Использование озона

Введение

Озон — высокоэффективное и универсальное окисляющее вещество, которое используется в обработке воды в целях дезинфекции, удаления марганца и железа, улучшения вкуса, устранения цвета и запаха, а так же для удаления органических соединений, опасных для окружающей среды.

Озон (О₃) является трехатомной модификацией кислорода (О₂), который при нормальных условиях представляет из себя газ. Озон — очень сильный окислитель, поэтому его реакции обычно очень быстрые и полные. Основные преимущества применения озона для обработки питьевой воды содержатся в самой его природе: результатом его реакции является только кислород и продукты окисления. Вредные побочные продукты, такие как хлорорганические соединения, при этом не образуются.

Газ голубоватого цвета озон (О₃) имеет характерный запах. Молекула озона нестабильна. Благодаря свойству самораспада озон является сильным окислителем и наиболее эффективным средством для очистки и обеззараживания воды и воздуха. Сильные окислительные свойства позволяют использовать озон в промышленных целях для получения многих органических веществ, для отбеливания бумаги, масел и т. д. Широко используется озон для удаления марганца и железа, улучшения вкуса, устранения цвета и запаха, а также для удаления органических соединений, опасных для окружающей среды. Он убивает микроорганизмы, поэтому озон применяют для очистки воды и воздуха. Установки по очистке воды и озонированию воздуха получили огромное распространение не только в промышленности, но и в быту.

1. Очистка воды озоном В настоящее время известны несколько способов сделать воду чистой, однако очистка озоном признана самым эффективным методом. Воздействие озона основано в первую очередь на процессах окисления. Очистке озоном поддаются большинство несвойственных воде примесей. Наряду с обеззараживанием, озонирование приводит к улучшению вкуса, уничтожению запахов воды. При этом вредные побочные продукты, например как при хлорировании, не образуются.

Универсальное окисляющее вещество озон обладает сильным преимуществом с гигиенической точки зрения. Оно содержится в самой его природе: особенность озона в его быстром разложении в воде (10−15 мин.) с образованием кислорода и неспособность к реакциям замещения (посторонние примеси не вносятся). Это означает, что озон обладает полной экологической безопасностью.

Естественный реагент озон в искусственных условиях получают как в природе во время грозы — при помощи «тихого» электрического разряда в озонаторах. Так как озон является нестабильным веществом, особенность производства озоно-воздушной смеси в том, что его применяют в месте непосредственного получения.

Традиционно озон используется:

Для подготовки питьевой воды.

Для отбеливания целлюлозы.

Для очистки сточных вод.

До недавнего времени использование озона было экономически оправданно лишь в относительно крупных системах. Разработка и выпуск недорогих генераторов озона и соответствующего вспомогательного оборудования упростили использование озона и в небольших установках. Экологически чистые технологии с использованием компактных генераторов озона стали теперь общедоступными. Озон в приготовлении питьевой воды. Озон в небольших дозах гарантировано дезинфицирует воду и удаляет микрозагрязнения и нежелательные примеси в установках приготовления питьевой воды в гостиницах, на борту судов, в отдельных жилых кварталах и поселках. Озон идеально подходит для обработки питьевой воды. Одно из главных направлений использования озона, с которого в начале XX века и началось его использование для очистки питьевой воды — это дезинфекция. Российские нормы устанавливают время контакта озона с водой для целей дезинфекции равным 12 минутам (Методические рекомендации по обеспечению выполнения требования СанПиН 2.1.4.559−96. / Госстрой России, НИИКВОВ — ГУП «ВИМИ», 2000), без учета технологии применения озона. В других странах применяется более гибкий подход, основанный на использовании интегрального критерия СТ, представляющего собой произведение остаточной концентрации озона в воде (в мг/л) на время контакта в минутах. Исследования показали, что СТ=1,6 обеспечивает уничтожение патогенных бактерий и поливирусов, а для гарантированной деактивации цист Giardia необходимо достичь СТ=2. Грунтовые воды часто содержат чрезмерное количество железа и марганца, которые легко удаляются с помощью озона. Озон преобразует растворимые соединения железа и марганца в нерастворимые окислы, которые затем осаждаются и удаляются отстаиванием или фильтрацией. Сырая вода содержит также множество органических компонентов, возникающих в результате естественного распада, процессов разложения, загрязнения окружающей среды промышленностью и сельским хозяйством. Некоторые из этих компонентов являются причиной изменения цвета или возникновения неприятного запаха воды, ряд из них является мутагенами, и поэтому такие компоненты должны быть удалены из воды, или преобразованы в безопасные вещества. Озон превосходно подходит для этих целей. Обеззараживание — это удаление из воды бактерий, спор, микробов и вирусов (инактивация). Для удаления бактерий в воду вводят дезинфицирующее вещество (например, озон при озонировании воды или соединения хлора, при хлорировании воды). Чем больше дезинфицирующего вещества введено, тем эффективнее его воздействие на бактерии. 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. 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. 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 обычно требуется доза озона 2,5 мг/л. Для южных районов, где исходная цветность воды значительно больше, требуется уже доза озона, равная 8 мг/л.Физический механизм воздействия озона при обесцвечивании воды заключается, во-первых, в разложении веществ до простейших — воды и углекислого газа, 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.

