Озон (О3) представляет собой газ нестабильный для хранения. Он всегда производиться непосредственно перед использованием.

 

Описание проблемы

 

Рыбные хозяйства постоянно имеют дело с проблемами качества воды. Рыбы в процессе своей жизнедеятельности выделяют разнообразный спектр загрязняющих органических веществ. Грязная вода служит источником бурного роста паразитов.

 

 

Компания «ЭкоНау» реализует прогрессивные методы очистки воды с использованием озона.

 

 

Озон, благодаря преимуществам по сравнению с традиционными методами очистки воды, все чаще используется в рыбоводстве.

 

Озон обеспечивает эффективное обеззараживание, не производя вредных побочных продуктов.

 

Мы опросили рыбоводов и аквариумистов использующих озон, задавая один и тот же вопрос, в чем они думают, озон помогает им.

 

Какие преимущества от озона?


Обычно всегда звучал ответ о более чистой воде, а также другие ответы из списка ниже:


1. Повышенная прозрачность воды (даже если она до этого была достаточно чистой);
2. Увеличение проникновения света;
3. Снижение желтизны;
4. Уменьшение водорослей;
5. Снижение цианобактерии;
6. Увеличение ORP;
7. Снижение нитратов;
8. Уменьшенные патогенные бактерии;
9. Снижение циркулирующих токсинов.


Содержание:

Введение

Озон для рыбных хозяйств

Окисление озоном: Обесцвечивание

Как озон используется для воды?

Озон и ORP

Снижение озона органических токсинов в воде

Уменьшение бактерий при использовании озона
Воздушный поток
Осушение воздуха
Обратный клапан воздушного потока
Генераторы озона: Теория электрического разряда
Генераторы озона: Теория УФ-излучения
Генераторы озона: Практическая информация
Реакционная камера с озоном: Скиммеры (флотаторы)
Реакционная камера с озоном: Коммерческие и самодельные реакторы
Реакционная камера с озоном: Трубчатый реактор
Реакционная камера с озоном: Подходящие материалы
Безопасность человека при использовании озона: Общая информация
Безопасность человека при использовании озона: Активированный уголь для выходящего воздушного потока
Безопасность обитателей аквариума при использовании озона: Активированный уголь (АУ) для воды
Безопасность обитателей аквариума при использовании озона: ОВП датчики и контроллеры

Удаление озона из воды


Выводы

Введение

На рисунке 1 схематически показано как озон применяется для рыбных хозяйств и аквариумов. Для конкретных случаев практического применения не обязательно в точности следовать данной схеме, но в таком случае владельцы аквариумов должны понимать, что их процесс может оказаться недостаточно эффективным. Последующие разделы данной статьи последовательно рассказывают о каждом этапе схемы, объясняя их важность и способы осуществления на практике, а также необходимые меры для безопасного и эффективного использования озона.

 pic1.png

Рисунок 1. Схема применения озона в обычных рифовых аквариумах

Весь процесс начинается с источника воздуха, которым, как правило, является обычный аквариумный воздушный насос. Зачастую воздух пропускается через воздушный осушитель, в котором гигроскопический материал, например диоксид кремния, удаляет из него бόльшую часть влаги. Выходя из трубки осушителя и проходя через обратный воздушный клапан, для предотвращения повторного попадания влаги в систему, воздух попадает в генератор озона. Предварительная сушка воздуха увеличивает эффективность генератора озона.


После, обогащенный озоном воздух выходит из генератора и поступает в камеру смешения (контактную камеру), где происходит тщательное перемешивание газа и аквариумной воды в течение, по крайней мере, нескольких секунд. Для этого аквариумисты часто используют скиммеры (флотаторы), либо специально изготовленные озоновые реакторы. Выбор подходящего материала для такого устройства не так прост, так как озон может приводить к деградации пластиков различного типа, резины и трубок.

В контактной камере озон взаимодействует с большим количеством различных химических веществ, присутствующих в морской воде. Большинство имеющихся у озона преимуществ реализуются в этой камере. Здесь, например, вода становится прозрачнее, так как при окислении озоном разрушаются определенные свето-поглощающие пигменты, содержащиеся в органических частицах и молекулах.

 

Озон для рыбных хозяйств

 

Пресноводные рыбные фермы и аквариумы, обычно удаляют твердые частицы с помощью  песчаных и губчатых фильтров, но они не способны удалить мелкие коллоидные твердые частицы.


С другой стороны, нитрифицирующие бактерии в био-фильтрах удаляют растворенный аммиак и нитриты, но не все растворенные органические отходы. По мере роста рыбы увеличиваются растворенные органические коллоидные частицы.


Эта органическая раскачка снижает производительность нитрифицирующих бактерий, что вызывает накопление вредных нитритов.

Биохимическая потребность в кислороде, также возрастает, так что уровень кислорода со временем уменьшается. Эти сдвиги в параметрах воды влияют на обитателей водоема и могут привести к промысловой смертности.


Для того, чтобы уменьшить необходимость больших водных изменений, существует очень эффективный альтернативный метод разрушения этих органических отходов с использованием сильных окислителей.


Этот метод является "озонирование". Озонирование имеет ряд преимуществ в аквариумах в том числе: твердые вещества могут быть удалены с помощью стандартного фильтра после озонирования. Озон окисляет органические соединения в воде и разбивает их на простые органические вещества, которые теперь доступны для деградации гетеротрофных бактерий.


Снижение вредного аммиака (NH3-) и уровней нитрита (NO2-) путем их окисления до нитратов (NO3-). Осаждение металлов, таких как железо и марганец. Снижение количества водорослей и удаление биопленки.


Удаление запаха путем разрушения сульфидов. Деградация пестицидов, моющих средств, и возможно следов ацетона, что позволяет держать воду в благоприятном состоянии для рыбы.


К другим преимуществам можно также отнести то, что озон:
Озон убивает 99% бактерий и вирусов;
Повышает прозрачность воды;
Озон, в конце концов, преобразуется в кислород и повышает уровень кислорода в воде. Правильный уровень озона очень важен для здоровья рыбы и следует избегать передозировки.

 

Безопасность человека при использовании озона: Активированный уголь для выходящего воздушного потока

Однако не все продукты взаимодействия озона с морской водой могут принести пользу. После контактной камеры вода пропускается через слой активированного угля (АУ), достаточный для удаления из воды окислителей, появившихся в результате действия озона. Активированный уголь разрушает большинство потенциально опасных окислителей до того, как они попадут в аквариум. Выходящий из камеры воздух также содержит озон и пропускается через АУ для предотвращения угрозы токсичности окружающего воздуха.

Для того чтобы убедиться, что лишь малое количество озона и его побочных продуктов попадает в аквариум измеряют окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) в аквариумной воде. При использовании небольших концентраций озона мониторинг может быть достаточно точным. Для тех, кто использует большое количество озона, ОВП контроллер является особенно важным. Его можно использовать для автоматического отключения генератора озона, если значение ОВП превышает заданное (заданное значение может быть как точкой экстренного отключения, что происходит очень редко, если вообще происходит, а также быть целевым ОВП, для поддержания которого генератор будет работать лишь периодически).

 

Снижение озона органических токсинов в воде

В дополнение к обесцвечиванию воды, другая потенциальная польза от реакции озона с водой является разрушение органических токсинов. Многие морские существа выделяют токсины. В дополнение к использованию активированного угля, озон может также играть полезную роль.

 

Реакции озона с органическими молекулами, включают в себя довольно специфические типы реакций. Он не удаляет все органические материалы из воды, проходящей через контактную камеру.

