Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
 Скачать 1.77 Mb.
|
|
Рис. 12.5. Осциллограммы тока и напряжения а ) осциллограмма напряжения на электродах; б ) осциллограмма тока через озонатор. процессы диссоциации молекул кислорода идут с наибольшей интенсивностью, что обеспечивается имеющим место распределением по энергиям свободных электронов. Образование искры в каждой области промежутка, где напряженность поля превысит пробивную и затухание этой искры из-за спада напряженности поля, вызванного осевшими зарядами, поддерживает на электродах практически неизменное напряжение на газовом промежутке U г в течение всего времени горения разряда в данный полупериод. Поэтому средняя напряженность поля в газовом промежутке в течение всего времени горения разряда лишь незначительно отличается от начальной. Постоянство напряженности обеспечивает при разряде стабильное распределение электронов по энергиям, что важно для прохождения электрохимических реакций образования озона. С ростом приложенного напряжения время горения разряда в каждый полупериод увеличивается, увеличивается число искр и возрастает выход озона. Однако почти пропорциональный рост выхода озона с ростом напряжения продолжается до определенного предела (рис. 12.6). С ростом числа искр увеличивается температура разрядной зоны, усиливается разложение озона. Работа озонатора при перегреве становится неэффективной. Поэтому рабочий режим озонатора должен лежать в области линейной части кривой зависимости концентрации озона C O3 от напряжения. Приведенное выше описание процессов в озонаторе отражает только физическую картину в газовом промежутке. Для электрической цепи, включающей источник питания и озонатор, последний представляет сложную нагрузку, изменяющуюся при каждом зажигании разряда. Анализ процессов в эквивалентной электрической цепи содержащей озонатор, позволяет связать физические процессы с электрическими величинами, определяющими эти процессы. В эквивалентной электрической схеме озонатор может быть представлен двумя последовательно включенными емкостями: емкостью газового промежутка и емкостью барьера, как это было определено ранее. Пусть к озонатору приложено переменное напряжение t U U ω sin 0 = , (12.6) До начала разряда в газовом промежутке, т.е. при напряжении U г < U пр , приложенное напряжение распределяется по емкостям газового промежутка и барьера: U = U г + U б, причем б г г б C C C U U + = ; б г б г C C C U U + = . (12.7) Ток через озонатор равен: t C C C C U i ω ω cos г б г б 0 + = , (12.8) Когда напряжение на газовом промежутке станет достаточным для его пробоя, в промежутке начинается разряд, напряжение на газовом промежутке становится равным напряжению горения разряда U гор и не меняется пока горит разряд. Тогда напряжение на диэлектрическом барьере может быть определено как гор 0 б sin U t U U − = ω . (12.9) Ток через озонатор при разряде t C U U C dt d I ω ω sin ) ( б 0 б б ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ = . (12.10) Так как ε б > ε г , то суммарная емкость озонатора меньше емкости барьера, и при возникновении разряда ток скачком возрастает. Как уже говорилось выше, кривая тока через озонатор при разряде имеет сложную форму, учитывающую импульсы тока отдельных разрядов. Поэтому обычно пользуются понятием среднего тока через озонатор при разряде, соответствующего двухполупериодной схеме выпрямления ( ) б гор 0 ср 2 C U U I ω π − = . (12.11) Очень важной характеристикой, определяющей не только интенсивность ионизационных процессов в газовом промежутке, но и эффективность образования озона, является активная мощность разряда Р, с ростом которой выход озона возрастает. Правильная оценка активной мощности при работе озонатора позволяет определить эффективность работы устройства в целом. Расчет активной мощности в цепи переменного тока проводится по уравнению ∫ ∫ = = ) ( 2 1 1 t iUd dt iU t P ω π . (12.12) Если этот интеграл разбить на участки, соответствующие интервалам, когда разряд в промежутке есть и когда его нет, и на каждом участке использовать свои уравнения для напряжения и тока, то можно получить уравнение для активной мощности вида − − = π ω π ω г г б гор 0 гор 2 ) ( 2 C U C U U U P , (12.13) С 0 , мг/л 5 15 10 20 4 6 U, кВ Рис. 12.6. Выход озона в зависимости от напряжения частота f = 1500 Гц; расход газа v г = 1 л/мин где первое слагаемое а квадратных скобках соответствует среднему по схеме двухполепериодного выпрямления току через озонатор при горении разряда, а второе слагаемое − среднему току в момент зажигания разряда, когда напряжение на промежутке становится равным пробивному. С небольшой погрешностью это напряжение можно считать равным напряжению горения разряда. Ток, соответствующий этому напряжению, называют критическим. Тогда уравнение для мощности приобретает вид ) ( кр ср гор I I U P − = , (12.14) Это уравнение используется для определения мощности при построении вольтамперной характеристики. Этот метод использован и в данной работе. Метод состоит в том, что измеряют выпрямленный по схеме двухполепериодного выпрямления ток через озонатор при изменении напряжения, приложенного к электродам, и строят вольтамперную характеристику I = f(U). До начала разряда эта характеристика имеет вид прямой с наклоном, обусловленным сопротивлением всего озонатора (рис. 12.7). После зажигания разряда ток определяется в основном емкостью барьера, и наклон прямой меняется. Точка излома соответствует критическому режиму, при котором ток равен I кр . Если продлить разрядную часть вольтамперной характеристики до пересечения с осью напряжения, то точка пересечения дает напряжение горения разряда U гор Зная значения I кр и U гор , можно найти мощность для любого значения напряжения по соответствующему значению I ср Основными параметрами, определяющими эффективность работы барьерного озонатора, являются: напряжение на электродах U; газовый зазор l (эта величина определяет характер разряда и его интенсивность); диэлектрическая проницаемость материала барьера ε б ; частота f воздействующего напряжения и расход газа v г , определяющий концентрацию озона в выходящей из озонатора газовой смеси. 1 2 3 ВН вода воздух + О 3 воздух вода вода вода C изм D D вн D н L Рис. 12.8 Трубчатый барьерный озонатор 1 − наружный электрод; 2 − барьер из стеклоэмали; 3 − внутренний электрод. Для выноса образовавшегося озона из разрядного промежутка необходимо создать равномерный поток газа через разрядную зону. Наиболее удобно это осуществляется в коаксиальной системе электродов, так называемого, трубчатого озонатора (рис. 12.8). От скорости протекания газа через озонатор, или от расхода газа v г (л/мин) зависит время пребывания каждого единичного объема газа в зоне разряда. Это означает, что число разрядов, развивающихся в каждом единичном объеме газа при движении его вдоль озонатора зависит от v г , т.е. концентрация озона на выходе из озонатора зависит от расхода газа. С расходом газа связана производительность озонатора г 3 v C G O ⋅ = , (12.15) измеряемая в граммах (или килограммах) озона в час. Наряду с концентрацией озона в воздухе на выходе озонатора 3 O C (г/л) производительность G является важной характеристикой озонатора. Следующей важной величиной, определяющей эффективность работы озонатора, являются удельные затраты энергии на получение озона G P W = кВт ⋅ч/кг. Эта величина имеет особо важное значение для промышленных озонаторов с производительностью до 150 кг/час. 12.2.3. Технологическое применение озона Исторически применение озона началось с установок по подготовке питьевой воды, когда в 1898 году в городе Сан Мор (Франция) прошли испытания первой опытно-промышленной установки. Уже в 1907 году был построен первый завод по озонированию воды в городе Бон Вуаяж (Франция), который обрабатывал 22500 кубических метров I I кр U U гор Рис. 12.7 Вольт-амперная характеристика озонатора воды из реки Вазюби в сутки для нужд города Ниццы. В 1911 году была пущена в эксплуатацию станция озонирования питьевой воды в Санкт-Петербурге. В 1916 году действует уже 49 установок по озонированию питьевой воды. К 1977 году во всем мире действует более 1000 установок. В настоящее время 95% питьевой воды в Европе проходит озонную подготовку. В США идет процесс перевода с хлорирования на озонирование. В России действуют несколько крупных станций (в Москве, Нижнем Новгороде и ряде других городах). Приняты программы перевода на