Монография носит учебный характер и имеет целью дать основные теоретические представления и практические сведения о получении и применении сильного экологически чистого окислителя-дезинфектанта озона и уникальных процессах с его участием.
В книге рассматриваются способы получения озона, не связанные с барьерным электрическим разрядом. Излагаются основные вопросы теории и практики барьерного электрического разряда — главного метода промышленного производства озона. Анализируются конструкции отечественных и зарубежных озонаторов и эффективность синтеза озона.
В книге освещаются наиболее разработанные технологии применения озона. Рассматриваются процессы очистки озоном газовых выбросов промышленных предприятий. Обсуждаются основные аспекты использования озона в сельском хозяйстве. Рассматриваются вопросы использования озона в подготовке питьевых вод и технологические схемы современных водоочистных сооружений в нашей стране и за рубежом.
Книга предназначена для читателей, интересующихся современными инновационными технологиями, в первую очередь с использованием озона, для студентов, бакалавров, магистров, аспирантов и инженеров-технологов, специализирующихся в физической химии, химической технологии, сельском хозяйстве, водоподготовке и очистке воздуха.
Ключевые слова: озон, кислород, барьерный разряд, озонаторы, реакции озона, очистка газов, сельское хозяйство, очистка воды, разложение озона.
Содержание
| Summary |
|
5 |
| Предисловие |
|
10 |
| Introduction |
|
12 |
| Часть 1. Способы получения озона, не связанные с барьерным
разрядом
|
|
14 |
| 1.1. Введение |
|
14 |
| 1.2. Синтез озона в электрохимической ячейке |
|
15 |
| 1.3. Фотохимическое образование озона |
| 24 |
| 1.3.1. Ртутная лампа низкого давления |
| 27 |
| 1.3.2. Получение озона с помощью эксимерных ламп |
| 30 |
| 1.4. Синтез озона в коронном разряде |
|
42 |
| 1.4.1. Введение |
| 42 |
| 1.4.2. Синтез озона с использованием осушенного воздуха или кислорода |
| 42 |
| 1.4.3. Синтез озона без осушки газа |
| 50 |
| 1.5. Различные способы синтеза озона, не нашедшие промышленного внедрения |
|
52 |
| 1.5.1. Газодинамический озонатор [49] |
|
52 |
| 1.5.2. Образование озона в несамостоятельном разряде с инициацией потоком быстрых частиц |
|
53 |
| 1.5.3. Образование озона под действием потоков энергий |
|
54 |
| 1.5.4. Получение озона с использованием плазмотрона |
|
55 |
1.5.5. Многокамерный озонатор с отдельной камерой для диссоциации |
|
57 |
| 1.5.6. Химические пути образования озона |
|
58 |
| Часть 2. Синтез озона в барьерном разряде |
|
59 |
| 2.1. Введение |
|
59 |
| 2.2. Историческая справка |
|
60 |
| 2.3. Электрические характеристики озонаторов |
|
62 |
| 2.3.1. Вольт-амперные и вольт-кулоновские характеристики |
|
62 |
| 2.3.2. Активная мощность озонатора |
|
65 |
| 2.4. Пространственно-временная эволюция процессов пробоя газового промежутка в барьерном разряде
|
|
74 |
| 2.4.1. Введение |
| 74 |
| 2.4.2. Структура барьерного разряда |
| 74 |
| 2.4.3. Механизм развития разряда |
| 79 |
| 2.5. Оценка истинной кинетики синтеза озона на основе данных
о микроразряде |
| 97 |
| 2.6. Энергетика синтеза озона в микроразряде |
| 98 |
| 2.7. Синтез озона из кислорода |
| 102 |
| 2.7.1. Экспериментальная кинетика синтеза озона |
| 102 |
| 2.7.2. По¬лучение озона при температуре ниже 0°С |
| 107 |
| 2.7.3. Связь между экспериментальной и истинной кинетикой при синтезе озона из кислорода в озонаторе (ПО) |
| 110 |
| 2.7.4. Стационарная концентрация озона в канале микроразряда |
| 114 |
| 2.7.5. Феномен «нулевой концентрации озона» |
| 116 |
| 2.7.6. Эффект «Джоши» |
| 123 |
| 2.8. Синтез озона из смесей кислорода с азотом и воздуха в потоке
газа |
| 123 |
| 2.8.1. Введение |
| 123 |
| 2.8.2. Физико-химическое воздействие малых добавок азота |
| 124 |
| 2.8.3. Экспериментальная кинетика синтеза озона из воздуха |
| 125 |
| 2.8.4. Кинетика и механизм образования озона в присутствии оксидов азота |
| 127 |
| 2.8.5. Основные физические модели, описывающие процесс пробоя газового промежутка в воздухе |
