Ứng dụng ozone trong các ngành công nghiệp

Ozone thường được coi là rào cản của tầng bình lưu đối với bức xạ tia cực tím trên đường đi từ mặt trời đến bề mặt trái đất. Nó cũng thường được coi là chất gây ô nhiễm ở tầng đất và là thành phần của khói bụi. Nhưng ozon cũng là một chất oxy hóa hóa học mạnh, có thể được khai thác và sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau cho nhiều ứng dụng. Bài báo này phác thảo một số ứng dụng công nghiệp quan trọng nhất của ozone và đánh giá lợi ích của việc sử dụng hóa chất này đối với những rủi ro liên quan đến các nguy cơ tiềm ẩn của nó. Trong quá khứ, một số yếu tố xung quanh việc tạo ra ozone tại chỗ, cùng với hiệu quả của các quá trình tạo ra và khả năng vận hành và kiểm soát chúng từ xa, đã ngăn cản việc sử dụng ozone rộng rãi. Bây giờ, một số công ty hàng đầu đã tinh chế và tạo ra ozone tiên tiến,

Sự hình thành chất ozone

Về mặt hóa học, đặc điểm nổi bật của ozon là tính không ổn định và khả năng oxy hóa cao nên ozon trở thành chất oxy hóa mạnh. Quá trình oxy hóa liên quan đến việc mất điện tử và thay đổi hóa trị do sự hiện diện của oxy. Có thể phát hiện ở 10 phần triệu (ppm), loại khí không màu, có mùi hăng hắc này (mặc dù đôi khi được cho là màu xanh lam nhạt ở nồng độ cao hơn) không phân biệt trong các phản ứng của nó, nhưng có tiềm năng oxy hóa khử là 2,07, khiến nó trở nên vô cùng mạnh mẽ. Là dạng oxy ba nguyên tử, dị hướng, nó có trọng lượng phân tử là 48 và được nhận biết bằng ký hiệu hóa học O 3 (Hình 1). Hóa chất ngưng tụ thành chất lỏng màu xanh đậm và kết tinh thành màu xanh đen.

Hình 1. Cấu trúc hóa học của ozon

Trong tự nhiên, ozone được hình thành do phản ứng của các phân tử oxy đã được cung cấp năng lượng bởi bức xạ mặt trời ở tầng bình lưu. Ozone cũng được hình thành sau khi phóng điện sét trong khí quyển. Ôzôn đối lưu được tạo ra bởi các phản ứng hóa học giữa các oxit của nitơ (NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). Loại ôzôn này được coi là ôzôn tầng mặt đất và được tạo ra bởi các chất ô nhiễm công nghiệp và các chất ô nhiễm khác phản ứng với ánh sáng mặt trời. Trong trường hợp này, ozone là một thành phần của khói, và có thể gây ra các vấn đề sức khỏe cộng đồng.
Trong các ứng dụng công nghiệp, ozon đôi khi được gọi là “chất oxy hoạt tính”, được tạo ra bằng cách kích thích dòng oxy với lượng năng lượng cao hoặc tia cực tím hoặc năng lượng quang học khác. Điều này sẽ gây ra sự phân hủy các nguyên tử oxy, khiến oxy diatomic phân tách và tái kết hợp với các phân tử O2 khác gần đó. Bởi vì nguồn ozone để sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp là không khí xung quanh, nó có thể là một phương pháp xử lý hóa học bền vững cho nhiều tình huống công nghiệp Nói chung, sự hình thành ozone xảy ra theo các phương trình sau:
O 2 + Năng lượng ——> O · + O · (gốc oxy tự do) (1)
O 2 + O · ——> O3 (2)