Обезжелезивание. Удаление железа и марганца. В природных водах наиболее часто встречается железо в двух валентной 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. 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.

2. Устранение привкусов и запахов воды

Неприятные привкусы и запахи в некоторых природных водах вызываются присутствием соединений минерального и органического происхождения, находящихся в растворенном или коллоидном состоянии. Озон окисляет названные выше соединения, приводя к их расщеплению, сопровождающемуся исчезновением привкусов и запахов. Благодаря более высокой окислительной способности, озон в состоянии действовать на такие соединения, которые не подвергаются воздействию других химических реагентов. Обработка воды избыточным количеством озона не влечет за собой никаких нежелательных явлений: избыточный озон, будучи нестойким, снова превращается в кислород в течение нескольких минут. Озонирование не создает дополнительных или замещающих соединений, тогда как хлор дает с некоторыми веществами сложные соединения, вызывающие появление весьма резких запахов. Например, при обработке хлоров воды, содержащей примесь фенолов, образуется хлорфенол, имеющий весьма неприятные привкус и запах. Наконец, при обработке озоном вода насыщается кислородом, что приводит к эффекту родниковой воды. Нежелательные компоненты. В последние годы в поверхностных водах и, соответственно, в питьевой воде, обнаружено большое количество мутагенных и канцерогенных веществ. Есть два источника появления мутагенов в питьевой воде: мутагенные вещества, которые уже присутствуют в сырой воде, и предсубстанции, которые формируют мутагены в результате реакции с хлором. Последние представляют постоянно растущую опасность вследствие загрязнения окружающей среды. Предсубстанциями, к примеру, являются гуминовые кислоты, в результате реакции которых с хлором образуются тригалометаны (ТГМ). Чтобы избежать образования ТГМ, предсубстанции должны быть удалены из воды перед ее хлорированием. Как уже упоминалось выше, такие предсубстанции легко окисляются озоном. Защита приготовленной воды от повторного загрязнения. Озон полностью и успешно заменяет хлор или двуокись хлора в процессе приготовления питьевой воды, однако он не обладает пролонгированным действием. Для предотвращения повторного загрязнения воды на пути к потребителям в воду добавляют хлор в небольших дозах непосредственно перед подачей в трубопроводную сеть. Пост-обработка очищенной воды хлором не приводит к образованию нежелательных компонентов и используется во всем мире. Установки очистки сточных вод. Химическое окисление озоном является основой перспективной технологии очистки сточных вод, загрязненных органическими веществами. Озон сам по себе, или в комбинации с гидроксил-радикалами, эффективен против большинства органических соединений, и в результате обработки загрязнители разлагаются, образуя безвредные вещества. Основная цель обработки сточных вод озоном — уменьшение ХПК и содержания хлороорганических веществ в той части, которая не может быть удалена предварительной биологической очисткой. По сравнению с другими методами, в результате окисления озоном, в воде не остается растворенных веществ, которые необходимо удалять дальнейшей специальной обработкой.

3. Использование озона в газовой и жидкой фазе

Использование озона в газовой фазе

Использование озона в жидкой фазе

4. Стерилизация изделий медицинского назначения озоном в газовой

фазе

Развитие современной медицинской техники требует развития новых эффективных методов холодной стерилизации. Хирургические инструменты с микронной заточкой, эндоскопическое и лапароскопическое оборудование, катетеры не выдерживают температурной обработки воздухом или паром под давлением. Ограниченность применения температурной обработки связана с широким применением в современной медицине полимеров, оптики, клеевых соединений. Пластмассы применяются также и для внутреннего и наружного протезирования в стоматологии, лицевой хирургии, травматологии и т. п.