 

Тем не менее, многие токсины имеют весьма специфические структуры, будучи токсичным именно потому, что они воздействуют на некоторые важные биомолекулы в живом организме, тем самым препятствуя его нормальной деятельности.

 

Даже небольшое химическое изменение, вероятно снизит токсичность даже очень мощного природного токсина.

Например, озон используется для детоксикации ботулинического токсина в пресной воде при концентрациях 0,01 промилле озона и времени контакта менее чем одна минута.

 

Уменьшение бактерий при использовании озона

Бактерии и другие организмы, которые взвешены в воде, могут быть убиты воздействием озона.

 

Этот процесс широко используется для дезинфекции питьевой воды и сточных вод в различных отраслях.

 

Дозы и время воздействия озона, необходимого для дезинфекции, тем не менее, достаточно высоки.

 

Споры бактерий cенной палочки при дозировки озона 14 миллиграмм на литр и времени контакта 24 часа были ликвидированы на 99,99%.

 

Озон и ORP

 

Одна из первых вещей, которые все аквариумисты узнают в первую очередь, это то, что озон повышает окислительно-восстановительный потенциал воды (ОВП).

Но что это на самом деле означает?

ОВП воды очень сложный показатель зависящий от текущих химических элементов в воде.

ОВП является показателем баланса реакций окисления и восстановления в воде. Многие из этих реакций будут оказывать сильное воздействие на озон и на его побочные продукты (бромат, гипобромитом).

Использование ОВП метров полезно для предотвращения передозировки озона в воде.

Окисление озоном: Обесцвечивание

 

Окисление органики позволяет сделать воду более прозрачной.


Для того чтобы понять этот эффект, сначала полезно понять, какие органические молекулы приводят к окрашиванию воды. В самом деле, большинство органических молекул, не окрашиваются. То есть, они не поглощают видимый свет.

 

Организмы, тем не менее, имеют значительную потребность в поглощении света.

qwert1.png


Рисунок 1. Химическая структура природного пигмента хлорофилла. При этом атомы водорода не показаны (для ясности.

 

qwerty2.png
Рисунок 2. Химическое строение природного пигмента б-каротина. При этом атомы водорода не показаны (для ясности).

 

qwerty3.png

 

Рисунок 3. Реакция озона с олеиновой кислотой в морской воде.

 

qwerty4.png

 

Рисунок 4. Реакция фенола (верхний левый угол) с озоном. При этом атомы водорода не показаны (для ясности).


Различные химические продукты, описанные в данном разделе, являются, конечно же, не единственные продуктами реакции озона, бромноватистой кислоты и гипобромитом с органическими соединениями.

Другие продукты включают бромированные органические соединения и многие другие химические структуры.

 

Как озон используется для воды?

 

В понимании процесса взаимодействия озона и воды мы начнем с самых простых вещей. Воздушный насос прокачивает воздух, который часто дополнительно осушается. Влага из воздуха удаляется при поглощении гигроскопические твердые вещества.


Не все пользователи озонаторов осушают воздух, но это имеет преимущества для озонатора.
Метод, используемый в большинстве озонаторов, включает прохождение воздуха через электрический разряд высокого напряжения, который разбивает молекулы кислорода, после чего часть из них образует озон.
Второй по популярности, но менее эффективный метод – это прохождение воздуха или воды через ультрафиолетовые лампы определенного диапазона.


Влажность в воздухе уменьшает количество создаваемого озона, а также образует азотную кислоту. Азотная кислота может уменьшить  pH и щелочность. И добавить в воду нитраты.


После того как воздух насыщенный озоном покинул генератор озона, он обычно направляется в камеру смешивания, где вода и газ смешиваются, между ними поддерживается определенное время контакта.


Аквариумисты и рыборазводчики, часто используют специальные озоновые реакторы, выполненные из неподверженных коррозии материалов.


Внутри колонны для смешивания озон вступает в реакцию с множеством химических веществ: органика, аммиак, железо, бромид и йодид.


Он также может взаимодействовать с вирусами, бактериями и другими организмами внутри реактора.
Озон может сохранять свою структура в течении лишь секунд, но оставляет после себя активные окислители, например бромноватистую кислоту.


Они могут продолжить взаимодействовать с органикой и являются потенциально токсичными, по этой причине они должны быть удалены, перед тем как вода попадет в резервуар с рыбой.


Вода с реактора обычно проходит через определенный слой активированного угля, которого будет достаточно для удаления оксидантов после озона.


Уголь католитически и не католитически разрушает оксиданты.


Воздух, который удаляется из реактора, также содержит озон.  И также лучше, если он пройдет через активированный уголь, чтобы исключить риск воздушной токсичности.

Для того, чтобы гарантировать, что не слишком много озона поступает в аквариум, аквариумисты должны контролировать окислительно-восстановительный потенциал в воде аквариума.


Для тех аквариумистов, которые используют небольшое количество озона, мониторинг системы должен быть адекватным.


Для тех аквариумистов, которые используют большое количества озона, контроллер ОВП имеет важное значение. Он может быть использован для отключения озона, если показатель ОВП поднимается выше заданного значения (эта точка является либо точкой аварийного отключения или для цели цикличной работы озонатора).

Аквариумисты обычно используют примерно до 0,3 милиграмм на литр озона в "контактной камере" и имеет время контакта порядка нескольких секунд до того, как вода проходит в аквариум.


Это значение основано на добавлении озона со скоростью 100 мг/ч (типичная скорость для бака около 800 литров) и скорости потока 333 литра в час.


Увеличивать скорость потока стоит соразмерно производительности озонатора.


Воздушный поток

Воздушный насос используется как первичный источник воздуха в большинстве случаев применения озона для рифовых аквариумов. В то же время некоторые устройства (как, например, от компании «Enaly») сочетают в себе воздушный насос и генератор озона, что достаточно необычно. Можно также использовать воздух под давлением, находящийся в баллонах или баках, или даже чистый кислород, но из-за добавочной стоимости таких методов применение их теми, для кого это является лишь хобби, маловероятно. Воздушный насос, тем не менее, может не использоваться лишь в одном случае, если смесь озона и воздуха из генератора проходит в трубку Вентури (распространенное устройство во многих скиммерах), после которой смесь попадает в реакционную камеру. В целом же это не сильно распространено, так как воздушный осушитель может создать слишком большое противодавление, что не позволит трубке Вентури втянуть достаточное количество воздуха.

Какое же количество воздуха является достаточным? К счастью, это не так уж и важно. «Sander», долгое время производящие оборудование для применения озона в аквариумах, рекомендуют на своем веб-сайте поддерживать воздушный поток в 50-500 л/ч для генераторов, которые производят от 2 до 300 мг озона в час. Большие генераторы, производящие до 2000 мг озона в час требуют воздушного потока от 100 до 1000 л/ч.

Помните, если воздух пропускается в некую самодельную герметичную реакционную камеру (отличную от скиммера), или даже через трубку осушителя, создается значительное противодавление, которое уменьшает поток воздуха по сравнению с номинальным потоком аквариумного воздушного насоса.

