Курсовая работа: Очищення води за допомогою озонування

О + О₃ = 2О₂ + 398,05 кДж; (2.2)

Сумарна реакція:

2О₂ = 3О₂ + 297,49 кДж. (2.3)

Озон — алотропна модифікація кисню (О₃ ). В нижніх шарах атмосфери його вміст незначний. Найбільша його концентрація в стратосфері між висотами 10 і 40 км. Озон значно поглинає ультрафіолетову радіацію.

Проста речовина, алотропна видозміна кисню. Хімічно-активний газ синього кольору з різким запахом, сильний окиснювач. При великих концентраціях розкладається з вибухом. Утворюється з кисню при електричному розряді (наприклад, під час грози). Основна маса озону знаходиться у верхньому шарі атмосфери — озоносфері, на висоті від 10 до 50 км із максимумом концентрації на висоті 20-25 км. Цей шар охороняє живі організми Землі від шкідливого впливу короткохвильової ультрафіолетової радіації Сонця (може викликати рак шкіри). Зараз під впливом хлорфторвуглеців цей шар руйнується, що може негативно вплинути на жителів Землі. У багатьох країнах використання таких речовин, що входять у різні аерозолі, заборонено. У промисловості озон одержують під дією на повітря електричного заряду, його використовують, зокрема, для знезаражування води і повітря.

Температура кипіння озону −112 °C; вага 1 л — 2,14 г. Утворює озоніди (сполуки лужних металів і амонію, які містять аніони О^3- ). Легко розкладається (О₃ → О + О₂ ). Вміст у повітрі: влітку — до 7•10^-6 % об'ємних, взимку — 2•10^-6 %. На висоті 20-25 км знаходиться прошарок в атмосфері Землі, де концентрація озону найбільша (так званий озоновий прошарок). Саме він захищає Землю від ультрафіолетового випромінювання космосу. У другій половині ХХ ст. зафіксована тенденція до потоншання цього прошарку і навіть утворення «озонових дірок» — областей зі зниженою концентрацією озону в озоновому прошарку. Це явище пов'язують із антропогенним забрудненням атмосфери, зокрема фреонами. Озон утворюється при дії електричного розряду або ультрафіолетового випромінювання на повітря. Використовується у хімічному синтезі, для стерилізації води, для дезинфекції й дезодорації повітря, вибілювання тканин, паперу, мінеральних масел тощо. Бактерицидний засіб. Є мутагеном. Гранично допустима концентрація у повітрі — 1 мг/м³ .

Озон має дуже високу окислювальну здатність (Е₀ =+2,07 В; в лужному середовищі Е₀ =1,24 В) і за нормальної температури руйнує багато органічних сполук. Під час озонування одночасно відбувається окиснення домішок, знебарвлення, дезодорація, знезараження стічної води та насичення її киснем.

Молекула озону триатомна й має трикутну будову (рисунок.2.1).

Рисунок 2.1 Будова молекули озону

За тиску 0,1 МПа і 0^о С в 1 дм³ води розчиняється 1,42 г озону, при 10 ^о С—1,04 г, при 30 ^о С—0,45 г. Розчинність озону у воді залежить від величини рН та кількості домішок у воді. За наявності кислот і солей розчинність озону у воді зростає, за наявності лугів – зменшується. Озон дисоціює на повітрі та у водному розчині, перетворюючись на оксиген. У водному розчині озон дисоціює швидше. Розкладання озону у воді різко зростає в разі підвищення рН та температури. Стійкість озону в нейтральному та кислому середовищах пов’язана з утворенням асоціатів НО₃ ⁺ , гідратна оболонка яких уповільнює реакцію:

О₃ + Н₂ О = О₂ + О + Н₂ О (2.4)

Розкладання озону у воді прискорюється за наявності активованого вугілля, металів змінної валентності (мангану, кобальту, феруму) деяких оксидів (Р₂ О₅ ), пероксиду барію (ВаО₂ ). Такі матеріали, як фторо- та хлоровмісні пластмаси, скло, деякі матеріали, не вливають на стійкість озону.

В основу промислового одержання озону покладено реакцію розщеплення молекули кисню на атоми під дією тихого або бар’єрного розряду. Висока реакційна здатність озону зумовлена великою надлишковою енергією молекули:

О₃ = 3/2 О₂ + 100 кДж/моль (2.5)

Озон реагує з насиченими органічними сполуками з утворенням вільних радикалів. Лімітуючою стадією процесу є вплив озону на зв'язок С-Н

RH + O₃ = R^. + HO^. + O₂ ( або R + HO^. ₃ ). (2.6)

Радикали R^. , які утворилися в атмосфері оксисену, переважно перетворюються на пероксид радикали помірної активності. Тому ланцюгова реакція окиснення може виникнути лише за достатньо високої температури, коли швидкість реакції зростання ланцюга перевищує реакцію його обірванця. За невисокої температури окиснення озоном відбувається як не ланцюгова реакція з утворенням гілроксигідропероксидів:

R^. + О₂ = RО₂ ^.; (2.7)

RО₂ ^. + RH = RООH + R^. . (2.8)

Альдегіди в свою чергу, окислюються до надто кислот, які розкладаються в розбавлених водних розчинах до органічних кислот та пероксиду гідрогену. Паралельно може відбуватися реакція окиснення гідроксильного радикалу:

HO^. + O₃ = HO₂ ^. + O₂ (2.9)

з наступною комбінацією пероксид радикалів:

2HO₂ ^. = Н₂ О₂ + O_2. (2.10)

Проте насправді пероксид гідрогену не накопичується і витрата озону в нейтральному та кислому середовищах відповідає реакції

R-CH₂ OH + 2O₃ = RCOOH + 2O₂ + H₂ O. (2.11)

Мабуть, у момент виділення пероксид гідрогену реагує з озоном:

H₂ O₂ + O₃ = H₂ O + 2O₂ . (2.12)

Крім того, можливо, що озон витрачається на розкладання гідрокси – гідроксипероксидів та надкислот. Швидкість реакції за цих умов зростає, що, ймовірно, зумовлено розкладання пероксид гідрогену, гідропероксиду, надкислоти та озону. Одночасне збільшення кількості генерованих первинних радикалів ініціює процес окиснення. Отже для прискорення процесу ініціювання процес окиснення озоном доцільно проводити в лужному середовищі. Для більшості органічних сполук проміжними та кінцевими продуктами окиснення є спирти, альдегіди(кетони) та кислоти [1].