Ứng dụng Ozone trong công nghiệp

Danh sách các ngành công nghiệp sử dụng ozone tăng lên hàng ngày. Hơn 100 ngành công nghiệp khác nhau sử dụng ozone trong hàng nghìn ứng dụng. Nhiều ngành trong số này liên quan đến xử lý nước, bao gồm nuôi trồng thủy sản, hồ cá, công viên nước và những thứ khác. Ozone cũng được sử dụng trong các quy trình sản xuất một loạt các sản phẩm, chẳng hạn như chất khử mùi và trong lĩnh vực y tế.
Nhiều hồ bơi, spa và các nhà sản xuất bồn tắm nước nóng đã thêm ozone như một phương pháp khử trùng thứ cấp, đảm bảo rằng thiết bị của khách hàng chạy hiệu quả và ít hóa chất được yêu cầu hơn. Các vườn thú và hồ cá đã bổ sung hệ thống ozone vào nguồn nước để giữ cho nguồn nước được sạch và tăng cường lượng oxy hòa tan trong nước. Ozone cũng giúp loại bỏ TDS (tổng chất rắn hòa tan) và TSS (tổng chất rắn lơ lửng) bằng cách giúp đông tụ các hạt. Amoniac và nitrat có hại được oxy hóa thành nitrat ít có hại hơn, giúp động vật khỏe mạnh hơn.
Hợp chất ôzôn được phân loại là chất khử trùng, chất diệt khuẩn, chất diệt tảo và chất diệt khuẩn. Khử trùng là quá trình làm sạch thứ gì đó để loại bỏ các vi sinh vật như vi khuẩn, động vật nguyên sinh và u nang. Do tính không ổn định cao và khả năng oxy hóa cao, ozone rất mạnh và không phân biệt về phản ứng với các loại hóa chất khác. Ozone đã được chứng minh là một phương pháp xử lý hiệu quả để phá hủy VOC, loại bỏ kim loại, tổng chất rắn lơ lửng, carbon hữu cơ và nhiều loại khác cũng như giảm đáng kể nhu cầu oxy hóa hóa học (COD).
Tính không ổn định cao của nó dưới áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn đòi hỏi phải tạo ra tại chỗ cho các ứng dụng công nghiệp (Hình 2). Vì có khả năng phản ứng cao và thời gian bán hủy ngắn nên việc lưu trữ dài hạn không phải là một lựa chọn phù hợp đối với ozone.

Hình 2. Hệ thống tạo ôzôn tại chỗ tại cơ sở xử lý nước

Trong các điều kiện xử lý điển hình, sử dụng nguồn oxy tương đối tinh khiết và thiết kế buồng phóng điện hào quang, sử dụng hồ quang điện cao áp, các phản ứng được thể hiện trong Công thức (1) và (2) có thể tạo ra tới 9–12% wt ôzôn, mặc dù sản lượng thường là 1-9% trọng lượng ozone. Phần còn lại của dòng chảy là oxy. Nồng độ của ozone được giới hạn trong phạm vi này.

