрических озонаторов в гидродинамическом приближении" (№ 108281 от 01 02 00) по линии Министерства образования РФ и "Разработка и создание озонной установки для совершенствования системы улова и нейтрализации продуктов сгорания на экологическом стенде испытаний и утилизации твердотопливных ракет двигателей МБР РВСН (П20005 ЭКОСТЕНД)" по линии Министерства обороны РФ
Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, список использованной литературы из 201 наименования и приложение Основной текст изложен на 223 стр и включает 72 рисунка и 26 таблиц Структура работы определяется целью и логикой исследования
В первой главе проведен анализ проблем на пути совершенствования барьерных электрических озонаторов, их физико-математического моделирования и применения На основе проведенного анализа сформулирована проблема исследования, выявлены противоречия, требующие разрешения, намечены возможные пути разрешения этих противоречий
Во второй главе строится математическая модель барьерного электрического озонатора в гидродинамическом приближении дая ламинарного случая течения озонируемого газа Разработана и обоснована сзруктура модели образования озона в барьерном электрическом разряде, кинетические уравнения которой учитывают гидродинамику течения газа, характер и интенсивность теплообмена Построенная модель позволяет получить зависимость концентрации озона в разрядном промежутке озонатора, учитывающую изменение гидродинамических и температурных условий в разрядном промежутке по пути следования частиц озонируемого газа через разрядную зону В обобщении кинетического уравнения образования озона учтено разное время пребывания частиц газа в разрядной зоне Произведен учет зависимости напряжения горения разряда от концентрации озона в зазоре Расчет производительности поперечных сечений зазо-
14
ра произведен интегральным способом по полю концентрации озона в зазоре.
В третьей главе построена математическая модель барьерного электрического озонатора в случае турбулентного течения озонируемого газа с системой охлаждения и без нее, с однократным и многократным прохождением газа через разрядный промежуток. Рассмотрен ряд особых возможностей в конструировании озонаторов. Исследованы физические условия для самоочистки разрядных промежутков озонатора за счет преобладания гидродинамических сил над электрическими.
В четвертой главе приведены и проанализированы результаты экспериментальной проверки построенного метода моделирования барьерного электрического озонатора в гидродинамическом приближении. Они свидетельствуют о приемлемости разработанного метода и его преимуществах перед другими методами. Здесь излагаются результаты анализа расчетов полей скорости течения газа, температуры и концентрации озона в разрядном промежутке озонатора, показывающие их характерные особенности и взаимообусловленности. Указаны пути оптимизации конструкций барьерных электрических озонаторов и их режимов работы с помощью построенной математической модели.
В пятой главе обосновываются и разрабатываются модели озонаторов для специальных условий работы: улавливание мелкодисперсного корунда при сжигании твердого ракетного топлива, очистка воды для больших и малых объектов потребления, очистка воздуха. Здесь вырабатываются рекомендации по устройству аппаратов для реализации этих процессов.
Все материалы диссертации изложены в 54 публикациях, среди которых 1 монография и 14 статей в журналах из списка ВАК. По 4-м заявкам в ФИПС получено 3 патента и одно положительное решение. По одной научной разработке присужден диплом лауреата конкурса «Инновация -2004» Правительства Челябинской области.
15
Основные обозначении
А - суммарная ширина (суммарный периметр) разрядных промежутков озонатора;
а - ширина разрядного промежутка;
В - вектор магнитной индукции;
С - концентрация озона в % объема;
С(х;у) - объемная концентрация озона в точке разрядного промежутка с координатами (х;у);
Сср(у) - среднее интегральное значение объемной концентрации озона в поперечном сечении разрядного промежутка на расстоянии у от входа;
Сб - электрическая емкость барьера;
С/7 - электрическая емкость газового промежутка;
ср - теплоемкость газа при постоянном давлении;
Э01 - относительный диаметр твердой частицы в разрядном промежутке;
с1 - толщина металлического электрода;
Е(0 - зависимость от времени удельных затрат энергии на производство озона;
/%>/ - электрическая сила, притягивающая заряженную твердую частицу к стенке разрядного промежутка;
Р&п - динамическая сила, отрывающая твердую частицу от стенки разрядного промежутка;
Н(у) - затраты энергии на синтез 1 кг озона на расстоянии^ 01 входа в разрядный прмежуток;
1ср - среднее значение электрического тока через озонатор;