В настоящее время в практике работы лечебно-профилактических учреждений в РФ и за рубежом применяются жидкостные и газовые методы холодной стерилизации на основе высокотоксичных хлорсодержащих соединений, окиси этилена, формальдегида, перекиси водорода, использование которых связано со следующими проблемами:

· большим временем стерилизации (4−6 часов),

· трудностями утилизации реагентов, их неблагоприятным влиянием на окружающую среду,

· необходимостью удаления следов стерилизующего агента с инструментов и оборудования промывкой в стерильной воде или длительной аэрацией стерильным воздухом,

· неблагоприятным влиянием ряда стерилизующих веществ и их производных на здоровье персонала, проводящего стерилизацию.

Применение жидкостной стерилизации ограничено также невозможностью использования упаковок и, следовательно, простых методов поддержания стерильности изделий до момента их использования.

Газовые стерилизаторы на основе окиси этилена (ЕО) использовались более сорока лет для стерилизации термочувствительных и влагочувствительных изделий. Недавно ЕО был признан потенциально мутагенным, неврогенным и небезопасным с точки зрения пожарои взрывоопасности. Ряд организаций предлагают считать ЕО канцерогенным. Occupapational Safety and Health Administrationa (OSHA) были наложены жесткие требования в отношении обнаружения ЕО и использования ЕО, содержание которой в воздухе вместе с другими токсичными загрязнителями контролируется организациями по защите окружающей среды, действие которых направлены на очищение воздуха. Кроме того, было обращено внимание на то, что хлорофлюорокарбониты (CFCs), являющиеся растворителями ЕО, в использующихся во многих стерилизаторах смесях ЕО-CFC, приводят к разрушению озонового слоя. Правила и ограничения, установленные в этих документах, заставили многие больницы отказаться от использования ЕО-стерилизаторов.

Газовый озоновый стерилизатор лишен перечисленных выше недостатков. Он характеризуется низкой температурой газа во время стерилизационного цикла (до 40°C), имеет низкое энергопотребление (120 Вт при объеме стерилизационной камеры10 литров), сравнительно небольшую длительность стерилизационного цикла, прост в эксплуатации, может быть установлен непосредственно в кабинете врача, не требует расходных материалов и химически стойких дезинфектантов, подлежащих утилизации, не требует отмывки изделий или аэрации после стерилизационного цикла. Стерилизация происходит в озоне, обладающем высокой окислительной способностью. Озон получается из кислорода атмосферного воздуха и по окончании цикла стерилизации конвертируется в кислород.

Стерилизатор СО-01-С-Пб не имеет аналогов в РФ и в странах Европы, имеет патентную защиту в РФ и весь набор разрешительных документов Минздрава РФ и Госстандарта.

Озоновый стерилизатор успешно эксплуатируется в отделениях и кабинетах стоматологии, лапароскопии, эндоскопии, микрохирургии, урологии, пластической хирургии, рефлексотерапии и т. д.

Низкое энергопотребление, отсутствие необходимости в расходных реагентах, простота управления, небольшое время стерилизации делают озоновый стерилизатор крайне привлекательным для полевой хирургии, медицины катастроф. Имеются методические рекомендации МО РФ.

Применение озона в технологиях хранения и переработки пищевых продуктов

Микробная контаминация пищевых продуктов может представлять опасность для здоровья потребителей и сокращает сроки реализации продукции. Для снижения уровней микробного загрязнения продуктов используют тепловую обработку, гамма-излучение, химические консерванты. Тепловая обработка, как правило, влечет за собой изменение органолептических свойств продукта и снижает его пищевую ценность, в частности, из-за разрушения большинства витаминов. Применение радиации и консервантов снижает привлекательность продукции в глазах населения. На протяжении последних лет все большее внимание производителей пищевой продукции привлекает озонирование. Озон является одним из наиболее сильных антимикробных агентов и имеет ряд бесспорных преимуществ по сравнению с другими обеззараживающими агентами:

· В процессах дезинфекции озон конвертируется в кислород, который не токсичен и не образует токсичных соединений. Озон — нестойкий газ, который самопроизвольно разлагается и не накапливается в организме. Озоновая дезинфекция не требует последующей обработки — промывки или дегазации изделий в специальных помещениях.