Научные исследования показали, что воздушный поток через коронный разряд генератора озона не сильно влияет на процесс получение озона, но только в том случае, если поток достаточно медленный и воздух не выходит из области разряда до того как произойдет реакция распада (обсуждение ниже). Одна научная группа [1] на основании своих результатов получила следующее уравнение, показанное ниже:

,

где X – концентрация озона на выходе из генератора озона, мг/л; а – константа, относящаяся к мощности генератора; F – скорость потока; X0 – максимальная концентрация озона при низких скоростях потока. Влияние скорости потока на концентрацию озона показано на рисунке 2. Следует отметить, что даже если концентрация озона меньше при более высоких скоростях потока - общее количество произведенного озона не уменьшается. Для того, чтобы найти скорость получения озона (в таких единицах как мг/ч) необходимо умножить концентрацию полученного озона в воздухе на скорость воздушного потока (F):

Скорость получения озона f2.png

Влияние скорости потока воздуха на общую выработку озона также показано на рисунке 2. Как видно общее количество полученного озона постоянно возрастает при увеличении скорости потока. Такой эффект нетрудно понять. Более высокие скорости потока сметают свежеполученный озон (до того, как он повторно распадется в генераторе) и заполняют пространство свежим воздухом, содержащим О2, который уже готов для получения новых молекул озона. К сожалению, я не знаю, каковы пределы зависимостей скорости потока от концентрации озона для обычных коммерческих аквариумных генераторов озона (и выполняется ли для них такая же взаимосвязь). На веб-сайте «Sanders» представлены данные для различных генераторов озона, где скорость потока воздуха варьировали от 0 до 600 л/ч.
Скорость потока, необходимая для достижения максимума производительности варьируется в зависимости от генератора, но любом случае скорость должна быть больше 50 л/ч, а для больших генераторов более чем 300 л/ч.

Я также не знаю, какие скорости потока воздуха используют все компании при определении такой характеристики как скорость получения озона (мг/час), указанной в рекламных брошюрах, и соответствуют ли эти скорости потока тем рекомендациям, которые они дают владельцам аквариумов, использующим это устройство. Такие вопросы уже упоминались ранее [2], так как это достаточно непросто сравнивать коммерческие генераторы, не зная при этом скорости потока воздуха, которые были использованы при расчетах.

 pic2.png

Рисунок 2. Взаимосвязь между скоростью потока, концентрацией озона и общим количеством полученного озона для обычного генератора озона коронного разряда.

Следует отметить, что если коммерческие генераторы, используемые владельцами аквариумов, вырабатывают фиксированное количество озона в единицу времени, то его концентрация в проходящем воздухе уменьшится, если увеличить скорость потока.

В итоге, можно выделить следующие наблюдения, связанные со скоростью потока:

1.    Более высокие скорости потока увеличивают общий выход О3, доводя до максимума эффективность генератора.
2.    Более высокая скорость приводит к меньшей концентрации О3 в воздухе. Снижение концентрации может замедлять проникновение озона в воду (так как равновесное количество О3, проникающее в воду зависит от его концентрации в воздухе). При больших объемах воздуха также нужно учитывать возможности реакционной камеры, в которой вода обрабатывается этим воздухом. Большинство камер могут пропустить только определенный объем воздуха, не давая при этом сбоев и не требуя снижения уровня воды в камере или скорости проходящего воздуха.
3.    Бόльшие скорости потока воздуха, до его попадания в генератор озона, затрудняют процесс удаления влаги обычным осушителем. При бόльших скоростях также потребуется более частая замена осушающего агента.

Более полные рекомендации я приведу в конце данной статьи. Конкретно по поводу скорости потока можно сказать следующее:

1.    Выбирайте размер воздушного насоса согласно рекомендованным производителем генератора скоростям потока, а также соответствующую контактную камеру. Возможно, лучшим вариантом будет использование насоса с варьируемой скоростью потока, которую можно было бы отрегулировать уже во время использования.
2.    Используйте воздушный насос, который сможет справиться с противодавлением. Важность данного аспекта будет зависеть от характера давления внутри контактной камеры (следующий раздел).
3.    После запуска системы в работу скорость потока воздуха и другие параметры можно отрегулировать для достижения максимальной эффективности. Измерение значения ОВП в аквариуме достаточно легкий, но медленный способ оценки эффективности. Измерение концентрации озона в выходящей из контактной камеры воде, до обработки гранулированным АУ, также хороший способ оценить эффективность. Тестовые наборы для индикации хлора (или озона) также можно применять для определения концентрации озона и его побочных продуктов в морской воде, так как эти соединения будут взаимодействовать с реагентом из тестового набора. При использовании набора для хлора CN-70 (как в случае индикации свободного хлора, так и общего содержания) в различных установках я получил экспериментальные значения в диапазоне 0.02-0.5 ppm «хлорных эквивалентов», варьируя при этом не только скорость потока. В связи с тем, что такие тестовые наборы (действие которых обусловлено соединением N,N-Диэтил-п-фенилендиамин) могут обнаруживать разнообразные окисляющие вещества (гипобромиты, озон и т.п.) необходимо помнить, что в данном случае невозможно зафиксировать только содержание остаточного озона. Тем не менее, все эти сильные окислители принято представлять в виде одного химического соединения (если же только обратное не оговаривается в опубликованном исследовании). Единицами измерения могут быть «хлорные эквиваленты» или «озоновые эквиваленты», где 1 ppm в «хлорных эквивалентах» равен 0.7 ppm «озоновых эквивалентов» (такое значение вытекает из отношения молекулярного веса озона 48 г/моль к молекулярному весу хлора 70.9 г/моль). Следует отметить, что метод с использованием синего индиго (индиго трисульфонат) позволяет определить содержание только озона, но не его побочных продуктов, поэтому его не рекомендуется использовать, если только вы не хотите определять концентрацию лишь одного озона.
ОВП водного потока в контактной камере также может быть хорошим способом оценки эффективности (в моем случае значения обычно лежат в диапазоне 650-700мВ). В любом случае, чем больше озона или, чем больше ОВП, тем более эффективно его использование (по крайней мере, если скорость потока воды через реакционную камеру приблизительно постоянна).

 

Осушение воздуха

Эффективность генераторов озона с коронным разрядом гораздо выше, если подводимый воздух сухой. Точная взаимосвязь между влажностью воздуха и скоростью получения озона зависит от конструкции самого генератора. Большинство производителей коммерческих генераторов озона («O3ozone», «Ozone Solutions» и «Lenntech») представляют графики зависимости выработки озона от влажности, которые выглядят схоже с рисунком 3. Для большинства владельцев аквариумов основным правилом является то, что эффективность генератора озона падает приблизительно в 2 раза при использовании влажного воздуха, это же на своем веб-сайте утверждает и «Sander» касаемо своих генераторов озона. А именно, они утверждают, что для одной из серий их генераторов озона использование полученного сухого воздуха с точкой росы -40°С из окружающего воздуха с относительной влажностью 50% приводит к 50% увеличению выхода озона.

Данные, такие как приведены на рисунке 3, показывают, что наилучший результат от сушки воздуха может приводить и к более, чем двукратному улучшению эффективности если использовать воздух из окружающей среды, точка росы которого близка к 20°С или выше. Для удобства интерпретации данных рисунка 3 ниже в таблице показана взаимосвязь между относительной влажностью и значением точки росы при температуре воздуха 70°F (21.1°С). Очевидно, что воздух должен быть очень сухим, чтобы иметь точку росы ниже –20°С. С другой стороны, не совсем очевидно достигают ли такую низкую точку росы или превышают осушители используемые любителями.

 pic3.png

Рисунок 3. Взаимосвязь между точкой росы (влажностью) и относительным количеством полученного озона для обычного генератора озона с коронным разрядом.

