Všechno co jste kdy chtěli vědět o ozonu a UV (ale báli jste se zeptat)

Datum: 1.1.2013
Využití ozonu a UV záření při úpravě vody nelze v dnešní době již považovat za něco převratného – vždyť ozonizace byla poprvé využita ve vodárenství v roce 1893 ve Francii a UV záření v roce 1916 v USA. Obě technologie dnes nacházejí široké uplatnění při úpravě všech typů vod – od pitných přes bazénové, technologické až po vody balastní. Z tohoto pohledu nepovažuji za nutné znovu rekapitulovat možnosti a výhody použití těchto technologií, ale chtěl bych se spíše zaměřit na méně známé souvislosti použití těchto způsobů úpravy vod. Oběma technologiím je společné, že při návrhu a projektování je vhodné mít dobře popsané médium, které chceme upravovat a čeho chceme úpravou dosáhnout.

O ozonu Výroba ozonu Ozon (O3) je nestabilní plyn, těžší než vzduch, který se samovolně rozpadá na kyslík, poločas rozpadu je závislý na teplotě, prostředí a dalších faktorech. Z tohoto důvodu není ozon možné skladovat a je nutno ho připravovat přímo na místě v zařízeních nazývaných generátor ozonu. Díky vysokému oxidačnímu potenciálu je hojně využíván k oxidaci širokého spektra látek znečišťujících vodu a vzduch. V dnešní době se ke generování ozonu používají tři metody:
- pomocí UV záření o vlnové délky okolo 185 nm: takto lze připravit pouze malé množství ozonu o nízké koncentraci a generování pomocí UV je proto využíváno spíše pro jednoduché aplikace, zejména při úpravě vzduchu,
- elektrolyticky přímo ve vodě: tímto způsobem je připravována „ozonizovaná“ voda (s rozpuštěným ozonem), kterou lze využívat např. pro dezinfekci povrchů. Lze připravovat ozon o vysoké koncentraci, ale celý proces je technologicky náročný, - vysokonapěťový výboj (corona discharge): jedná se o nejpoužívanější způsob přípravy ozonu a z toho důvodu se budeme zabývat pouze touto technologií.

Generátory pracující na principu vysokonapěťového výboje připravují ozon v tzv. výbojovém elementu, kterým prochází pracovní médium – vzduch nebo čistý kyslík a v tomto prostředí dochází k výboji. Energie výboje štěpí část molekul kyslíku na atomární kyslík, který se dále slučuje s molekulou kyslíku a tvoří trojmocnou molekulu ozonu O3. Výkon generátoru ozonu se udává většinou v g nebo kg O3/hod. Dalším důležitým údajem je koncentrace ozonu v plynu vystupujícím z generátoru ozonu, obvykle udávaná ve váhových procentech. Koncentrace ozonu rozpuštěného v upravovaném médiu se obvykle uvádí v ppm, mg/l nebo µg/m3 (vzduch) a pro různé aplikace je doporučena koncentrace a také reakční doba – čas, po který je upravované médium vystaveno účinné dávce. Důležitým údajem pro provoz generátoru ozonu je energie spotřebovaná na g/kg vyrobeného ozonu, tedy kW/g (kg) O3. V souvislosti s bezpečností provozu ozonizačních technologií je třeba si uvědomit, že ozon je velice nebezpečný jako plyn, kdy již při nižších koncentracích dochází k iritaci dýchacích cest a při vyšších koncentracích je ohrožen lidský život. Lidský nos je velice citlivý na přítomnost ozonu ve vzduchu a je schopen rozeznat již koncentrace okolo 10 µg/m3 (pro srovnání – osmihodinový imisní limit je 180 µg/m3). Naproti tomu ozon rozpuštěný ve vodě není pro organismus zdaleka tolik nebezpečný a ozonizovaná s vysokou koncentrací je využívána v lékařství k tzv. ozonoterapii (k pití či výplachům; koncentrace až 80 ppm!) Při návrhu ozonizace je důležité vzít v úvahu, že ozon lze pouze těžko využít jako reziduální dezinfekci (tzn. zajištění média v dalších rozvodech), a to ze dvou důvodů. Prvním je samovolný rozpad ozonu, tedy po určitém čase již není koncentrace ozonu v médiu taková, aby zajistila účinnou dezinfekci. Druhým je nutnost provést všechny rozvody, kam se má ozon dále propagovat, odolné vůči ozonu, což je většinou ekonomicky nepřijatelné. Vlastní generátor ozonu však tvoří jednu část celé ozonizační technologie, která se skládá z několika dalších součástí, které jsou pro správnou funkci ozonizace nezbytné a mají značný vliv na celkovou účinnost aplikace ozonu.

