Взаимодействие озона с примесями воды, токсичность вторичных загрязнителей

Озон способен в мягких условиях реагировать со многими органическими, элементоорганическими и неорганическими соединениями. Термодинамически эти реакции могут идти до полного окисления, т.е. до образования воды, оксида углерода и высших оксидов других элементов. Препятствием для полного окисления являются малые скорости реакций на конечных стадиях.

Стандартный окислительно-восстановительный потенциал озона в кислой среде - 2,07 В, продукта взаимодействия озона с водой гидроксил-радикала - 2,8 В, что является основной причиной активности озона по отношению к различного рода загрязнениям воды, включая микроорганизмы. Химизм многих из этих процессов изучен достаточно подробно.

Изучение констант прямых реакций озона с органическими загрязнителями воды при различных рН позволяет сделать следующие выводы:

  • Насыщенные алкилгруппы, присутствующие в алканах (например, гексан), не реагируют.
  • Олефиновые соединения (такие, как олеиновая кислота или стирол) реагируют в течение секунд, однако, если атом водорода в а-положении к С=С связи замещен атомом хлора, соединения становятся инертными. Поэтому перхлорэтилены не могут быть окислены с помощью прямой реакции озонирования за разумное время.
  • Бензол реагирует в течение нескольких дней. В то же время полиароматические углеводороды, являющиеся канцерогенами, - в течение секунд.
  • Фенолы окисляются за секунды. Фенолят-ион реагирует в 106 быстрее.
  • Продуктами окисления при расщеплении системы ароматических колец являются глиоксалат-, малеинат-, ацетат- и формиат-ионы. Из них только формиат-ионы легко вступают в последующие реакции, остальные аккумулируются в воде и требуют других способов окисления.
  • Прямые реакции озонирования высокоселективны, они не применимы для окисления алканов, бензола, хлорированных органических соединений, однако имеют большое значение для разложения таких высокотоксичных примесей, как полициклические ароматические углеводороды, фенольные соединения, свободные (не протонированные) амины, сульфиды.
  • Продукты реакции - различные альдегиды, кетоны, кислоты и даже полимеры. Кинетика реакции хорошо изучена, но окончательные продукты, образующиеся из различных субстратов, известны пока приблизительно.

В воде часто присутствуют примеси аммиака, аминосоединений, солей аммония. Озон легко и быстро взаимодействует с этими соединениями с образованием гидроксиламинов, нитросоединений, нитронов, нитроксильных радикалов.

Изучение реакций озона в воде имеет большое значение. Процессы, происходящие при обработке воды озоном - это прямые реакции с растворенными соединениями, их разложение до вторичных окислителей, таких как высокореактивные радикалы ОН и НО2, образование дополнительных вторичных окислителей из озона, реагирующих с другими примесями, например, образование НОВr, когда озон окисляет бромид-ионы, последовательные реакции этих вторичных окислителей с растворенными загрязнителями воды. Большую роль играют реакции с участием промежуточных соединений таких, как пероксид водорода, чрезвычайно активной частицы гидроксил-радикала. Обычно радикальные реакции характеризуются высокими скоростями, но и для органических веществ, медленно реагирующих с озоном, характерен радикальный механизм. Главную роль в этих процессах играет гидроксил-радикал - чрезвычайно сильный окислитель, окисляющий органические соединения путем отрыва атома водорода:

HRH + НО' - HR * + Н 2 0.

В результате образуются органические радикалы, инициирующие цепные реакции окисления. Продукты этих реакций малоизучены.

Большое значение имеет изучение механизма окисления фенола, одного из приоритетных загрязнителей воды.

Образовавшиеся вторичные загрязнители - непредельные альдегиды и кислоты придают воде неприятный запах, поглощают растворенный кислород. Озон взаимодействует и с этими соединениями, превращая альдегиды в кислоты, а кислоты окисляются далее вплоть до полного разрушения. Подобные реакции протекают при окислении гуминовых и фульвокислот, загрязняющих природные воды.

