Рассмотрим процесс растворения кислорода в воде и от чего зависит уровень насыщения воды кислородом, а также принцип работы оксигенатора ОГ, устройство кислородного конуса работающего в УЗВ.
Процесс растворения кислорода в воде
Кислород растворяется в воде благодаря диффузии - процессам проникновения молекул одного вещества между молекулами другого, то есть перемешивания веществ между собой. Это явление основано на том, что между молекулами любого вещества есть свободное пространство, а сами они беспорядочно и хаотично движутся, именно за счет этого движения молекулы одного вещества проникают между молекулами другого.
Следует учитывать, что молекулы газов расположены на значительном расстоянии друг от друга и движутся с большой скоростью, а значит, и смешиваться и вытесняться газы будут быстрее любых других веществ, особенно при повышении температуры. При этом процесс диффузии будет направлен на то, чтобы получившаяся смесь стала однородной.
Кислород сам по себе слабо растворяется в воде, что видно из его растворимости: 4,9 мл/100 г при 0 °C и 2,09 мл/100 г при +50 °C. Это объясняется тем, что молекулы воды и кислорода имеют разные полярности, что затрудняет их взаимодействие друг с другом, именно поэтому при заполнении пробирки с водой кислородом, кислород начинает занимать объем и вытеснять воду.
Растворенный кислород в воде измеряется либо в миллиграммах на литр (мг/л), либо в процентах насыщения.
Количество кислорода, растворенного в воде при различных температурах и давлении
Кислород, как и всякий другой газ, может растворяться в воде лишь до определенного, насыщающего воду количества. Это количество зависит от температуры и давления. Чем температура выше, тем растворимость кислорода меньше. В табл. 16 приведена растворимость кислорода в чистой (дистиллированной) воде при различных температурах при давлении воздуха 760 мм рт. ст.
Кислород, азот, аргон, двуокись углерода и другие газы обладают различной растворимостью. При одинаковых температуре и давлении чистого кислорода в воде растворится почти в 2 раза больше, чем азота, а углекислого газа — в 35 раз больше, чем кислорода.
Однако существуют общие закономерности для всех газов. Чем выше температура жидкости, тем меньше растворимость газов. В литре чистой воды при нормальном атмосферном давлении, и при температуре 0° растворяется около 50 кубических сантиметров чистого кислорода. А при температуре 30° — примерно в 2 раза меньше. Чистого азота при температуре 0° и нормальном атмосферном давлении растворится 24 кубических сантиметра, а при температуре 30° — 14 кубических сантиметров.
Два равных объема различных газов, смешанных при давлении в 1 атмосферу, растворяясь в воде, будут вести себя как два самостоятельно существующих газа, находящихся под давлением в 1/2 атмосферы. Растворимость каждого из них будет в 2 раза меньше их растворимости при нормальном атмосферном давлении.
В воде, содержащей различные соли, растворимость газов снижается, т.е. в морской воде кислорода растворяется меньше, чем в речной воде, а в речной, меньше чем в чистой (дистиллированной).
Чтобы растворить газ в воде, его нужно привести в соприкосновение или перемешать с водой, чем лучше будет происходить процесс перемешивания, тем эффективней будет происходить процесс растворения.
Аэрация - подача в систему УЗВ воздуха.
Воздух — это смесь газов. Так как в воздухе содержится 21 процент кислорода, то его парциальное давление, (то есть та часть давления, которая падает только на кислород) будет в 5 раз меньше давления воздуха. Поэтому кислорода из воздуха при нормальном атмосферном давлении растворится в воде в 5 раз меньше, чем чистого кислорода, при том же давлении.
В самом деле, если при нормальном давлении и при температуре 0° насытить воду в УЗВ не чистым кислородом, а воздухом, то следует учитывать, что в литре воды растворится только 10 кубических сантиметров кислорода вместо 50.
Самое главное, что необходимо знать при насыщении воды кислородом:
Кислород - это, прежде всего, газ. Растворимость кислорода, как и других газов, зависит от двух главных факторов:
1) Температура.