| 142 |
| 2.9. Особая форма барьерного разряда — барьерный разряд без
микроразрядов |
| 147 |
| 2.10. Поверхностный разряд |
| 155 |
| 2.11. Математическое моделирование микроразряда и барьерного
разряда в целом |
| 155 |
| Часть 3. Современные конструкции озонаторов |
|
160 |
| 3.1. Введение |
| 160 |
| 3.2. Основные параметры, определяющие эффективность синтеза
озона в барьерном разряде |
| 162 |
| 3.2.1. Электрическая мощность |
|
162 |
| 3.2.2. Частота и форма кривой питающего напряжения |
|
162 |
| 3.2.3. Плотность мощности, величина разрядного промежутка, температура газа в разрядном промежутке |
|
165 |
| 3.2.4. Плотность мощности, давление газа, величина разрядного промежутка |
|
168 |
| 3.2.5. Состав озонообразующего газа. Обогащенный воздух или кислород с добавками азота? |
|
170 |
| 3.2.6. Влияние влажности |
|
172 |
| 3.2.7. Процесс рекуперации озонообразующего газа и адсорбция озона на твердых адсорбентах |
| 174 |
| 3.3. Конструкционные параметры |
|
176 |
| 3.3.1. Температура газа в разрядном промежутке |
|
176 |
| 3.3.2. Способы охлаждения |
|
180 |
| 3.3.3. Озонатор «металл-диэлектрик» (М-Д) или «диэлектрик-диэлектрик» (Д-Д) |
|
183 |
| 3.3.4. Поверх¬ность электродов. Количественный аспект |
|
184 |
| 3.3.5. Материал диэлектрика |
|
184 |
| 3.4. Основные российские предприятия, выпускающие озонаторы
и озонаторное оборудование |
|
193 |
| 3.4.1. Введение |
|
193 |
| 3.4.2. Конструкции озонаторов с трубчатыми электродами |
|
193 |
| 3.4.3. Нетрадиционные конструкции озонаторов |
|
205 |
3.5. Зарубежные озонаторы с трубчатыми электродами |
|
207 |
| 3.5.1. Фирма «Озония» |
|
207 |
| 3.5.2. Фирма «Трейлигаз» (Франция) |
|
211 |
| 3.5.3. Международный концерн «Wedeco» (Xylem) |
|
211 |
| 3.5.4. Фирма «Osmonics Inc.» |
|
214 |
| 3.5.5. Фирма «Air Tree Ozone Technology Co. Ltd.» |
|
215 |
| 3.5.6. Фирма «Тошиба», Япония |
|
215 |
| 3.5.7. Фирма «ProMinent». Озонаторы «BonoZon» |
| 216 |
| 3.6. Озонаторы с плоскими электродами (отечественные и зарубежные) |
|
217 |
| 3.6.1. Введение |
|
217 |
| 3.6.2. Озонаторы ЗАО «Московские озонаторы» |
|
218 |
| 3.6.3. Фирма «Pacific Ozone», США |
|
224 |
| 3.6.4. Фирма «Olmsted and Co», Швеция |
|
224 |
| 3.6.5. Озонатор фирмы «Сумитомо», Япония |
|
225 |
| 3.6.6. Озонаторы фирмы «Лайфтех», Чехия |
|
228 |
| 3.7. Поверхностный разряд |
|
229 |
| 3.8. Выводы: тенденции мирового озонаторостроения |
|
235 |
| Часть 4. Применение озона в очистке газовых выбросов |
|
238 |
| 4.1. Введение |
|
238 |
| 4.2. Озон в очистке газовых выбросов |
|
238 |
| 4.2.1. Выбросные газы ТЭС |
|
238 |
| 4.2.2. Озонно-аммиачный способ очистки выбросных газов |
|
239 |
| 4.2.3. Выбросные газы различных производств |
|
246 |
| 4.2.4. Очистка вентиляционных выбросов |
|
248 |
| 4.2.5. Очистка газовых выбросов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) |
|
268 |
| 4.2.6. Интенсификация процессов горения углеводородного топлива добавками озона |
|
274 |
| 4.2.7. Обработка воздуха помещений озоном |
|
278 |
| Часть 5. Применение озона в сельском хозяйстве |
|
291 |
| 5.1. Введение |
|
291 |
| 5.2. Озон в птицеводстве |
|
292 |
| 5.2.1. Обработка воды и воздуха в инкубаторе озоном |
|
295 |
| 5.2.2. Обработка кормов озоном |
|
298 |
| 5.3. Применение озона в предпосевной обработке семян, а также для
сушки влажного зерна |
|
304 |
| 5.4. Применение озона для дезинфекции поверхностей, используемых в пищевой промышленности |
|
307 |
| 5.5. Использование озона для пролонгации хранения пищевых
продуктов |
|
309 |
| 5.5.1. Введение |
|
309 |
| 5.5.2. Токсикологическая безопасность |
|
310 |
| 5.5.3. Взаимодействие озона с пищевыми продуктами |
|
311 |
| 5.5.4. Бактериальная активность |
|
311 |
| 5.5.5. Противогрибковая активность |
|
311 |
| 5.5.6. Дрожжи и плесени |
|
312 |
| 5.5.7. Эффект относительной влажности |
|
312 |
| 5.6. Применение комбинированного воздействия на микрофлору озона и УФ, озона и Н2О2, озона и ультразвука в сельском хозяйстве
и пищевой промышленности |
|
319 |
| 5.6.1. Введение |
|
