Ozon: overdrachtsmechanismen 

Algemeen

Om (afval)water met ozon te kunnen desinfecteren of oxideren, zal de ozon hierin moeten worden opgelost. Het oplossen van ozongas dat door de ozongenerator ter plekke wordt geproduceerd kan op verschillende manieren. Belangrijk voor een goede desinfectie en oxidatie is dat de ozonconcentratie in het water zo hoog mogelijk is. De voorspelling van de oplosbaarheid is gecompliceerder dan bij andere gassen, omdat ozon oplosbaarheid wordt beïnvloed meerdere factoren zoals temperatuur, pH en opgeloste stoffen. Dit is het gevolg van de instabiliteit van ozon in water. De oplosbaarheid van een gas wordt in het algemeen beschreven met de wet van Henry. Voor de oplosbaarheid van ozon wordt ook vaak de Bunsen (β) en met name de oplosbaarheidsfactor (S) gehanteerd.

Henry coëfficiënt (H)

Deze wet stelt dat de oplosbaarheid van een gas in een vloeistof recht evenredig is met de druk van het gas boven de vloeistof. De wet van Henry is in principe alleen van toepassing op gassen die geen chemische verandering ondergaan in het water tijdens de overdracht van gas in water. 

Y = HX 

Y = Druk van stof boven de vloeistof (atm)
X = molaire fractie van ozon in de gasfase (-)
H = Henry (atm/l/mol)

Omdat ozon door een ozongenerator wordt geproduceerd in de vorm van een mengsel spreekt men van partiele druk. De partiele druk is gelijk aan de concentratie van het deelgas (hier: ozon) maal de totale druk van het systeem. Figuur 1 beschrijft de oplosbaarheid van ozon bij verschillende drukken. In de praktijk zal dit minder zijn omdat er boven een bepaalde voedingsgas concentratie stabilisatie optreedt [10]. Tegenwoordig worden veel grotere concentraties ozon gebruikt om op te lossen in water. Lenntech heeft ozongeneratoren die 240 g/Nm3 kunnen leveren

Figuur 1: effect van druk en voedingsgas concen-
tratie op ozonoplosbaarheid

 

H = Henry (atm L mol-1)
pO₃ = Partiele druk ozon (Pa)
Cg = Concentratie ozon in het drijfgas (kg/m3)
S = Oplosbaarheidsfactor (-)
Hc = Henry’s constante (-)

Figuur 2 illustreert de oplosbaarheidverhouding S bij toenemende temperatuur, uitgevoerd door verschillende onderzoekers. De oplosbaarheid is onderzocht bij verschillende ionenconcentraties (µ). Uit deze figuur blijkt de oplosbaarheid van ozon wordt beïnvloed door meerdere factoren in het water

Figuur 2: Ozon oplosbaarheid S als functie van de temperatuur (T=5-35° C)

De onderstaande formule kan worden gebruikt om een schatting te geven van de oplosbaarheidverhouding S bij verschillende temperaturen:

log₁₀s = - 0.25 - 0.013T [°C] (Zie bron:6)

Deze formule is echter eerder een richtlijn omdat de ware ozon concentratie wordt beïnvloed door meerdere factoren in het water. Daarentegen geldt dat de temperatuur een van de belangrijkste factoren is van invloed op de oplosbaarheid [5].

Een berekening van deze factor bij 20 °C:

log₁₀s = - 0.25 - 0.013T 

log₁₀s = - 0.25 - 0.013 x 20 

log₁₀s = - 0.51

s       = 10^-0.51

s       = 0.31

Bij 20 °C is de oplosbaarheidfactor mg/l water per mg/l draaggas (zie ook figuur 12). Bijvoorbeeld bij 20 mg/l ozon in lucht zal er dus 20 x 0.31 = 6.2 mg/l oplossen in water bij 20 °C.

Overdracht mechanisme (Mass Transfer)

Wanneer een stof wordt overgebracht van de ene fase naar de andere langs een scheidend oppervlak zal vanwege een weerstand een concentratie gradiënt optreden in elke fase. Dit overbrengen van een stof in een andere fase noemt men “Mass Transfer” en kan worden voorgesteld volgens figuur 3 (dubbelfilm theorie). Om ozon over te brengen van gas naar vloeistof zal ozon de volgende fases moeten doorgaan: absorptie van ozon in de gas/vloeistof fase, daarna oplossen in de vloeistof daarna diffusie van gas in vloeistof.

Figuur 3: model voor ozon overdracht

De overdrachtssnelheid is afhankelijk van [10]:

- De fysische eigenschappen van het gas en de vloeistof
- Het verschil in concentratie langs het oppervlak
- De mate van turbulentie 

Ozon inbreng technieken

Ozon kan op verschillende manieren in water ingebracht worden. De meest gebruikte methoden zijn d.m.v. een difusser of een venturi [33,52]. Een diffuser bestaat meestal uit een schijf of een stang. Een diffuser werkt met overdruk, waardoor een bellenkolom ontstaat. Voordelen van een diffuser systeem zijn hoog rendement, eenvoudige constructie en zeer geschikt voor grote watervolumes (bijv. drinkwatersystemen). Nadelen zijn dat het geen compact systeem is en efficiency is afhankelijk van diepte van de contactkolom en grootte bel. Bovendien kan de diffuser verstopt raken, waardoor de efficiency afneemt. Hieronder is een schematisch voorbeeld gegeven van een toepassing van een diffusersysteem (tegen- en meestroom contactkolom).

Figuur 4: tegen- en meestroom contactkolom

Bij een venturi wordt het ozongas door middel van onderdruk in het water opgelost. De onderdruk staat door een vernauwing in de vloeistofstroom te creëren waardoor er ozon wordt aangezogen, zie figuur 5. De voordelen van een venturi zijn een compacte installatie, geen bewegende delen en hoog rendement (tot 90%). 

Figuur 5: venturi systeem