озонирование еще нескольких крупных станций водоподготовки. В последние 20 лет области применения озона значительно расширились и во всем мире ведутся новые разработки. В таблицу 12.1 сведены и классифицированы основные технологические применения озона. Следует обратить внимание на то, что столь бурному развитию технологий с использованием озона способствует его экологическая чистота. В отличии от других окислителей озон в процессе реакций разлагается на молекулярный и атомарный кислород и предельные оксиды. Все эти продукты, как правило, не загрязняют окружающую среду и не приводят к образованию канцерогенных веществ, как например при окислении хлором или фтором. Таблица 12.1 ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ОЗОНА Очистка природных и сточных вод Очистка газовых выбросов Сельское хозяйство и пищевая промышленно сть Медицина и ветеринария Химическая промышленно сть Бытовые применения Централизова нные системы подготовки питьевой воды Очистка газовых выбросов ТЭС от оксидов азота и серы Подготовка воды и кормов для животноводст ва Озонотерапия и профилактика проф. заболеваний Добыча редких металлов и их выделение из сточных вод Кондиционир ование воздуха помещений Автономные системы подготовки питьевой воды Очистка воздуха помещений лакокрасочног о и др. производств Дезинфекция тары, помещений и оборудования Применение в хирургии и послехиругич еской профилактике Синтез новых полимеров Очистка воды в плавательных бассейнах Очистка промышленн ых сточных вод Санация воздуха помещений промышленн ых предприятий Хранение и транспортиро вка продуктов питания Стерилизация медицинского инструмента и оборудования Органический синтез и биотехнологи и Консервирова ние пищевых продуктов Очистка биологически загрязненных вод Промышленн ое интенсивное рыбоводство Санация воздуха помещений для борьбы с внутрибольни чными инфекциями Отбеливание целлюлозы и тканей Дезодорирвни е воздуха в рефрижератор ах, пылесосах и т.д. 1) Подготовка питьевой воды. Применение озона для подготовки питьевой воды относится к самым ранним использованиям окислительных и дезинфицирующих свойств озона. Первоначально озон использовался только для обеззараживания, затем его стали применять для удаления запаха, изменения цветности воды и устранения примесей. Обеззараживание − это удаление из воды бактерий, спор, микробов и вирусов (инактивация). Для удаления бактерий в воду вводят дезинфицирующее вещество. Чем больше дезинфицирующего вещества введено, тем эффективнее его воздействие на бактерии. Доза дезинфицирующего вещества (минимальное количество дезинфицирующего вещества в миллиграммах, необходимое для инактивации одного литра обрабатываемой воды) варьируется в зависимости от содержания в воде органических веществ, от температуры воды и от величины активной реакции воды с дезинфицирующим веществом − рН. На рис. 12.9 приведен график зависимости количества бактерий, содержащихся в воде, от величины дозы воздействующего дезинфицирующего вещества (в нашем случае хлора D cl и озона D оз ). Из графика видно, что при использовании хлора, чем больше его дозировка в обрабатываемую воду, тем меньшее количество бактерий выживает. Для озона обнаруживается резкое бактерицидное действие при достижении критической дозы озона равной 0,4 ÷0,5 мг озона в газе на литр обрабатываемой воды. Причем, происходит полная инактивация воды. Механизм воздействия окислителя состоит в разрушении бактерий путем инактивации бактериальных протеинов, то есть диффузией через мембрану клетки в цитоплазму с поражением жизненных центров. Исследования механизма озонирования бактерий показали, что действие его происходит быстро при условии поддержания нужной концентрации растворенного озона в воде в течение определенного времени. Если озон эффективно воздействует на бактерии, то хлор производит только выборочное отравление жизненных центров бактерий, причем довольно медленное из-за необходимости длительного времени для диффузии в цитоплазме. Время необходимое для снижения концентрации бактерий до допустимой величины, характеризуемой коли- индексом, называется временем инактивации. Для хлора время инактивации составляет 30 мин при содержании остаточного хлора в воде