319 |
| 5.6.2. Применение AOP's-технологий в сельском хозяйстве |
|
320 |
| 5.6.3. РНУТОз-технология |
|
322 |
| 5.6.4. «Ventafresh»-технология |
|
326 |
| 5.6.5. Стоимостная оценка
технологии «Ventafresh» |
|
327 |
| Часть 6. Применение озона в подготовке питьевой воды |
|
329 |
| 6.1. Введение |
|
329 |
| 6.2. Основные понятия и положения, связанные с озонированием
при подготовке питьевой воды |
|
338 |
| 6.3. Применение озона для очистки поверхностных вод |
|
341 |
| 6.3.1. Удаление фенолов при озонировании |
|
341 |
| 6.3.2. Влияние озонирования на удаление нефтепродуктов |
|
344 |
| 6.3.3. Эффективность очистки воды от пестицидов, поверхностно-активных веществ и других химических загрязнений |
|
346 |
| 6.3.4. Влияние предварительного озонирования на качество воды |
|
349 |
| 6.3.5. Влияние предварительного озонирования на процесс образования хлорорганических соединений |
|
350 |
| 6.3.6. Образование
побочных продуктов при озонировании воды |
|
351 |
| 6.3.7. Современные станции подготовки питьевой воды, проектируемые
и созданные в последние годы в г. Москве |
|
354 |
| 6.3.8. Применение озона для очистки цветных и высокоцветных вод |
|
357 |
| 6.3.9. Общая характеристика очистки воды от неорганических и органических загрязнений при использовании стандартных технологических схем |
|
358 |
| 6.4. Использование озона для очистки питьевой воды в присутствии
растворенных металлов |
|
361 |
| 6.4.1. Введение |
|
361 |
| 6.4.2. Химия взаимодействия озона с железом и марганцем |
|
361 |
| 6.4.3. Полупромышленные пилотные установки по устранению железа и марганца |
|
371 |
| 6.4.4. Примеры удаления железа и марганца на лабораторных и промышленных установках в России |
|
373 |
| 6.4.5. Удаление из питьевой воды следов тяжелых металлов в присутствии железа и марганца. Способы борьбы с присутствием тяжелых металлов в питьевой воде |
|
377 |
| 6.5. Выводы |
|
386 |
| Литература |
|
388 |
Contents
| Part 1. Ozone production methods which aren’t associated with barrier discharge
|
| 1.1. Introduction |
|
|
| 1.2. Synthesis of ozone in an electrochemical cell |
|
|
| 1.3. Photochemical ozone generation |
| |
| 1.4. Ozone synthesis inside a corona discharge |
| |
| Part 2. Ozone synthesis in barrier discharge
|
|
|
| 2.1. Introduction |
|
|
| 2.2. Background |
|
|
| 2.3. Electrical characteristics of ozone |
| |
| 2.4. Spatial-temporal evolution of gas breakdown processes in a barrier discharge gap |
| |
| 2.5. An appreciation of the true kinetics of ozone synthesis based on microdischarge investigations |
|
|
| 2.6. Power engineering of ozone synthesis by microdischarge |
|
|
| 2.7. Ozone synthesis from oxygen |
| |
| 2.8. Ozone synthesis from air or oxygen with nitrogen occurring in a gas stream |
| |
| 2.9. Special form of barrier discharge - a barrier discharge without microdischarge |
|
|
| 2.10. Surface barrier discharge |
|
|
| 2.11. Mathematic modeling of ozone synthesis in a microdischarge and a general barrier discharge |
| |
| Part 3. Modern design of ozone generators |
|
|
| 3.1. Introduction |
|
|
| 3.2. Main parameters of the ozone synthesis effectiveness in a barrier discharge |
|
|
| 3.3. Construction parameters of ozonators |
| |
| 3.4. Main Russian’s enterprises producing ozonizers and equipment for ozone producing |
| |
| 3.5. Foreign ozonizers with tubular electrodes |
|
|
| Part 4. The application of ozone in gas emissions purification |
|
|
| 4.1. Introduction |
|
|
| 4.2. Cleaning of gaseos emissions with ozone |
|
|
| Part 5. Ozone application in agriculture |
|
|
| 5.1. Introduction |
|
|
| 5.2. Ozone in poultry |
|
|
| 5.3. Application of ozone in the pre-seeding seed processing as well as for wet grain drying |
| |
| 5.4 Ozone usage for disinfection of surfaces in the food industry |
| |
| 5.6. Using of combined effects of ozone / UV, ozone/ H202, ozone / ultrasound on microflora in agriculture and food industry |
| |
| Part 6. The ozone applications in preparation of drinking water |
|
|
| 1.1. Introduction |
|
|