· Обладая исключительно высокой окислительной способностью, озон гораздо более эффективен, чем традиционно используемые реагенты такие, как формальдегид, хлор, окись этилена и др. в процессах инактивации бактерий, спор бактерий, грибов, вирусов. Для озона требуется меньшее время контакта, чем для других дезинфектантов.

· Озон обладает сильным дезодорирующим эффектом.

· Технологии применения озона — экологически чистые. Непрореагировавший озон разлагается на катализаторах разложения озона. Процесс разложения ускоряется при температурном воздействии.

· Для генерации озона необходим только воздух или кислород и электроэнергия. При применении озоновых технологий исключаются транспортировка и хранение реагентов, связанные с соблюдением мер безопасности.

· Присущий озону запах оповещает персонал в случае аварийной ситуации задолго до достижения опасных для здоровья концентраций. Существуют простые и дешевые методы определения концентрации озона на уровне ПДК.

В настоящее время в мире накоплен значительный опыт применения озона для обработки фруктов и овощей с целью снижения их микробной обсемененности и повышении сохранности. В России подобные работы проводятся уже на протяжении 20, в США эксперты FDA и USDA одобрили применение озона как «Generally Recognized As Safe (GRAS)». Эта формулировка используется по отношению к новым агентам, свидетельства, указывающие на опасность применения которых отсутствуют.

Основные применения озона в технологиях хранения сырья, переработке и хранении продукции в пищевой промышленности:

1. Повышение сохранности овощей и фруктов Высокая эффективность применения озона отмечена при хранении картофеля, моркови, капусты, лука, винограда и яблок. Для каждого из этих видов плодоовощной продукции разработаны рекомендуемые режимы обработки для непродолжительного, среднесрочного и длительного хранения.

2. Озонирование воздуха хранилищ, холодильных камер, технологических участков Небольшие концентрации озона (до 10 мг/м³) с успехом применяются для озонирования воздуха холодильных камер с целью увеличения срока сохранности таких продуктов, как яйца, фрукты, ягоды, мясо, сливочное масло, рыба.

3. Мытье овощей и фруктов озонированной водой перед закладкой их на хранение Мытье овощей озонированной водой используется и перед закладкой их на хранение в замороженном виде. Использование озона для обработки технологической воды по мнению некоторых авторов особенно перспективно, так как это позволяет не только достигнуть снижения уровня микробной обсемененности, но и обеспечивает инактивацию вредных хлорорганических соединений, присутствующих в водопроводной воде, снижает объем сточных вод и облегчает организацию систем оборотного водоснабжения.

4. Обработка мяса и птицы с целью увеличения сроков хранения Исследованиями была установлена зависимость срока хранения охлажденного мяса от суммарной микробной обсеменности его поверхности. Применение озона в концентрации 10−20 мг/м³ позволило увеличить допустимый срок хранения на 30−40%. Биохимический анализ тканевых липидов и производных миоглобина мяса не выявил существенных различий между опытными и контрольными образцами. Рекомендуется обработка тушек птицы озоносодержащей жидкостью с концентрацией озона 7,5−10 г/м³ при экспозиции не менее 30 минут.

5. Обработка технологической воды при консервировании продуктов Озон с успехом используется для обработки технологической воды в консервной промышленности. Загрязнение спорами грибов и плесеней технологической воды способствует загрязнению фруктов и попаданию грибов и плесеней в готовую продукцию, что влечет за собой ее порчу. Для предотвращения контаминации воды, используемой при переработке фруктов, грибами и плесенями на предприятиях плодоперерабатывающей промышленности традиционно используют хлор и ортофенилфенат. Эти вещества остаются на поверхности фруктов и в конечном итоге попадают в организм человека, не будучи безвредными. Применение озонированной воды позволяет создать эффективную, экологически чистую технологию мытья пищевой продукции перед консервированием.

6. Использование озона в газовой фазе и концентрированных растворов озона в воде для обеззараживания тары и технологического оборудования Важную роль в молочной, пивоваренной и других отраслях пищевой промышленности играет дезинфекция производственных емкостей — обязательная операция всех технологических процессов. Часто используемый в настоящее время метод тепловой дезинфекции энергетически не выгоден и приводит к разрушению специальных покрытий на поверхности технологических емкостей. Применение озонированной воды и озона в газовой фазе для дезинфекции производственных емкостей обусловлено высокой дезинфицирующей способностью озона.