Generátor ozonu OZAST s vestavěným generátorem kyslíku (výrobce Lifetech s.r.o.)

Příslušenství ozonizační technologie – až na prvním místě

Správná a stabilní funkce ozonizační technologie je závislá na celé řadě součástí, které mají vliv na účinnost technologie a provozní náklady.

- Příprava pracovního média: ozon je možné připravovat ze vzduchu nebo z čistého kyslíku. Správná příprava pracovního média má vliv zejména na výstupní koncentraci ozonu a životnost výbojového elementu generátoru. Jednotky pracující se vzduchem jsou určeny spíše pro menší výkony (řádově g O3/hod.) a produkují nižší koncentrace ozonu (< 5% váhových). Při výrobě ze vzduchu je nutné používat vysušený vzduch (rosný bod < -20°C), jelikož přítomnost vlhkosti způsobuje tvorbu kyseliny dusičné ve výbojovém elementu a jeho velice rychlou korozi – nerezová (316L) elektroda může být již po několika dnech provozu s vlhkým vzduchem zkorodována tak, že se neprodukuje žádný ozon. K produkci z kyslíku se využívá kapalný kyslík nebo kyslík připravovaný v generátoru kyslíku přímo na místě. Při produkci z kyslíku lze dosahovat vyšších koncentrací (>10% váhových), což přispívá k vyšší účinnosti ozonizační technologie.

- Směšování: při aplikaci ozonu je velice důležitá účinnost směšování s upravovaným médiem. Při úpravě vzduchu se nejedná o velký problém, ale při úpravě vody je tomuto třeba věnovat značnou pozornost. Většinou se používají systémy s injektorem a statickým mixérem (s předřazeným booster čerpadlem pro zvyšování tlaku) s následnou reakční nádrží nebo probublávání pomocí tzv. frit v reakční nádrži. Čím menší je bublinka plynu a čím delší je dráha bublinky v médiu, tím je vyšší účinnost rozpuštění ozonu do média. Z tohoto důvodu se do reakčních nádrží umísťují vestavby, které prodlužují dobu kontaktu bublinky plynu s upravovaným médiem.

- Odplyn a rozklad zbytkového ozonu: při úpravě vody ozonem je důležité si uvědomit, že není možné rozpustit 100% plynu. Reakční nádrže je nutné vybavit odplynem zbytkového ozonu, aby nedocházelo k jeho propagaci dále do systému. Odplyn musí být následně veden přes destruktor zbytkového ozonu, kde je rozkládán. K destrukci se využívá lože s aktivním uhlím pro generátory produkující ze vzduchu a termické nebo katalytické destruktory pro systémy pracující s kyslíkem. Aktivní uhlí není možné při výrobě z kyslíku použít, protože po rozkladu O3 na O2 dochází k okamžitému vzplanutí náplně aktivního uhlí.

- Měření koncentrací: k měření koncentrace ozonu ve vzduchu a ve vodě lze použít celou řadu prostředků od jednoduchých papírkových testů přes elektrochemická čidla až po fotometry a laserové měřicí přístroje. Nejdůležitějším údajem o měřidlu je jeho rozsah a interference s dalšími látkami. Je nutno říci, že spolehlivá měřidla koncentrace ozonu jsou velice nákladná.