Существует мнение, что высокая влажность входящего воздуха может увеличивать выход азотной кислоты, хотя не все исследователи с этим согласны [2]. В некоторых источниках [3] рекомендуется использовать воздух с очень низкой точкой росы (~ -60°С) для предотвращения коррозии частей генератора, образующейся в нем азотной кислотой. Но опять же неизвестно способны ли осушители, используемые владельцами аквариумов обеспечить такие низкие точки росы.

Таблица 1. Взаимосвязь между точкой росы и относительной влажностью при 21.1°C

Относительная влажность

Точка росы (°C)

90

19

80

18

70

15

60

13

50

9

40

6

30

0

20

-8

6.6

-15

4.2

-20

1.5

-30

0.5

-40

0.16

-50

0.04

-60

0.01

-70

0.002

-80



Один владелец аквариума рассказал, что кораллы в его аквариуме стали бледными, а потом он обнаружил синюю жидкость в трубке между генератором озона и медным фитингом. Он не использовал осушитель и это был влажный день. Та самая жидкость могла быть водным раствором азотной кислоты, которая вызвала коррозию медного фитинга, а появившаяся в растворе медь попала в аквариум. Более подробно о химическом образовании азотной кислоты рассказано в следующем разделе.

В любом случае, большинство производителей генераторов озона рекомендуют осушать воздух перед его попаданием в генератор и у владельцев аквариумов есть для этого несколько способов. Некоторые коммерческие устройства могут высушивать воздух автоматически с большой скоростью, хотя этот способ отличается от других своей дороговизной. Такие устройства очень полезны при больших скоростях потока воздуха (много литров минуту).

Наиболее простым способом является использование пластиковой трубки, наполненной материалом, который захватывает влагу из воздуха. Воздух входит с одного конца и выходит с другого, теряя влагу находясь внутри трубки. «Red Sea» продает такие устройства, по крайней мере, двух размеров. Они используют материал (силикагель), цвет которого при выработке своего ресурса переходит из голубого в розовый, после чего его можно регенерировать нагреванием в печи (вывести влагу). К сожалению, в моем устройстве отсутствовало необходимое О-образное кольцо. Когда я попытался изготовить его самостоятельно, в системе не всегда поддерживалось необходимое давление. Осушитель также истощался быстрее, чем я ожидал. В своей системе я использовал больший по размеру осушитель из двух предлагаемых производителем (500г) и обнаружил, что он обычно истощался уже после двух недель работы. Такой результат в точности повторялся и у других владельцев аквариумов, поэтому и Вам следует ожидать  схожий период выработки. Кроме того, изменение цвета позволяет точно определить момент истощения. К своему удивлению я также обнаружил, что применение осушителя практически не влияет на поток озона, выходящий из реакционной камеры, а также на ОВП в аквариуме. О деталях такого результата будет рассказано в следующем месяце. Такой результат, с одной стороны, может показать отсутствие пользы осушительной трубки, а с другой - отсутствие влияния влаги на получение озона генератором «Aquamedic», который я использовал.

Некоторые владельцы аквариумов используют два осушителя одновременно, так чтобы один можно было извлечь для регенерации, пока второй бы оставался в работе. На рисунке 4 изображена установка, используемая Хосе Диеком, в которой оба осушителя закреплены на стене и соединены специальными коннекторами для их быстрой замены при необходимости. Кроме более простой системы замены, данная установка также позволяет получить более низкие точки росы по сравнению с системами, где применяется только один осушитель.

pic4.jpg

Рисунок 4. Установка получения озона, используемая Хосе Диеком с двумя осушителями, соединенными последовательно.

Любители также могут изготовить осушительную трубку самостоятельно, купив силикагель. Возможно применение и других материалов, но в таком случае могут возникнуть дополнительные сложности. Продукция «Damp-Rid», например, может разжижаться в присутствии большого количества влаги, не понижая при этом влажность до желаемого уровня.


Отсутствие осушителя воздуха

В генераторах, где озон получают действием УФ-излучения (например «Ultralife»), нет необходимости в сушке входящего воздуха. Кроме того, многие владельцы аквариумов, имеющие генераторы с коронным разрядом, не используют осушитель воздуха и все равно удовлетворены пользой от применения озона. Для них не так важен тот факт, что они получают лишь 50%, 10% или даже 2% номинальной мощности. Если значение ОВП в аквариуме становится достаточно большим, так что срабатывает ОВП контроллер и отключает подачу озона на некоторое время, то эффективность его получения, несомненно, достаточна. Точно также если владелец аквариума не использует максимальные настройки генератора для достижения желаемого ОВП и вполне удовлетворен результатом, то применение осушителя вряд ли принесло бы много пользы.

Прозрачность воды может быть увеличена намного меньшими количествами озона, чем это необходимо для достижения часто упоминаемого ОВП в диапазоне 350-450мВ. В результате все сводится к тому, доволен ли владелец аквариума прозрачностью воды, а также и другими параметрами, которые он мог бы улучшить, применяя озон. Нежелательное образование азотной кислоты (появление небольшого количества нитратов, незначительное снижение щелочности и рН среды), вероятно, не так уж значительно по сравнению с добавлением в рифовый аквариум больших количеств питательных веществ и буферов.

Произойдет ли деградация внутренних частей генератора и фитингов в результате коррозии от действия азотной кислоты? И я не знаю ответ на этот вопрос.

В моей установке ОВП никогда не превышает 330мВ, даже если я включаю генератор на максимум и использую осушитель, значения ОВП обычно находятся в диапазоне 300-330мВ (подробнее об этом я расскажу в следующем месяце). Такой результат свидетельствует о том, что количество добавляемого озона в моем случае очень далеко от избыточного. В таком случае было бы более разумно использовать осушитель, тем не менее, результаты эксперимента которые я получу в течение следующих месяцев (когда влажность должна вырасти) покажут, действительно ли продолжительное использование осушителя оправданно.

Касаемо воздушного осушителя мои рекомендации следующие:

1.    В случае использования генератора с коронным разрядом большее количество озона может быть получено, если воздух предварительно высушить. Тем не менее, еще предстоит выяснить применимо ли это к простым коммерческим генераторам.

2.    Генератор озона проработает дольше, если подводимый воздух будет тщательно высушен (опять же в случае генератора с коронным разрядом).

3.    Предполагая, что основная цель использования озона – увеличение прозрачности воды, а не более сложная задача, например, дезинфекция, то многие владельцы аквариумов будут удовлетворены результатом и без использования осушителя.


Обратный клапан воздушного потока

Обратный клапан воздушного потока – недорогой, и в перспективе очень важный элемент установки. Он может устанавливаться между осушителем и генератором озона, а также между генератором и реакционной камерой. Генераторы, являясь высоковольтным электрическим устройством, не очень хорошо реагируют на попадание в них морской воды. Хотя большинство генераторов достаточно устойчивы к контакту с водой (для некоторых даже рекомендовано проводить очистку воздушного канала дистиллированной или деионизированной водой), осаждение соли на различных его частях нежелательно. Даже если генератор расположен выше остальных частей установки, при остановке воздушного потока давления в реакционной камере может оказаться достаточно, чтобы вода в значительной мере прошла назад по воздушному каналу.

Между осушителем (воздушным насосом) и генератором можно установить любой обратный клапан. Если воздух не сможет двигаться назад через клапан, то при отключении электричества, когда воздушный насос перестанет работать, вода не сможет подняться по воздушному каналу и попасть в генератор. В такой установке вода все же может подняться по воздушному каналу, если трубка между генератором и обратным клапаном каким-то образом отпадет.