| 6.2. Concepts and statutes related to drinking water processing by ozone |
|
|
| 6.3. Ozone usage for drinking surface water purification |
| |
| 6.4. Using of ozone for water purification in the presence of metal ions |
| |
Summary
Ozone Production and Application.
Theory and Practice
Lunin V.V., Samoilovich V.G.,
Tkachenko S.N., Tkachenko IS.
Monograph has an educational character. It is intended to provide basic theoretical presentation and practical materials on application of strong non-polluting oxidant-disinfectant ozone, as well as unique ozonization processes.
Ozone production methods not associated to barrier electrical discharge are reviewed. The main issues on theory and practice of barrier discharge as the main method of industrial production of ozone are presented. Domestic and foreign ozone generators constructions as well as ozone synthesis efficiency are analyzed.
The book is intended to readers who are interested in modern innovative technologies with ozone usage. It will be interesting for students, bachelors, masters, postgraduates, and engineers specializing in physical chemistry, chemical technology, water-treatment, and air purification.
Key words: ozone, oxygen, barrier discharge, ozonizer, ozone reactions, gas purification, water treatment, ozone decomposition.
Book structure: preface, 6 parts, bibliography.
Moscow University Press. 2016.
Предисловие
Предлагаемая читателям книга подготовлена к изданию в рамках деятельности Озонного общества — ассоциации «Озон и другие экологически чистые окислители» и работы Всероссийского научно-практического семинара, конференции-выставки по озону, которые организованы химическим факультетом МГУ имени М.В. Ломоносова и Научно-внедренческой фирмой «ТИМИС».
Монография носит учебный характер и имеет целью обобщение разрозненных по различным источникам многочисленных теоретических представлений и практических сведений, касающихся получения и применения сильного экологически чистого окислителя-дезинфектанта озона и уникальных процессов с его участием.
В книге последовательно рассматриваются способы получения озона, не связанные с барьерным электрическим разрядом. Детально разбираются вопросы получения озона в электрохимической ячейке, а также специфика его образования при воздействии на кислород и воздух ультрафиолетового излучения различной природы, например ртутных или эксимерных ламп. Кратко рассматриваются способы получения озона в коронном и факельном разрядах, в плазмотроне и некоторые другие методы.
Подробно излагаются основные фундаментальные вопросы теории и практики барьерного разряда — главного метода промышленного производства озона. Описываются физико-химические процессы, протекающие при этом. Излагаются феноменологическая электрическая теория озонаторов, современные взгляды на динамику пробоя разрядного промежутка, кинетика и механизм синтеза озона из кислорода и воздуха.
Обсуждаются основные конструкции отечественных и зарубежных озонаторов и эффективность синтеза озона в этих устройствах, достижимые концентрации озона и энергопотребление. Рассматриваются основные параметры, определяющие эффективность работы озонаторов разных конструкций, плюсы и минусы различных компоновок разрядных агрегатов. Анализируются основные тенденции современного озонаторостроения.
В книге освещаются наиболее разработанные в технологическом отношении области практического применения озона. Рассматриваются газофазные процессы очистки озоном выбросных газов промышленных предприятий, в первую очередь тепловых электростанций, выбрасывающих в атмосферу огромное количество вредных веществ, гланым образом оксидов азота и серы. Освещаются вопросы устранения дурнопахнущих вентиляционных выбросов ряда предприятий пищевой промышленности. Возможности эффективного применения озона для решения этой проблемы более чем очевидны. Кондиционирование, устранение вредных примесей и стерилизация микрофлоры в воздухе рабочих помещений являются еще одной областью, в которой успешно работает сильный окислитель и дезинфектант озон.