Серосодержащие примеси (синтетические моющие средства, сероводород, диоксид серы, роданиды) в воде составляют значительную долю в спектре загрязняющих веществ. Все эти соединения окисляются озоном. Наиболее активно взаимодействуют с озоном те, у которых в молекуле имеется двойная связь C = S .

Наряду с окислением органических примесей при озонировании воды происходит окисление ионов металлов низких степеней окисления, находящихся в свободном состоянии или связанных в комплексы, при этом образуются нерастворимые соединения, выпадающие в осадок.

Окисление примесей при обработке воды озоном не исчерпывает всего спектра его действия. Подавляя рост бактерий, вирусов, водорослей и других гидробионтов, озон действует как дезинфектант.

Примеси, находящиеся в воде в динамическом равновесии, образуют эмульсии, которые стабилизируются поверхностно-активными веществами, попадающими в воду. Озон как флокулянт нарушает эти равновесия, способствует расслоению эмульсий и выпадению при­месей в осадок.

Несмотря на большой опыт применения озона в Европе и растущему интересу к нему как альтернативному окислителю и дезинфектанту, существует еще множество нерешенных вопросов, возникающих при внедрении озонирования для подготовки питьевой воды. Наиболее серьезная проблема - это образование побочных продуктов озонирования и их возможное воздействие на здоровье человека.

При озонировании воды образуется ряд карбонильных соединений, содержание которых в воде нормируется: формальдегид (ПДК 0,05 мг/л), бензальдегид (ПДК 0,003 мг/л), ацетальдегид (ПДК 0,2 мг/л).

Токсикологические исследования безопасности озонирования воды начали интенсивно развиваться только в 80-е гг. Это объясняется трудностями в разработке методологии таких исследований, так как необходимо оценить токсичность очень большого количества органических примесей, число которых перевалило уже за несколько тысяч, учесть взаимное их влияние в различных сочетаниях, влияние среды и множество других факторов.

Существует два подхода к исследованию токсичности питьевой воды, полученной в результате различных методов водоподготовки. Один подход заключается в обнаружении, идентификации и изучении побочных продуктов в биологических тестах. Второй - в испытании проб воды со всем комплексом примесей до и после обработки. Оба пути имеют свои достоинства и недостатки.

В первом подходе исследователи сталкиваются с трудностями при выделении побочных продуктов обработки воды. Во втором - трудности в том, что результаты применимы только к конкретным исследуемым образцам воды, так как состав побочных продуктов окисления зависит от первоначального состава примесей, рН среды, концентрации окислителя и времени контакта.

Тем не менее в токсикологических исследованиях выявляется мутагенная и канцерогенная активность примесей воды. Изучены такие продукты озонирования, как формальдегид, ацетальдегид, пропиональдегид, фурфурол, глиоксаль, акролеин, бензальдегид, ионон, ацетофенон, антрахинон, гидрохинон, щавелевая кислота. Генотоксичность обнаружена у формальдегида, глиоксаля, фурфурола, акролеина, ионона.

Токсичность обработанной воды выявляют различными тестами с использованием бактерий, лабораторных животных, молекулярно-структурными исследованиями.

Анализ результатов токсикологических исследований позволяет заключить, что обработка озоном может устранять мутагенную активность исходной воды, не влиять на это свойство, несколько повышать активность, но она остается ниже, чем при хлорировании этих же образцов. Что касается токсичности таких возможных продуктов озонирования как пероксидов, эпоксидов и ненасыщенных альдегидов, то их присутствие в воде не доказано, так как эти соединения подвержены биодеградации и быстро разлагаются при прохождении через распределительную сеть водоснабжения.

Наряду с токсикологическими, проводятся гигиенические исследования безопасности эксплуатации озонаторов. При этом необходимо учитывать производительность установки по озону, степень превышения ПДК озона и оксидов азота в воздухе рабочей зоны, миграцию веществ в воздух из материала корпуса озонатора, неблагоприятные физические факторы: шум, вибрацию, излучения и др.

(c) 2010 НПК "Медиана - фильтр"
Все права защищены.