При повышении температуры воды кинетическая энергия молекул газа увеличивается, за счет чего растет скорость движения частиц, и они, хаотично двигаясь, большей массой покидают воду. Следовательно, чем выше температура воды, тем быстрее газы выходят из нее. Так например, при доведении воды до кипения, можно провести "дегазацию" даже сильногазированной воды.
То есть, чем ниже температура воды, тем лучше в ней растворяется кислород.
2) Давление.
Чтобы растворяться в воде, молекулы газа должны обладать низкой кинетической энергией. Существует закон Генри, из которого следует: при заданной температуре количество таких молекул пропорционально давлению газа. Значит, количество растворенного в жидкости газа должно быть пропорционально его давлению. Так, при увеличении давления кислорода в два раза, приблизительно в два раза увеличится его растворимость в воде.
Формула: C=kp
где:
p - парциальное давление газа над раствором,
c - концентрация газа в растворе,
k - константа Генри ( константа равновесия процесса растворения газа)
То есть, чем выше давление газа над жидкостью, тем больше его растворимость.
Устройство и принцип работы конусного оксигенатора ОГ – кислородного конуса в системах УЗВ
Для обогащения воды кислородом в УЗВ используют оксигенаторы, напорные и безнапорные. В напорных оксигенаторах серии ОГ процесс смешивания происходит при избыточном давлении, в безнапорных при атмосферном давлении. Рассмотрим устройство напорного оксигенатора ОГ. Напорный кислородный оксигенатор изготавливают из толстостенной нержавеющей стали, что позволяет поднимать давление в конусе до 4 атм, т.е. в полной мере использовать закон Генри, что на порядок повышает уровень растворимости кислорода в воде. Давление 4атм. используется на специализированных промышленных предприятиях, в установках замкнутого водоснабжения УЗВ наиболее распространено давление 1 - 2 атм.
Оксигенатор или кислородный конус ОГ состоит из конусной ёмкости на подставке, на верхней части конуса установлен входной патрубок, на нижней части – выходной. На боковой стенке оксигенатора крепятся уровнемерная трубка и входной штуцер подачи кислорода. На дне оксигенатора устанавливается кран для слива воды. Крайне важно наличие в конструкции оксигенатора – предохранительного сбросного клапана.
Некоторые оксигенаторы ОГ опционально оснащают системой автоматического поддержания уровня воды в конусе. Работа этой системы исключает образование «газового мешка», который появляется по причине того, что молекулы воды и кислорода имеют разные полярности, это затрудняет их взаимодействие друг с другом, кислород начинает постепенно занимать объем сосуда, вытесняя воду. Автоматика реагируя на снижение уровня воды кратковременно перекрывает подачу кислорода до восстановления уровня. В случае, если автоматической системы нет, за поддержанием уровня воды в оксигенаторе следит оператор, вручную регулирующий подачу кислорода.
Конусная форма оксигенатора обусловлена необходимостью снижения скорости потока воды, так как в узкой части конуса скорость движения воды выше скорости всплывания пузырьков кислорода, а в нижней части скорость движения воды ниже этой скорости. За счёт конусообразной формы, в средней части конуса устанавливается равновесие между подъемной силой кислородных пузырьков и стекающей вниз водой, возникает эффект барботации, поверхность контакта и время контакта газа с жидкостью достигает максимальных значений, происходит высокоэффективный процесс диффузии.
Для того чтобы правильно подобрать оксигенатор для установки УЗВ необходимо в первую очередь рассчитать количество кислорода, необходимое для системы. Исходя из этого количества, а также зная давление кислорода и расход воды, которые будет использоваться в вашей системе, подбирается модель и количество кислородных конусов. Важно учитывать, что чем ближе будет расположен кислородный конус к бассейну – тем лучше будет обогащена вода кислородом , т.к. в процессе транспортировки по трубопроводам происходит обратный эффект – дегазации, кислород покидает воду, эффективность подачи снижается.