Ozone thường được coi là rào cản của tầng bình lưu đối với bức xạ tia cực tím trên đường đi từ mặt trời đến bề mặt trái đất. Nó cũng thường được coi là chất gây ô nhiễm ở tầng đất và là thành phần của khói bụi. Nhưng ozon cũng là một chất oxy hóa hóa học mạnh, có thể được khai thác và sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau cho nhiều ứng dụng. Bài báo này phác thảo một số ứng dụng công nghiệp quan trọng nhất của ozone và đánh giá lợi ích của việc sử dụng hóa chất này đối với những rủi ro liên quan đến các nguy cơ tiềm ẩn của nó. Trong quá khứ, một số yếu tố xung quanh việc tạo ra ozone tại chỗ, cùng với hiệu quả của các quá trình tạo ra và khả năng vận hành và kiểm soát chúng từ xa, đã ngăn cản việc sử dụng ozone rộng rãi. Bây giờ, một số công ty hàng đầu đã tinh chế và tạo ra ozone tiên tiến,Về mặt hóa học, đặc điểm nổi bật của ozon là tính không ổn định và khả năng oxy hóa cao nên ozon trở thành chất oxy hóa mạnh. Quá trình oxy hóa liên quan đến việc mất điện tử và thay đổi hóa trị do sự hiện diện của oxy. Có thể phát hiện ở 10 phần triệu (ppm), loại khí không màu, có mùi hăng hắc này (mặc dù đôi khi được cho là màu xanh lam nhạt ở nồng độ cao hơn) không phân biệt trong các phản ứng của nó, nhưng có tiềm năng oxy hóa khử là 2,07, khiến nó trở nên vô cùng mạnh mẽ. Là dạng oxy ba nguyên tử, dị hướng, nó có trọng lượng phân tử là 48 và được nhận biết bằng ký hiệu hóa học O 3 (Hình 1). Hóa chất ngưng tụ thành chất lỏng màu xanh đậm và kết tinh thành màu xanh đen.Trong tự nhiên, ozone được hình thành do phản ứng của các phân tử oxy đã được cung cấp năng lượng bởi bức xạ mặt trời ở tầng bình lưu. Ozone cũng được hình thành sau khi phóng điện sét trong khí quyển. Ôzôn đối lưu được tạo ra bởi các phản ứng hóa học giữa các oxit của nitơ (NOx) và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC). Loại ôzôn này được coi là ôzôn tầng mặt đất và được tạo ra bởi các chất ô nhiễm công nghiệp và các chất ô nhiễm khác phản ứng với ánh sáng mặt trời. Trong trường hợp này, ozone là một thành phần của khói, và có thể gây ra các vấn đề sức khỏe cộng đồng.Trong các ứng dụng công nghiệp, ozon đôi khi được gọi là “chất oxy hoạt tính”, được tạo ra bằng cách kích thích dòng oxy với lượng năng lượng cao hoặc tia cực tím hoặc năng lượng quang học khác. Điều này sẽ gây ra sự phân hủy các nguyên tử oxy, khiến oxy diatomic phân tách và tái kết hợp với các phân tử O2 khác gần đó. Bởi vì nguồn ozone để sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp là không khí xung quanh, nó có thể là một phương pháp xử lý hóa học bền vững cho nhiều tình huống công nghiệp Nói chung, sự hình thành ozone xảy ra theo các phương trình sau:O 2 + Năng lượng ——> O · + O · (gốc oxy tự do) (1)O 2 + O · ——> O3 (2)Danh sách các ngành công nghiệp sử dụng ozone tăng lên hàng ngày. Hơn 100 ngành công nghiệp khác nhau sử dụng ozone trong hàng nghìn ứng dụng. Nhiều ngành trong số này liên quan đến xử lý nước, bao gồm nuôi trồng thủy sản, hồ cá, công viên nước và những thứ khác. Ozone cũng được sử dụng trong các quy trình sản xuất một loạt các sản phẩm, chẳng hạn như chất khử mùi và trong lĩnh vực y tế.Nhiều hồ bơi, spa và các nhà sản xuất bồn tắm nước nóng đã thêm ozone như một phương pháp khử trùng thứ cấp, đảm bảo rằng thiết bị của khách hàng chạy hiệu quả và ít hóa chất được yêu cầu hơn. Các vườn thú và hồ cá đã bổ sung hệ thống ozone vào nguồn nước để giữ cho nguồn nước được sạch và tăng cường lượng oxy hòa tan trong nước. Ozone cũng giúp loại bỏ TDS (tổng chất rắn hòa tan) và TSS (tổng chất rắn lơ lửng) bằng cách giúp đông tụ các hạt. Amoniac và nitrat có hại được oxy hóa thành nitrat ít có hại hơn, giúp động vật khỏe mạnh hơn.Hợp chất ôzôn được phân loại là chất khử trùng, chất diệt khuẩn, chất diệt tảo và chất diệt khuẩn. Khử trùng là quá trình làm sạch thứ gì đó để loại bỏ các vi sinh vật như vi khuẩn, động vật nguyên sinh và u nang. Do tính không ổn định cao và khả năng oxy hóa cao, ozone rất mạnh và không phân biệt về phản ứng với các loại hóa chất khác. Ozone đã được chứng minh là một phương pháp xử lý hiệu quả để phá hủy VOC, loại bỏ kim loại, tổng chất rắn lơ lửng, carbon hữu cơ và nhiều loại khác cũng như giảm đáng kể nhu cầu oxy hóa hóa học (COD).Tính không ổn định cao của nó dưới áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn đòi hỏi phải tạo ra tại chỗ cho các ứng dụng công nghiệp (Hình 2). Vì có khả năng phản ứng cao và thời gian bán hủy ngắn nên việc lưu trữ dài hạn không phải là một lựa chọn phù hợp đối với ozone.Trong các điều kiện xử lý điển hình, sử dụng nguồn oxy tương đối tinh khiết và thiết kế buồng phóng điện hào quang, sử dụng hồ quang điện cao áp, các phản ứng được thể hiện trong Công thức (1) và (2) có thể tạo ra tới 9–12% wt ôzôn, mặc dù sản lượng thường là 1-9% trọng lượng ozone. Phần còn lại của dòng chảy là oxy. Nồng độ của ozone được giới hạn trong phạm vi này.