Для установки обратного клапана между генератором и реакционной камерой рекомендуется использовать клапан устойчивый к озону (если такой возможно найти). В такой установке вода никак не сможет попасть в генератор, до тех пор, пока обратный клапан на месте. Обычные обратные клапаны, неустойчивые к озону, придется часто менять, так как резина, используемая в них, деградирует под действием озона. О наиболее устойчивых к озону материалах в данной статье будет рассказано позже.

Генераторы озона: Теория электрического разряда

Исторически озон для применения в аквариумах получали различными способами. К ним относятся и высокоэнергетическое УФ-излучение и электрический разряд. Большинство коммерческих генераторов озона (но не все), предназначенных для аквариумов, используют электрический разряд. На рисунке 5 показан типичный генератор электрического разряда. В генераторе воздух проходит между двумя электродами. В альтернативной конструкции воздух проходит через стеклянную трубку, которая, в свою очередь, расположена между электродами. Здесь зачастую применяется поле переменного тока, хотя можно использовать любое разделение зарядов между электродами. Частота электрического поля может варьироваться. Обычно выделяют следующие диапазоны частот: низкие частоты (50-100Гц), средние частоты (100-1000Гц) и высокие частоты (1000+ Гц). Я не совсем уверен, какие частоты выбирают коммерческие бренды, пользующиеся популярностью среди владельцев аквариумов. На одном или обоих электродах наносится тонкий слой диэлектрика во избежание появления между ними  искр. Диэлектриком может быть стекло, слюда или другие непроводящие материалы, но в большинстве случаев это стекло. Электрическое поле между электродами достаточно сильное, чтобы вызвать распад молекулы на атомы, и обычно называется коронным разрядом или просто короной. При действии короны происходит излучение света, но этого не видно в обычных коммерческих генераторах. Тем не менее, в случаях других применений, где корона не так замаскирована, излучение можно увидеть.

 pic5.png

Рисунок 5. Схема работы генератора озона с коронным разрядом

Сильное электрическое поле и ионы с высокой энергией, находящиеся в генераторе, могут приводить к распаду всех исходных компонентов воздуха на очень реакционноспособные атомы и радикалы:

 

f31.png

f32.png

f33.png

Образующиеся частицы могут взаимодействовать как между собой, так и с другими молекулами воздуха. В данной статье мы не будем вдаваться в детали плазмохимии, но приведем наиболее интересную в данном случае реакцию:

 

 

f4.png



Как говорилось ранее, воздушный поток через генератор может влиять на количество полученного озона. Зная, как получается озон в таких генераторах, эту взаимосвязь нетрудно понять. Если образующийся между электродов озон О3 находится там достаточно долгое время, то он также может подвергаться распаду под действием сильного электрического поля, за счет столкновения с электронами и другими частицами с высокой энергией:

 f5.png

Большие скорости потока воздуха помогают выводить образующийся озон из генератора до того, как он успеет разложиться и замещают его свежим кислородом О2, готовым к получению новых молекул озона.

Несколько последовательных реакций могут привести к образованию азотной кислоты:

 n1.png
 n2.png

n3.png


и

 n4.png

 

n5.png
 
Последняя последовательность реакций протекает в присутствии воды (необходима частица  ). Отсюда видно как высокое содержание воды (показатели влажности, точки росы) в воздухе может способствовать увеличению концентрацию азотной кислоты.

Такие процессы также показывают как высокое содержание воды в воздухе (т.е. высокая влажность и точка росы) может снизить эффективность получения озона. Атомы кислорода, вместо того, чтобы взаимодействовать с молекулой кислорода О2 с образованием озона могут вступать в реакцию с продуктами разложения воды (Н или ) и образовывать другие вещества. Из данных частиц также могут образовываться пероксид водорода и азотистая кислота, но концентрация их будет меньше, чем кислорода.

Генераторы озона: Теория УФ-излучения

Как упоминалось ранее озон также можно получать действием интенсивного ультрафиолетового излучения. К таким относятся генераторы компании «Ultralife». В них используется специальная световая лампа, генерирующая коротковолновое УФ-излучение (обычно 185 нм). Под воздействием такого излучения молекулы кислорода воздуха О2, находящиеся вблизи лампы, поглощают излучение и распадаются на атомы:

 c1.png

Также, как и в случае генераторов электрического разряда, эти атомы кислорода могут взаимодействовать с молекулами О2 с образованием озона:

 c2.png

Среди преимуществ таких генераторов производители обычно упоминают отсутствие необходимости осушать воздух, а также меньшее количество образующихся азотсодержащих побочных продуктов (т.е. азотная кислота). Кроме того, они заявляют, что их лампа может работать в течение 2-3 лет, после чего ее можно просто заменить. Конкурентные компании же заявили, что такие генераторы теряют 20% эффективности уже после нескольких часов работы, а их энергопотребление гораздо больше в сравнении с генераторами коронного разряда. Максимально возможная концентрация озона, которую можно получить из одного и того же объема воздуха меньше. Так, для УФ-систем максимальная концентрация составляет 0.01-0.1 массовых % озона в воздухе, а для генераторов с коронным разрядом, при использовании сухого воздуха, 0.5-1.7 массовых % озона в воздухе. Также помните, что мощность УФ-генераторов зачастую нельзя регулировать.

Следует также отметить, что такие генераторы сильно отличаются от УФ-стерилизаторов. УФ-стерилизаторы используют бόльшую длину волны УФ-излучения (обычно около 254 нм) и убивают микроорганизмы непосредственным действием излучения на воду в баке. Такие молекулы в микроорганизмах как ДНК поглощают УФ-излучение с длиной волны 254 нм, после чего молекула распадается и организм погибает. УФ-излучение с длинной волны 254 нм не приводит к появлению значительного количества озона.

Какой же тип генератора лучше? Я выбрал генератор с коронным разрядом, но на самом деле оба типа могут удовлетворить требования большинства любителей.

Генераторы озона: Практическая информация

С практической точки зрения применение генераторов озона не вызывает особых сложностей у владельцев аквариумов. Если выход озона можно отрегулировать, то устройство обязательно будет иметь соответствующую шкалу. Также есть шкала, которая показывает силу приложенного к электродам электрического поля. Если нет шкалы, то и регулировать нечего (кроме случаев, когда генератор поставляется в коробке с ОВП контроллером, что будет обсуждаться позже). Если генераторы не регулируемы, то снаружи они, как правило, будут иметь только электрический шнур, вход и выход воздушного канала.

Генераторы озона с коронным разрядом, разработанные для аквариумов, потребляют очень мало электроэнергии. Обычные генераторы потребляют 10 Вт или меньше (при выходе озона 300 мг/ч) и обычно поставляются с подробными инструкциями для использования. В США владельцами аквариумов часто используются генераторы следующих производителей: «Sander», «Aqua Medic», «Enaly» и «Red Sea». Генераторы с УФ-излучением обычно потребляют больше электроэнергии (т.е. «Ultralife»).