Рассматриваются основные аспекты использования озона в сельском хозяйстве. Освещаются вопросы продления срока хранения овощей и фруктов в озонированной воздушной среде, повышения эффективности процессов птицеводства. Разбираются самые современные технологии обработки сельскохозяйственной продукции с помощью озона в сочетании с ультрафиолетовым излучением и импульсными электромагнитными полями.
Исторически первым практическим применением озона является его использование в процессах подготовки питьевой воды. В настоящее время это одна из самых крупномасштабных областей промышленного применения озона. Подробному обсуждению вопросов этого метода водоподготовки посвящен отдельный раздел книги. Обсуждаются преимущества озона перед другими окислителями при обработке подземных и поверхностных вод различного состава. Разбираются основные технологические схемы современных водоочистных сооружений в нашей стране и за рубежом.
Книга предназначена для широкого круга читателей, интересующихся современными инновационными технологиями, в первую очередь с использованием озона и других экологически чистых окислителей. Книга будет полезна инженерам-технологам химического профиля, специалистам, использующим озон в различных областях науки и техники, а также студентам, бакалаврам, магистрам, аспирантам и соискателям ученых степеней, специализирующимся в физической химии, химической технологии, сельском хозяйстве, водоподготовке и очистке воздуха.
Авторы выражают глубокую благодарность профессору С. Д. Разумовскому за конструктивные замечания и полезные советы при подготовке материалов монографии к изданию.
Авторы с признательностью примут замечания и пожелания читателей.
Introduction
The book, offered for publication, is developed within Ozone community — association "Ozone and other environmentally friendly oxidants", and of Russian scientific-practical Workshop, conference-exhibition on ozone, that were organized by Chemistry Department of M. V. Lomonosov Moscow State University in cooperation with scientific innovation firm "TIMIS".
Monograph has an educational character. Its aim is a compilation of a lot of scattered theoretical approaches and practical data on application of ozone as a strong environmentally friendly oxidant-disinfectant. Unique ozonization processes are also considered.
Ozone production ways that don't relate to barrier electrical discharge are consistently reviewed. Methods of ozone production in electrochemical cell, specificity of ozone generation from oxygen and air under UV irradiation of different source (mercury lamp, excimer lasers) are considered in details. Corona and flare discharge, plasmatron gun, as well another methods of ozone production are shortly presented.
The principal fundamental aspects of barrier electrical discharge theory are presented. Information about the practice of this principal industry method of ozone production is provided. Physicochemical processes are also described. Phenomenological electric theory of ozone generators as well as modern view on dynamics and breakdown of discharge gap, kinetics and mechanism of ozone synthesis in oxygen and air are reported.
The main domestic and foreign constructions of ozone generators as well as efficiency of ozone synthesis in these devices, maxima concentrations of ozone and power consumption are discussed. The basic parameters that define the efficiency of ozone generators of different designs, plus and minus of different configuration of base units are discussed. The main trends of modern ozone generator designing are analyzed. The book informs about most technologically developed practical application of ozone.
Air conditioning, elimination of harmful impurities and sterilization of microflora in the air are another sphere of ozone applicationin working premises where ozone successfully operates as a strong oxidizer and disinfectant. This area is also considered.
The main aspects of ozone usage in agriculture are considered. It covers the extension of fruits and vegetables storage period in ozonized air. Ozone also increases the efficiency of poultry production and storage. It is analyzed the most advanced technologies of agricultural products processing with ozone in combination with UV irradiation and impulse electromagnetic fields.
Historically, the first practical usage of ozone is the drinking water preparation processes. Currently, it is one of the most large-scale industrial application areas of ozone. A separate section of the book is devoted to detailed discussion of this method of water treatment. The advantages of ozone over other oxidizers in the processing of underground and surface waters are discussed. It is presented the basic technological schemes of modern wastewater treatment plants in our country and abroad.
The book is intended for a wide range of readers interested in modern innovative technologies, primarily technologies that use ozone and other environment friendly oxidants. The book will be useful for engineers-technologists of chemical profile, professionals using ozone in various fields of science and technology. It will be useful for students, bachelors, masters, postgraduates and applicants in physical chemistry, chemical technology, agriculture, water treatment and air purification.
The authors thank Professor S. D. Razumovsky for constructive comments and helpful tips when preparing materials for publishing monographs.
The authors will appreciate readers comments and suggestions.
| 