7. Водоподготовка для бутилированной воды и изготовления напитков Использование озона для водоподготовки и водоочистки признано и разрешено повсеместно. Использование озона для водоподготовки бутилированной воды разрешено в США с 1982. В Европе озон для этих целей используется более 20 лет.

5. Другие сферы применения озона

Плавательные бассейны. Плавательные бассейны являются замкнутыми системами с циркуляцией воды. Вода, загрязняемая посетителями, постоянно циркулирует, проходя ступень очистки, которая призвана поддерживать качество воды в соответствии с санитарными требованиям для предотвращения передачи таких заболеваний, как конъюктивиты, энтериты, дерматиты, и инфекций. Основная цель дезинфекции — поддержание чистоты воды для предотвращения угрозы здоровью посетителей, и предохранение от размножения водорослей, окрашивающих воду. Озон является эффективным дезинфектантом, разлагающим аминокислоты и придающим воде привлекательный голубой цвет. Остаточный озон в воде, возвращаемой из системы очистки в бассейн, необходимо разрушить при помощи фильтров с активированным углем, или ультрафиолетовым излучением. Поскольку вода в чаше бассейна не содержит озон и восприимчива к загрязнению, для поддержания надежной дезинфекции применяют малые дозы хлора или его производных. Рыбные хозяйства и аквариумы. Применение озона в рыбных инкубаторах, рыбных хозяйствах и аквариумах приобретает все большую популярность. Риск распространения инфекций возрастает пропорционально плотности заселенности рыбы. Для улучшения показателей выживаемости мальков и рыбы очень важно предотвратить проникновение в систему болезней, связанных с водой. Это в равной мере относится как к проточным, так и к циркуляционным системам. Как уже упоминалось выше, озон является отличным дезинфектантом, однако содержание остаточного озона в воде, поступающей в резервуар с рыбой, должно быть ниже уровня, опасного для жизни рыб.

Доочистка водопроводной воды. В ряде случаев потребители доочищают водопроводную воду для обеспечения ее соответствия определенным стандартам. Применение озона в комбинации с фильтрацией на гранулированном активированном угле является совершенным методом доочистки. Замкнутые системы водопользования. Системы многократного использования воды применяются для промывки продуктов сельского хозяйства перед переработкой или упаковкой, для промывки стеклотары, оборудования, и в ряде других случаев. Применение озона в сочетании с фильтрацией позволяет очистить воду, отказаться от использования хлоросодержащих веществ и использовать воду вновь.

Обработка охлаждающей воды. Озон является отличной заменой антисептиков в системах рециркуляции охлаждающей воды на тепловых и электростанциях, в промышленности. Законодательство многих стран ограничивает использование хлоросодержащих веществ, что сокращает возможность использования традиционных антисептиков. Применение озона совместно с другими реагентами позволяет решать старые проблемы современными методами, не загрязняющими окружающую среду.

Заключение

Дальнейшие применения.

Появление экономичных генераторов озона приводит к пересмотру подходов потенциальных потребителей, не предполагавших использовать озон вследствие дороговизны его в прошлом. Обнаруживаются новые области, в которых достоинства озона не находили ранее применения:

· Травление шаблонов в производстве полупроводников.

· Дезинфекция и очистка в водяных системах охлаждения.

· Дезинфекция и очистка отработанных материалов и вторичного сырья.

Возможности для совершенствования выпускаемой продукции путем замены традиционных дезинфектантов озоном, или вводом озона в технологические процессы, безграничны. Например, при производстве напитков (бутилированной воды, безалкогольных напитков, пива и т. д.), используемая вода должна быть предварительно очищена и продезинфицирована.

На предприятиях, выпускающих консервы и замороженные продукты, сырье необходимо промывать чистой водой в больших объемах. Список других возможных областей применения озона, не претендующий на полноту, может включать:

· Дезинфекцию в зоопарках.

· Дезинфекцию воздуха в холодильных камерах.

· «Мокрую» дезинфекцию упаковочных материалов.

· Дезинфекцию в системах кондиционирования воздуха.

· Дезинфекцию воды для пациентов в больницах.

· Дезинфекцию операционных, препараторских и кабинетов.

· Новые передовые окислительные технологии.

Области применения генераторов озона широки.

Продолжение совершенствования озонаторов и систем на их основе направлено сейчас на дальнейшее удешевление их использования и расширение сферы их применения.