Узнать сколько озона действительно необходимо не так просто и может сильно зависеть от желаемого результата, от того как его использовать и других вещей из практики животноводства, применяемых в аквариумах. Для удаления желтизны воды, например, достаточно совсем небольшого количества озона, по сравнению со стерилизацией воды. Также, хорошая реакционная камера позволит расходовать гораздо меньшее количество озона, в сравнении с неэффективным использованием в скиммерах. Эффективный расход озона, как рекомендуют большинство источников - это 0.3-0.5 мг/ч озона на 4л аквариумной воды.
При возможности, я рекомендую поместить генератор выше уровня воды, в которую будет пропускаться озон. Любые перебои в работе (отключение электричества, поломка насоса, соединительных трубок и т.п.) могут вызвать втягивание в воды в воздушный канал и далее в сам генератор озона. Контакт с водой не сразу приведет к поломке коронного разряда, но будет постепенно ухудшать эффективность работы генератора вплоть до окончательной поломки. Я не уверен, что произойдет, если вода попадет в генератор с УФ-излучением, но это будет не удивительно, если УФ-лампа лопнет. Наличие обратного воздушного клапана также снижает вероятность контакта с водой. Мой генератор озона «Aquademic» закреплен на высоте 2 метров от пола, откуда вода поступает в реакционную камеру и затем в специальный поддон, который расположен на 1-1.5м ниже генератора. Тем не менее, несколько раз все-таки случалось так, что вода попадала в генератор. В каждом случае необходимое содержание озона в реакционной камере возвращалось в норму после 24 часов работы, тем не менее, такие случаи нежелательны.

Ознакомьтесь с инструкцией от производителя или поставщика, перед тем как проводить очистку генератора озона. Некоторые из них рекомендуют проводить очистку чистой водой и щеткой, но такой способ подходит далеко не для всех генераторов. Мой генератор «Aquademic» герметизирован некой мембраной, так что засовывание любых твердых предметов в фитинги приведет к ее повреждению.

Реакционная камера с озоном: Скиммеры (флотаторы)

Реакционная камера с озоном является главной частью установки. Это место, где воздух, обогащенный озоном, смешивается с водой из аквариума. В первой статье серии я подробно рассказывал о химических и биохимических процессах, возникающих в реакционной камере. Я также упоминал вопросы, касающиеся времени контакта и концентрации озона, с учетом некоторых возможных эффектов, вызванных его появлением (такой как дезинфекция).

В качестве контактной камеры можно использовать большое разнообразие систем, но большинство владельцев аквариумов выбирают скиммеры. Они используют либо основной скиммер, либо меньший по размеру и недорогой, который может работать только при низких скоростях потока и которым можно пожертвовать, если действие озона приведет к деградации пластика и использовать его уже будет нельзя. Несмотря на их повсеместное применение для озонирования, скиммеры не самый оптимальный способ использования озона ввиду нескольких причин:

1.    В скиммерах водные и воздушные потоки, а также сама конструкция оптимизированы для флотационных процессов, а не для введения озона и проведения реакции. Чем дольше в озонированной воде происходит реакция, тем более полно протекает процесс окисления органических молекул. Конструкция скиммеров не предусматривает такую ситуацию, когда время контакта воздух/вода максимально, а вода сама по себе не предназначена для выполнения каких-либо операций. Если поток воды слишком быстрый, а, следовательно, и скорость полного оборота высока, то концентрация озона в воде и время контакта необходимое для реакции с органическими молекулами может оказаться не оптимальным.

2.    Вода и воздух на выходе из скиммера должны пройти через слой АУ, чтобы снизить в них содержание сильных окислителей и токсичных веществ и предотвратить их попадание в аквариум и в воздух. Конструкция большинства скиммеров не обеспечивает эффективное пропускание воздуха через АУ, а высокие скорости водного потока зачастую не позволяют достичь необходимого с ним контакта воды.

3.    В большинстве скиммеров невозможно использовать материалы устойчивые к продолжительному действию озона.

Тем не менее, большинство владельцев рифовых аквариумов, которые применяют озон, используют именно скиммеры. Неважно эффективно это или нет, они решили, что это удовлетворяет их потребностям. Применение озона со скиммером сильно зависит от типа самого скиммера. Существует очень много различных конструкций, которые имеют те или иные полезные особенности.
Впрочем, вот некоторые рекомендации по использованию озона таким способом:

1.    Выбирайте скиммер, в котором может находиться достаточно большой объем воды, чтобы озонированная вода задерживалась в скиммере, а не выходила мгновенно и не проходила через слой АУ (где реакция окисления практически заканчивается).
2.    Необходим такой скиммер, который позволит собрать воздух и пропустить его через АУ. Скиммер «Sea Clone», например, не подойдет в данном случае, так как воздух и вода выходят из достаточно большого отверстия. Скиммер «ETS», которым пользуюсь я, также не лучший вариант, так как воздух выходит из трубки, которая также служит для вывода жидкого содержимого скиммера. Скиммер также можно использовать вместе со специальным коллектором жидкого содержимого (описано ниже).

Хосе Диек модифицировал коммерческий коллектор жидкого содержимого скиммера (PS-MQWC2), который работает совместно с его скиммером. Он изготовил новую крышку, увеличил длину горлышка от верхнего фланца до контейнера с углем и нарезал новую резьбу во фланце, чтобы установить больший по размеру фитинг (3/4”) для оттока. Первоначально уголь предназначался для удаления запаха содержимого скиммера, но он также может быть применен и для снижения концентрации озона. Такая конструкция позволяет собрать жидкое содержимое и отвести обогащенный озоном воздух через АУ-фильтр (Рисунок 6). В таком случае необходимо, чтобы жидкое содержимое скиммера под действием собственного веса стекло из чашки сбора в камеру коллектора без каких-либо потерь воздуха. Смесь воздуха с жидким содержимым скиммера проникает в камеру сверху, при этом жидкость остается на дне, а обогащенный озоном воздух выходит через отверстие сверху, расположенное посередине. Далее воздух проходит через уголь и теряет озон. Этот воздух при желании может быть выпущен наружу.

 pic6.png

Рисунок 6. Модифицированный коллектор жидкого содержимого скиммера, используемый Хосе Диеком для уменьшения утечек озона

Реакционная камера с озоном: Коммерческие и самодельные реакторы

Существует несколько коммерческих реакторов озона, среди которых есть совсем плохие и есть достаточно эффективные (хотя и дорогие). Как-то я пользовался реактором «Coralife» (рисунок 7) и больше не собираюсь. На мой взгляд, данный продукт имеет непродуманную конструкцию. Я расскажу о нем больше в следующем месяце.
 

pic7.jpg


Рисунок 7. Реактор озона «Coralife» с прикрепленными трубками для воды и воздушного потока.

Компания «Marine Technical Concepts» (MTC) предлагает свой озоновый реактор – «PRO240D», который выполнен в виде акриловой трубки с диаметром 15 см и длиной 70 см. Внутри вода стекает через пластину на некий пластиковый материал с очень развитой поверхностью. Смесь воздуха и озона вводится выше пластины, что позволяет газам и жидкости смешаться. Такие типы реакторов внутри обычно имеют избыточное давление (несколько PSI), для лучшего проникновения озона в жидкость. Я не пользовался этим реактором, но уверен, что это хороший выбор.

Те, кто все-таки хочет использовать озоновый реактор, но по каким-то причинам не могут потратить на него сотни долларов, могут использовать «PRO240D», а также эти чертежи для сборки собственной системы.

Реакционная камера с озоном: Трубчатый реактор

После разного рода проблем с реактором «Coralife» и разочарования в нем, а также различных тестов, в которых я просто пропускал озон через свой скиммер (создавая при этом в подвале жуткий запах), я решил изготовить очень простой реактор самостоятельно (рисунок 8). У меня есть два, соединенных последовательно, насоса «Iwaki 30 RLXT», которыми я пользовался в течение уже двух лет в качестве основных насосов обратной подачи. Я присоединил к их выходу самодельный Т-образный отвод для подачи воды к двум моим основным резервуарам.

 pic8.jpg

Рисунок 8. Смотка из трубки длинной 30 м, выполненной из ПЭ низкого давления, которую я использовал в качестве простого озонового реактора.