/ - мгновенное значение тока смещения в озонаторе;
16
I(p(t) - зависимость от времени коэффициента поглощения света, к0(Г(х,у)) - значение константы образования озона в точке разрядного промежутка (х,у) с температурой газа Т(х,у), ki(ï(xyy)) - значение константы разложения озона в точке разрядного промежутка (х,у) с температурой газа Т(х,у),
- граничные поверхности между зонами,
/ - длина разрядного промежутка,
M(t) - зависимость от времени массовой производительности озонатора по озону,
Nu - число Нуссельта,
Р - мощность разряда,
Pi - мощность разряда, приходящаяся на единицу площади электродов,
Pfl - мощность выделения тепла в разряде, приходящаяся на I м2 площади его электродов,
Рт - мощность выделения тепла в разряде,
Рг - число Прандгля,
Ре - число Пекле, р - гидродинамическое давление,
Qi - объемный расход газа через озонатор,
Qm - массовый расход газа через озонатор,
Qx - объемный расход охлаждающей жидкости, q - объемная плотность мощности барьерного разряда, qr - объемная плотность мощности тепловыделения в газе, qb - объемная плотность мощности тепловыделения в диэлектриче ском барьере,
qsi - объемная плотность мощности тепловыделения в металле электрода,
</ш - поверхностная плотность мощности тепловыделения на границе
17
«газ-металл»,
Ке - число Рейнольдса,
&Л7 - суммарная площадь поперечных сечений разрядных промежутков озонатора,
7)%(х,у) - температура газа в разрядном промежутке,
Тб (х,у) - температура в диэлектрическом барьере,
Тм(х,у) - температура в металле электрода,
Тж - температура охлаждающей жидкости, і - время;
и - приложенное к электродам озонатора электрическое напряжение,
і/о - амплитуда приложенного к электродам озонатора электрического напряжения,
Цг - напряжение горения разряда, у - векгор скорости в газе,
№туро - среднеквадратическая кинетическая энергия турбулентного движения частицы,
РУьр - среднеквадратическая кинетическая энергия Броуновского движения частицы; и'(у) - энергия разряда, приходящаяся на единицу объема озонируемого газа;
у - плотность озона,
8 - толщина диэлектрического барьера;
А - толщина разрядного промежутка, е - диэлектрическая проницаемость вещества,
К о - электрическая постоянная;
;/ - динамический коэффициент вязкости газа,
X г - коэффициент теплопроводности газа,
Я б - коэффициент теплопроводности барьера,
18
А л/ “ коэффициент теплопроводности металла электрода, //о - магнитная постоянная,
// - магнитная проницаемость среды,
V - кинематический коэффициент вязкости газа,
/; - плотность вещества, ст - проводимость среды, со - круговая частота переменного напряжения, у - вектор Набла;
19
ГЛАВА 1
БАРЬЕРНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗРЯД В ГЕНЕРАТОРЕ ОЗОНА И СОПУТСТВУЮЩИЕ ЯВЛЕНИЯ
На основе известных научных публикаций здесь проводится анализ проблем электросинтеза озона и сопутствующих ему электрических, тепловых, гидродинамических и физико-химических явлений в их взаимосвязи
1.1. Свойства и способы получении озона
Газ озон впервые обнаружил КФ.Шенбайн в 1840 г по запаху, который появляется при окислении влажного фосфора на воздухе, и назвал его ozÇiv , что в переводе с греческого означает ’’пахнуть" [21]
Озон при атмосферном давлении и комнатной температуре имеет слабо голубой цвет и плотность 1,678 (по воздуху) [147] Он обладает характерным запахом, ощущаемым даже при разбавлении в соотношении 1 *500000. По токсикологическим нормам ПДК озона в воздухе - 1(Г5% В приземном слое атмосферы озон образуется обычно в ничтожных количествах у поверхности Земли при грозовых разрядах и при разложении органических веществ (в лесах - древесная смола и на берегах водоемов - водоросли). Содержание озона здесь не превышает 10'7 - КГ6 % В огромных количествах озон образуется на высоте от 10 до 50 км под действием излучения Солнца с наибольшей концентрацией на высоте 20-25 км [9] При температуре -112,3°С озон конденсируется в темно-синюю жидкость, обладающую парамагнитными свойствами
На окислительные свойства озона обратил внимание К Ф Шенбайн сразу же при его открытии В настоящее время установлено, что озон ()j легко отдает один атом кислорода, чем и обусловлена его сильная окисли-
20
тельная способность, уступающая только фтору Озон активно вступает во взаимодействие с минеральными и органическими веществами, в том числе и с плазмой клетки бактерий Скорость его действия, как обеззараживающего реагента, в 13-15 раз выше скорости действия хлора [147] Доказано, что с помощью озона может быть достигнута полная стерилизация воды [147] При обработке воды озоном споры и бациллы гнойного воспаления гибнут через 10 мин., а возбудители тифа и холеры - через 2 мин Из-за этого озон и нашел применение сначала в обеззараживании воды.