- Použité materiály: s ohledem na vysoký oxidační potenciál ozonu je třeba věnovat značnou pozornost materiálům, které jsou v celé ozonizační technologii použity. Tak účinně, jak ozon reaguje se znečištěním, tak také reaguje s materiály, které jsou použity k jeho vedení a reakcím s upravovaným médiem. Pro vedení a použití plynného ozonu se využívají plasty (PVDF, při nízkých koncentracích např. PVC-U) nebo nerezová ocel. Pro ozon rozpuštěný v upravovaném médiu se většinou využívá nerez nebo plast (PVC-U). Při použití nerezové oceli je vhodné volit třídu 316L (ČSN 10088-1 1.4404) a věnovat značnou pozornost ošetření svárů. Velice důležité je věnovat pozornost těsnění přírub a spojů, které opět musí být odolné ozonu, tzn. PVDF nebo Viton, protože běžná těsnění (EPDM, silikon atd.) mají velice nízkou odolnost vůči ozonu.

Ozonizační komplet

UV záření

UV záření využívané při úpravě vzduchu nebo vody má vlnovou délku v rozsahu cca. 100 – 400 nm a je využíváno k dezinfekci (germicidní UVC) nebo k rozkladu látek pomocí tzv. fotochemických reakcí. Zdrojem UV záření jsou výbojky, které jsou umístěny v reaktorech, kde je upravováno dané médium. Výkon výbojky se udává ve W, nicméně důležitějším údajem pro návrh výkonu je dávka UV záření, které je uplatněno na každou částici upravovaného média. Tato dávka se udává ve W/m2, ale přesnější je dávka pro konkrétní UV reaktor a průtok, jež zohledňuje i dobu zdržení média v reaktoru a je udávána v J/m2 nebo mJ/cm2. Výbojky lze rozdělit do dvou základních skupin:

-       nízkotlaké: jedná se výbojky, které vyzařují většinou pouze jednu vlnovou délku, která je vhodná pro danou aplikaci (254 nm pro dezinfekci, 187 nm pro produkci ozonu). Jejich výkon je řádově 100 W na metr výbojky. Speciálním typem nízkotlaké výbojky je amalgámová, která je vhodná pro úpravu teplé vody. Životnost nízkotlakých UV výbojek se pohybuje okolo 10 000 provozních hodin.

-       středotlaké: širokospektrální UV výbojky s výkonem až kW na 0,1 metru výbojky. Životnost středotlakých UV výbojek se pohybuje okolo 6 000 provozních hodin, ale je výrazně závislá na počtu cyklů.

Pozn.: slovo „-tlaké“ v názvu neznamená tlak upravovaného média.

Středotlaký UV reaktor (výrobce Lifetech s.r.o.)

Vlastní zařízení je tvořeno tzv. UV reaktorem, který je tvořen tělem UV reaktoru (radiační komora), UV výbojkou nebo více výbojkami, jež jsou uloženy v pouzdrech z křemičitého skla (běžné sklo nepropouští UV záření), tak aby výbojka nebyla v přímém styku s vodou, napájecího zdroje výbojek a případně stěrače pouzder a měření intenzity UV záření.

Na co brát zřetel při výběru UV reaktoru

Použití UV technologie stejně jako ozonizace nese svá specifika, která je důležité při projektování a výběru vhodného zařízení zohlednit.

Středotlaký UV reaktor - napájení

-       Chemické a fyzikální vlastnosti upravovaného média: pro správný návrh vhodného UV reaktoru je třeba mít dobře popsané médium, které chceme upravovat. Důležitým údajem je obsah nerozpuštěných látek, který lze popsat zákalem nebo transmitancí (= prostupnost pro UV záření) – tento parametr má zásadní vliv na účinnost UV záření, protože nerozpuštěné látky mohou odrážet nebo pohlcovat větší část UV záření, které následně nevykonává očekávanou „práci“.
Důležitým parametrem je v případě vody také tvrdost, obsah Fe a Mn. Tyto látky tvoří depozity na křemenných pouzdrech výbojek a na stěnách reaktoru, čímž výrazně snižují účinnost zařízení. Řešením je použití stěračů nebo chemického čištění, které depozity odstraní.