Используя еще один Т-образный отвод, я добавил трубку Вентури (диаметром 20мм), а к ней присоединил смотку из 30 м ПЭ трубки (тоже диаметром 20мм), которую я купил у «Cole Parmer» приблизительно за $60 (включая доставку). Реактор состоит из трубки Вентури, в которую подается смесь воздуха и озона, а затем смесь газов и воды циркулирует в этой смотке (приблизительно 13 отдельных витков) в течение 45 секунд (при скорости потока воды приблизительно 360л/ч). В трубке находится чуть больше 8 литров воды и воздуха одновременно. Это позволяет газу контактировать с большим количеством воды в течение продолжительного времени. Кроме того, достаточное большое давление создается как за счет гравитации, так и противодавлением 30 м трубки. Смотанную трубку необходимо было разместить горизонтально. Если смотка была повешена в вертикальном положении, то создавалось слишком большое противодавление и значительного потока воды в ней не возникало.
Перемешивание внутри трубки не такое уж и хорошее, но достаточное чтобы достичь значений ОВП > 680мВ, а также концентрации озона в воде (измерена тестовым набором для определения хлора в выходящем потоке) 0.1 ppm хлорных эквивалентов. В данной установке трубка Вентури выступает просто как впускное отверстие для перекачиваемого воздуха, так как скорость потока слишком низкая, чтобы добиться дополнительного всасывания трубки.

Самое главное, что конец трубки, где происходит выход воздуха и воды, незамысловато проходит через колонну АУ для удаления остаточного озона и его побочных продуктов. При нормальной работе я не чувствую запаха озона в подвале, хотя озонирование происходит именно там. В такой установке также негде скапливаться детриту, разве если только на самом АУ. Колонна с АУ будет более подробно описана далее в статье.

Реакционная камера с озоном: Подходящие материалы

Для тех, кто разрабатывает и собирает собственные системы для обработки озоном очень важно использовать подходящие материалы. Обычный пластик и резина быстро становятся хрупкими и ломкими после продолжительного воздействия озоном. Методы для определения совместимости можно встретить на различных веб-сайтах; «Cole Parmer», например. Данные таблицы 1 были взяты из представленного ими раздела о «материалах». Кроме того, они предлагают свое руководство для выбора необходимой трубки (таблица 2).

Материал Совместимость
АБС-пластик
Хорошо
Полиацеталь (Delrin®) Удовл.
БНК Неудовл.
Бутилкаучук Отлично
ХПВХ Отлично
Дюрахлор-51 Отлично
Дюрлон 9000 Отлично
ЭПДМ Отлично до40°С
ЭП резина Отлично
Элитен-пропилен Отлично
Flexelene Отлично
Фторсиликоновые каучуки Отлично
Стекло Отлично
ПЭнизк.давл. Отлично
Гипалон Отлично
Хайтрел Удовл.
Калрез Отлично до 40°С
Kel-F® (Фторопласт-3) Отлично
ПЭвыс.давл. Хорошо
Резина Неудовл.
Неопрен Удовл.
Нейлон Неудовл.
Полиэфиркетон Отлично
Полиакрилат Хорошо
Полиамид Удовл./Неудовл.
Поликарбонат Отлично
ПП Удовл.
Полисульфид Хорошо
Полиуретан, гран. Отлично
Тефлон Отлично
ПВХ Хорошо
ПВДФ (Kynar®) Отлично
Сантопрен Отлично
Силикон Отлично (по опыту Эконау - рискованно, зависит от конкрентого состава и метода производства, мы не рекомендуем применяыть силикон без предварительного тестирования)
Нерж. сталь - 304 Хорошо/Отлично
Нерж. сталь - 316 Отлично
Титан Отлично
Тигон Хорошо
Вэмак Отлично
Витон Отлично
Тип трубки Устойчивость к озону
Bev-A-Line® IV D
Bev-A-Line® V D
Bev-A-Line® XX C
Chemfluor® 367 A
Фторопласт-40 A
ФЭП A
Резина C
Kynar® A
МФА A
Норпрен A
Норпрен (пищевой) A
Норпрен (под давлением) A
Нейлон C
Полиэфиркетон A
ПФА A
ПФА-450 (особо чистый) A
Фармед A
ПЭ B
ПЭ, (ФЭП покрытие) A
Полиимид A
ПП C
ПУ (чист., аква-тонир.) A
ПУ (красн., зел., син., черн.) A
ПТФЭ A
ПТФЭ (цветн.) A
ПВХ A
ПВХ (перфор.)® B
ПВХ (пищевой) A
ПВХ (армир.) B
ПВХ (армир. пров.) B
Силикон(вулканиз. с перекис.) A
Силикон(вулканиз. с платин.) A
Силикон (армир. пероксид.) A
Нерж. сталь, 316 A
Тигон (ФЭП покрытие) B
Тигон (топливо/смазка) A
Тигон (еда/напитки) B
Тигон (особо чист.) B
Тигон (особочист., армир.) B
Тигон (лаб., вакуум) B
Тигон(санитария) A
Тигон (силикон) B
Тигон (ультра хим. стойкий) B
Tygothane (давл.) A
Винил C
Витон A
A—Отсутствие повреждений после 30 дней непрерывного действия.
B—Отсутствие, либо небольшие повреждения после 30 дней непрерывного действия
C— Следы действия после 7 дней непрерывного действия: трещины, потеря прочности, обесцвечивание, размягчение, набухание. Размягчение и набухание обратимы в некоторых случаях.
D—Не рекомендуется для продолжительного использования. Есть вероятность мгновенных повреждений.




Честно говоря, некоторые материалы, которые могут быть использованы владельцами аквариумов, такие как нейлон, далеко не лучший выбор. Магазины доставки аквариумной продукции продают специальные трубки, устойчивые к озону, которые хорошо подходят для соединения генератора озона и реакционной камеры.

Безопасность человека при использовании озона: Общая информация

Присутствие озона в воздухе представляет значительную опасность для человека. Недавнее исследование (опубликовано в апреле 2006 года в журнале «Environmental Health Perspectives») АООС (Агентство охраны окружающей среды) показало, что озон даже при концентрации 0.08 ppm может привести к преждевременной смерти при продолжительном действии. Этот предел гораздо ниже того, на который полагались ранее. Более ранние исследования утверждали, что даже уровень в 0.2 ppm не создает особых рисков для здоровья. В данной статье мы не будем касаться того, как озон влияет на здоровье человека, но следует понимать, что если озон используется как сильный окислитель для разрушения органических веществ, то продолжительное воздействие на человека (состоящего из органических тканей) крайне нежелательно.