Первая опытная установка для озонирования воды была построена на фильтровальной станции в Париже [9]. В России экспериментальная установка озонирования воды была создана в 1905г. в г Санкт-Петербурге К настоящему времени озонирование воды в промышленных масштабах все больше и больше возрастает (1959г, США -136 тыс м /сут, 1963г, Франция -300 тыс м3 /сут, 1963г, Швейцария -380 тыс м'3/сут,, 1962г, Германия -200 тыс. м3 /сут, 1962г, Канада -130 тыс м3 /сут, 1981 г, Москва -1380 тыс м3 /сут, 1981 г ) [9 ]
Острота необходимости озонирования воды обусловлена тем, что по ряду квалифицированных оценок, к примеру [9], около 40% потребляемой в России водопроводной воды не удается очистить традиционными способами до современных требований ГОСТ Р51232-98 Одна из причин такого положения, по мнению автора [9] в том, что железо водопроводных систем оказывается катализатором дохлорирования фенолов, перевода при хлорировании воды малотоксичных диоксинов в высокотокеичные
В настоящее время озон получает все расширяющееся применение и в различных других областях. Применение озона в химической технологии позволяет находить перспективные пути получения некоторых химических соединений [73]. С помощью озона открыты пути лечения трудно излечиваемых кожных заболеваний [77]. Обработка крови озоном улучшает ее качества [72,192] Озон может применяться для коррекции легочной недостаточности в постреанимационном периоде больных [200] Добавление
21
озона в горючую смесь двигателей внутреннего сгорания улучшает их рабочие характеристики [153] Успешно применяется озон высокой концентрации для очистки поверхностей полупроводниковых чипов [151] Озон может служить одним из эффективных средств борьбы с патогенной микрофлорой на поверхности плодоовощной продукции и тем самым увеличивать сохранность этих продуктов питания [201] Предпосевная обработка семян пшеницы, ячменя, гороха, гречихи, проса, сорго значительно снижает поверхностно-семенную инфекцию, а некоторые ее виды устраняет совсем [201] Многие современные фармацевтические фирмы производят упаковку медикаментов в стерильной, содержащей озон, среде [151] Существенного повышения качества стирки и экономической эффективности, а также продления «срока жизни» белья добиваются в прачечных при стирке в озонированной воде [151] Значительные успехи применения озонирования достигнуты в очистке природных и сточных вод [13,163,167]
Химическим путем озон может быть получен при окислении белого фосфора воздухом или кислородом [135] Озон выделяется при электролизе химически чистой азотной кислоты, растворов серной кислоты и некоторых солей. Образуется озон при воздействии на кислород или воздух радиоактивного, рентгеновского или ультрафиолетового излучения В таблице 1 I [9], приведены равновесные концентрации озона в зависимости от температуры в воздухе при его ультрафиолетовом облучении
Ощутимое количество озона образуется и при каталитическом распаде высококонцентрированной перекиси водорода
Таблица 1 1
Температура, К (°С) 293 (20) 313(40) 327 (54)
Содержание озона, (% по массе) 3,40 3,15 2,70
Выделение озона наблюдается при распылении воды в водопадах и при действии ультразвука на кислород, растворенный в воде, когда ульт-
22
развуковое поле порождает пузырьки газа Объясняется это в [135] элементами разряда, которые появляются на поверхности образующихся пузырьков газа
Реакция образования озона из кислорода эндотермична, поэтому простейшим методом получения озона из кислорода является его нагревание. При высоких температурах по мере их роста увеличивается и содержание озона (см табл 1 2 из [9])
Таблица 1 2
Температура, К (°С) 1569(1296) 2321 (2048) 4773 (4500)
Содержание озона, (% по массе) 0,15 1,52 16,5
Однако для реального использования полученного таким образом озона требуется чрезвычайно быстрое его охлаждение, что вызывает большие трудности В работе [63] отмечено, что практически синтезировать озон термическим путем не удается по той причине, что скорость диссоциации озона при высоких температурах очень велика и никакой реальный способ его “закалки’’ не может обеспечить сохранение
В 1857 г Венер фон Сименс предложил аппарат [66], который впервые позволил устойчиво получать озон в достаточных для проведения химических опытов количествах. Прибор Сименса состоял из двух стеклянных трубок, вставленных одна в другую и на одном конце сплавленных вместе. Внешняя сторона внешней трубки и внутренняя сторона внутренней трубки имели металлические покрытия, к которым подключалось высокое электрическое напряжение. В зазоре между трубками происходил тихий разряд, через который и пропускался озонируемый газ
При электролизе водных растворов серной кислоты получают высокие концентрации озона, но с малым энергетическим выходом (массой получаемого озона, приходящейся на единицу затрачиваемой энергии)
Все описанные способы получения озона характеризуются различными трудностями при их техническом осуществлении и различными