21.04.2011 г.

Перевод с английского статьи:

Ozone Dis        soluti   on and Decomposition

 in Aqueous Systems.

Авторы: A.K. Bin

Faculty of chemical and process engineering

Warsaw University of Technology, Warszawa, Poland.

Источник: 13th ozone world congress.

Kyoto, Japan. 1997. V.1

 

Растворение и разложение озона в водных системах.

 

Введение.

В водных растворах озон нестабилен, и его эффективность зависит от скорости с которой он разлагается. Было установлено, что на растворимость озона и его разложение в водных растворах влияет температура, уровень рН и состав жидкой фазы (природа растворенных солей, ионная сила и концентрация акцепторов гидроксильных радикалов). Влияние данных параметров изучалось многими авторами, последние исследования указаны в [1]-[4]. Их анализ демонстрирует, что в водных системах кинетика разложения озона имеет комплексную природу, и она может варьироваться в порядке реакции по отношению к концентрации растворенного озона и концентрации гидроксидного иона, в зависимости от значений уровня рН и присутствия акцепторов OHּ (то есть органических молекул, НСО3-, РО43-, и т.д.). Переход порядка кинетики с 1,5 до 1 по отношению к [O3] возникает при нейтральных уровнях рН, тогда как второй порядок кинетики по отношению к [O3] может возникать в забуференной системе.

 

Определение величины растворения и величины разложения озона в водных системах.

В основном, для изучения растворимости озона и/или его разложения в водных системах, может быть использовано три динамических метода:

(I) Растворение озона в экспериментальной системе путем пропускания газа, содержащего озон через жидкость и контроль концентрации растворенного озона во времени;

(II) Начальное насыщение жидкости озоном и затем выделение его в инертный газ;

(III) После начального насыщения жидкости озоном, поток газа останавливается и наблюдается постепенное снижение концентрации озона со временем.

 

(I) Метод растворения озона.

Описание данных, полученных при использовании первого метода, базируется на следующих соображениях. Если изменениями в концентрации газовой фазы озона можно пренебречь, то есть, когда эффективность адсорбции озона относительно мала, может быть принято, что Cgconst, и, следовательно, равновесная концентрация озона в жидкости также постоянна, CL*const, процесс растворения (адсорбции) озона может быть описан знакомым выражением:

 

                                                                (1)

 

kLa – объемный коэффициент переноса масс в жидкости, а k – постоянная скорости растворения. Потребление озона (разложение или другой химический процесс) учитывается во втором члене. Вводя подходящие безразмерные параметры: С+=СL/CL* и =(kLa)t, выражение (1) может быть трансформировано в:

 

                                                                         (2)

 

К - здесь является безразмерным параметром кинетики, который учитывает разложение (или реакцию) озона в водной системе. Когда процесс разложения озона следует простой схеме и может быть выражен единственным членом, он принимает простую форму, как это показано в выражении (1):

 

                                                                               (3)

 

или будет принимать более комплексную форму если, например, использовать выражение по Sotelo et al. [2] (c m=1,5):

 

                                                                  (4)

 

где k1=kА/(kLa), а k2=kB/(kLa).

Выражение (2) может быть аналитически решено для некоторых значений m, принимая значение K постоянным. Это подразумевает экспериментальные условия, которые требуют в течение процесса адсорбции поддержания постоянной температуры, постоянного давления, постоянных значений kLa и CL*, то есть постоянной скорости течения газа и незначительных колебаний концентрации озона в газовой фазе.

1о m=1.

Теперь выражение (2) упрощается до:

 

                                                                             (5)

 

с коэффициентом K=k/(kLa), который принимает значение числа Дамкелера для реакции первого порядка. Интегрирование данного выражения является прямым (в изотермических условиях, при хорошем перемешивании, при постоянном уровне рН, с начальной концентрацией =0, C+=0), и приводит к известному решению (cf. Roth and Sullivan [5]):

 

                                                                   (6)

 

При  безразмерная концентрация растворенного озона стремится к асимптоте:

 

                                                                                      (7)

 

что соответствует устойчивому состоянию, при котором dC+/d=0. При

 

                                                               (8)

 

Очевидно, что для маленьких значений  безразмерная концентрация C+ будет независима от K.

2о m=2.

В данном случае, выражение (2) приобретает вид:

 

                                                                         (9)

 

Принимая такие же условия, как и ранее, выражение (9) может быть аналитически интегрировано:

 

                                                                          (10)

 

где M=, а L=exp(M). Снова, при , безразмерная концентрация растворенного озона стремится к асимптоте:

 

                                                                 (11)

 

Дальнейшее упрощение выражения (10) приводит к следующим результатам. При

                                                                                     (12)

и снова, для маленьких значений  безразмерная концентрация, C+, должна быть независима от K.

Для случая 3/2 и для случая более комплексных форм кинетического члена K, выражения (2) и (4) могут быть численно решены с использованием наиболее популярной схемы метода Рунге-Кутта.

 

(II) Метод выделения озона в инертный газ.

Для данного случая может быть получено следующее выражение:

 

                                                                        (13)

 

где Y=СL/CL0, и φ=, а uG – suerficial скорость газа, He- постоянная Генри, h0высота слоя жидкости в колонне. Выражение (13) может быть аналитически решено при начальных условиях: =0, Y=1 ??, а полученные решения для некоторых значений m показаны в Таблице 1.

Таблица 1. Аналитические решения выражения (13).

 

m

K0

Решение

Примечание

4о

1/2

5о

1

Y=exp[-(+K0) ]

Y0 при

6о

3/2