в пределах С вCl = 0,05 ÷0,2 мг/л. Для озона это время составляет 12 мин при содержании растворенного озона в воде С вОз =0,1 ÷0,3 мг/л. Во Франции для инактивации воды принято время равное 4 мин при концентрации озона в воде С вОз = 0,4 мг/л. кол-во бактер 10 5 10 4 10 3 10 2 10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 доза мг/л озон хлор Рис. 12.9. Количество бактерий в воде в зависимости от дозы дезинфектанта Учитывая, что время инактивации в сильной степени зависит от концентрации остаточного озона в воде, в США введено в практику использование так называемого СТ − фактора [мг/л⋅мин], который устанавливает связь между необходимым временем инактивации и концентрацией растворенного озона в воде. Таблица 12.2 Зависимость СТ-фактора от степени инактивации воды и ее температуры (pH=6 ÷9) Температура воды, °С Уровень инактивации 0,5 5 10 15 20 25 0,5 0,53 0,44 0,37 0,27 0,2 0,13 1,0 1,13 0,67 0,53 0,47 0,35 0,2 2,0 2,2 1,33 1,13 0,87 0,67 0,53 3,0 3,0 2,0 1,67 1,3 1,0 0,67 Из таблицы видно, что чем выше уровень (порядок снижения количества бактерий в воде) инактивации воды, то есть меньшее количество бактерий должно остаться в воде, тем большее должно быть значение СТ −фактора. Кроме того, чем выше температура воды, тем меньше СТ −фактор. Например, при температуре воды + 25 °С и остаточной концентрации озона в воде 1 мг/л для инактивации на три порядка необходимо время обработки воды озоном равное 0,67 мин. Кроме большой способности уничтожения бактерий озон обладает высокой эффективностью в уничтожении спор, цист (плотные оболочки, образующиеся вокруг одноклеточных организмов, например, жгутиковых и корненожек, при их размножении, а также в неблагоприятных для них условиях) и многих других патогенных микробов. Обесцвечивание − это удаление из воды органических и химических веществ, окрашивающих воду. В зависимости от цветности исходной воды требуется большее или меньшее количество озона для обесцвечивания воды. В России для поверхностных вод средних и северных районов для доведения цветности воды до нормы в 20 ° обычно требуется доза озона D оз = 2,5 мг/л. Для южных районов, где исходная цветность воды значительно больше, требуется уже доза озона, равная 8 мг/л (см. рис. 12.10). Физический механизм воздействия озона при обесцвечивании воды заключается, во-первых, в разложении веществ до простейших Н 2 О и СО 2 , во- вторых, в коагуляции (объединении) веществ с дальнейшим выпадением их в осадок. Эффективное обесцвечивание воды озонированием является одним из определяющих критериев в выборе озона в качестве воздействующего реагента при подготовке питьевой воды. Удаление железа и марганца . В природных водах наиболее часто встречается железо в двухвалентной форме, находящееся в растворенном состоянии. Марганец в природной воде обычно сопутствует железу. Оба этих вещества придают воде цветность и характерный привкус. Озон легко окисляет соли железа и марганца с образованием нерастворимых веществ, которые удаляются отстаиванием или фильтрацией. Химические реакции сульфидов железа и марганца с озоном можно записать в виде: Mn SO 4 + O 3 + 2H 2 O = H 2 Mn O 3(осадок) + O 2 + H 2 SO 4 2 Fe SО 4 + H 2 SO 4 + O 3 = Fe 2 (SO 4 ) 3(осадок) + H 2 O + O 2 Если железо и марганец содержатся в форме органических соединений или коллоидальных частиц (с размером 0,1 ÷0,01 мкм), то обезжелезивание и деманганация воды обычными способами не удается. В этом случае необходимо предварительное окисление этих комплексных органических соединений, приводящее к их расщеплению, после чего становится возможным удаление железа и марганца одним из обычных методов. Окисляя комплексные соединения, озон преобразует растворимые соли в нерастворимые, поэтому необходимо последующее фильтрование воды для освобождения ее от выпадающих осадков. Следует отметить, что хотя озонирование и не является наиболее экономичным методом обезжелезивания и деманганации, но применение озона с этими целями оправдано в двух случаях: во-первых, когда обычные способы удаления из воды железа и марганца не дают результатов или ведут к недостаточным результатам, во-вторых, когда необходимо одновременное устранение запахов, привкусов и цветности воды. |