-       Výběr vhodného typu UV výbojky: obecně lze říci, že pro nižší průtoky (u vody <100 m3/h) jsou vhodné nízkotlaké UV výbojky a pro vyšší jsou vhodné středotlaké systémy. Zároveň je v tomto případě také nutné uvážit, čeho se má UV zářením dosahovat. Středotlaké UV výbojky jsou díky širokému spektru schopny reagovat účinněji s celou řadou znečišťujících látek. Další výhodou středotlakých výbojek je možnost regulace vyzářeného výkonu, např. na základě měření kvality upravovaného média.

-       Režim provozu UV: při návrhu celého systému je nutné vzít v úvahu, že a) životnost UV výbojky je silně závislá na počtu cyklů (startů); b) náběh plného výkonu výbojky trvá až desítky sekund. Toto téměř vylučuje aplikace typu, kdy je výbojka spínána průtokem. Někteří výrobci běžně zohledňují v záručních podmínkách počet cyklů výbojky.
Důležité je také zajistit minimální průtok kolem výbojek, tak aby bylo zajištěno chlazení výbojky. Středotlaké UV výbojky mají na povrchu i více než 900 °C a odvod tepla je velice důležitý. Je nutno zajistit vypnutí výbojky při zastavení průtoku, aby nedošlo k přehřátí reaktoru.

Nízkotlaký UV reaktor včetně napájení

-       Příslušenství UV reaktoru: v nabídce výrobců jsou UV reaktory s celou řadou příslušenství – stěrače, měření intenzity UV záření, řízení výkonu atd. Při rozhodování, zda využít takovéto příslušenství, které zařízení prodražuje investičně i provozně, je nutné uvážit konkrétní aplikaci.
Stěrače křemenných pouzder by měly být součástí reaktoru tam, kde lze očekávat usazování depozitů na pouzdrech výbojek. U středotlakých UV reaktorů by měl být stěrač v základním vybavení, protože vzhledem k teplotě výbojky dochází k depozici i u vod s nízkou tvrdostí. Stěrač může být ruční nebo automatický s motorovým pohonem.
Měření intenzity UV záření je možné dvěma způsoby – relativní měření intenzity UV uvádí poměr mezi 100%-ty výkonu při kalibraci (na nové výbojce) a aktuálním výkonem. Absolutní měření intenzity uvádí skutečnou dávku UV záření na plochu (mJ/cm2). Intenzita by se měla vždy měřit v nejvzdálenějším místě od výbojky. Zejména u středotlakých UV reaktorů je vhodné mít pro každou UV výbojku vlastní senzor intenzity.

Závěr

Jak ozon, tak i UV nachází v současné době pevné místo v technologiích úpravy vzdušin a vody. Bohužel sami výrobci (ne zřídkakdy v rámci konkurenčního boje) uvádějí informace, které jsou pro laiky rozporuplné. Účelem tohoto textu nebylo rozsoudit jednotlivé výrobce na čí straně je pravda, ale spíše poskytnout laikovi vodítko, na co brát při návrhu a výběru zřetel.

Poděkování

Společnosti Lifetech s.r.o. za obrazové materiály.

 Ing. Ondřej Unčovský

Tento článek byl již v plném znění publikován ve sborníku k seminářům ASIO, spol. s r.o. „Pitná voda – novinky a souvislosti … aneb What's NEW? N-nutrients; E-energy; W-water“ - leden 2013.

 

Kontakty

ASIO, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: 9nwzka6

ASIO NEW, spol. s r.o.
Kšírova 552/45
619 00 Brno
ID datové schránky: z9g8vaw

tel.: 548 428 111
e-mail: asio@asio.cz
 


Chcete dostávat informace z oboru, pozvánky na akce, novinky a důležité informace? Přihlašte se!

required

required