Дело в том, что большинство владельцев аквариумов не пользуются датчиками озона (см. ниже), тогда как же они должны понять, что не подвергаются нежелательно высоким концентрациям? Кроме того, что просто не использовать озон, что могло бы быть достаточно разумным выбором для многих владельцев аквариумов по ряду причин, включая здоровье, я бы порекомендовал тест на запах. Оказывается, большинство людей способны определить присутствие озона в воздухе по запаху, даже и при более низких концентрациях, чем 0.08 ppm. Если вы почувствовали запах озона, то это может быть как опасный, так и неопасный уровень. Есть также способ применения озона, когда используются не улавливаемые на запах концентрации, при условии, что оборудование исправно и все процессы протекают должным образом, а воздух из реактора проходит через соответствующее количество АУ (рассматривается в следующем разделе). Мой совет здесь: если Вы все-таки решили использовать озон, используйте его так, чтобы не чувствовать его запаха. Является ли это гарантией безопасности? Нет. Не все люди обладают хорошим обонянием, а будущие исследования могут показать, что озон вреден даже при концентрациях, не улавливаемых человеческим носом. Но если бы я использовал озон и вдруг почувствовал его запах, я бы незамедлительно принял меры для уменьшения его утечки в воздух.

Если кому-то интересно, то существует множество брендов, предлагающих различные датчики озона, которые подходят для определения его нежелательных концентраций в воздухе. Они, к сожалению, достаточно дорогие. Датчик «EW-86316-20» от «Cole Parmer», например, стоит $350 и работает в диапазоне концентраций 0.02-0.14 ppm. Некоторые тестовые наборы включают индикаторные карточки, чувствительные к составу воздуха. Такие наборы недороги, и для владельцев аквариумов, заинтересованных в безопасном использовании озона, они являются хорошим способом убедиться - создает ли данная система какие-либо риски для здоровья. Эти наборы можно купить во многих магазинах, включая:

http://www.iaacm.org/freeozonetest.html
http://www.alerg.com/page/A/PROD/TK/AVC2000
http://www.indoorairtest.com/ozone.asp

В целях справочной информации ниже представлены возможные последствия для здоровья от действия озона (данная информация была приведена в первой статье серии, а здесь представлена для удобства).

 
Безопасность человека при использовании озона: Активированный уголь (АУ) для выходящего воздушного потока

Для того, чтобы снизить концентрацию озона в выходящем из реакционной камеры (или скиммера) воздухе, его необходимо пропустить через соответствующее количество АУ (или хотя бы вывести из дома наружу как сейчас делают некоторые владельцы аквариумов). При захвате активированным углем озона (показан как С*), последний сначала диссоциирует на поверхности угля на О и О2:

 s1.png

Образующийся кислород возвращается в воздушный поток. Некоторое количество окисленного угля так и остается на поверхности, но большая часть распадется с образование кислорода:

 s2.png

Несмотря на то, что существуют различия между активированным углем, применяемым в газовой фазе и для очистки воды, применение того или иного типа владельцами аквариумов по-прежнему может быть эффективно. Пропускание выходящего из реактора воздуха через слой (в несколько см) АУ компании «Marineland Black Diamond» позволило мне, главным образом, избавиться от запаха в комнате, где я проводил эксперименты. Единственным способом определить озон на запах было понюхать непосредственно верхнюю часть колонны с активированным углем. Отсутствие угля привело к появлению сильного запаха озона в помещении независимо от того, был ли это реактор «Coralife», скиммер «ETS 800 Gemini» или изготовленный мною трубчатый реактор (дополнительные измерения для каждой системы будут представлены в следующем месяце).

К сожалению, такого снижения концентрации озона не всегда легко достичь, потому что многие скиммеры пропускают воздух. На мой взгляд, отсутствие подходящего способа обработки активированным углем выходящего из реактора или скиммера воздуха является важным недостатком самого реактора или скиммера. Некоторые коммерческие фильтры с АУ разработаны специально для таких случаев. Например, фильтр «CAF-12 Carbon Air Filter», изготовленный компанией «Marine Technical Concepts», вполне подходит для применения в данном случае.

Я собрал собственный объединенный фильтр для обработки, как воздуха, так и воды из моего реактора (Рисунок 9). Он выполнен из ПВХ трубки диаметром 10 см и длинной приблизительно 60 см. К одному концу трубки я прикрепил сужающийся фитинг (от 10 к 8 см), а также вставил круглую пластиковую сетку диаметром 10см (купленную для предотвращения попадания листьев водосток). В результате сетка оказалась на границе между ПВХ трубкой и фитингом. Сверху я поместил большой пакет с активированным углем, а затем засыпал им оставшееся свободное пространство трубки сверху пакета («Marineland Black Diamond»).
 

 

pic9.jpg

Рисунок 9. Самодельная колонна с АУ, которую я использовал для очистки воздуха и воды от озона и его побочных продуктов. Длина ПВХ трубки приблизительно 50-60см, диаметр 10 см.

Эта колонна поддерживается на веревке, прикрепленной к верхней части трубки. Второй конец веревки закреплен на потолочной балке. Нижняя часть колонны (фитинг) закреплена в пластиковой крышке от мусорного бака (установленной на моем водном хранилище) в специально вырезанном отверстии диаметром приблизительно 9 см. ПВХ-трубка главным образом опирается на крышку, а веревка лишь поддерживает ее прямо.

В зависимости от используемого реактора либо оба отдельных выхода для воздуха и воды («Coralife»), либо один объединенный выход (мой трубчатый реактор), просто вставляются в колонну. А именно, конец трубки, где происходит выход воздуха и/или воды вставляется в слой АУ на глубину приблизительно 8 см, при этом снизу от трубки еще остается слой угля приблизительно в 30 см. Вода проходит вниз через этот слой, а воздух поднимается вверх по колонне (хотя какая-то его часть может пройти и снизу).

Если колонна присоединена правильно, то никакого запаха озона в комнате не появляется, при отсоединении же колонны помещение сразу же наполняется озоном, который легко обнаружить по запаху. Да, такая установка выглядит неопрятно, но это дешево и отлично работает!

При использовании скиммера лучшим решением для пропускания выходящего воздуха через АУ будет использование модифицированного Хосе Диеком коллектора (описано ранее).

Безопасность обитателей аквариума при использовании озона: Активированный уголь (АУ) для воды

Для того чтобы снизить концентрацию озона и его побочных продуктов (броматы, бромноватистая кислота и т.д.) в выходящей из реактора или скиммера воде, необходимо пропустить ее через соответствующее количество АУ. В первой статье серии было подробно рассказано о процессах, происходящих при каталитическом разложении озона и его побочных продуктов активированным углем, с образованием при этом чистого кислорода. Этот процесс можно отслеживать, используя тест на хлор (CN-70) или схожий набор для определения озона (OZ-2). Колонна с АУ, которую я использовал для пропускания воды (рисунок 9) позволила значительно снизить общую концентрацию окислителей. В зависимости от скорости потока и других переменных концентрация упала с 0.1 ppm до 0.04 ppm хлорных эквивалентов либо от 0.05 ppm, до, менее чем 0.02 ppm хлорных эквивалентов (нижний предел обнаружения). Такая обработка АУ лишь незначительно понижает значение ОВП, поэтому оценивать эффективность действия АУ по значениям ОВП не следует.

Такое применение АУ, как мне кажется, имеет гораздо больше требований, нежели простая очистка воды от органических веществ. В последнем случае, даже если какая-то часть воды прошла через АУ без взаимодействия - проблем не возникнет; это просто снизит эффективность, а оставшиеся органические вещества будут удалены при следующей обработке. Ситуация меняется, когда все нежелательные вещества нужно удалить в ходе одной обработки. Концентрация окислителей в морской воде после взаимодействия с озоном не так уж и мала. И, конечно, лучше удалить их все в ходе первой обработки АУ. Какое бы количество окислителей не попало в аквариум, неминуемо начнется взаимодействие. Если взаимодействие произойдет с растворенными органическими веществами, либо с органическими частицами – это совсем не проблема, а совсем наоборот. Но гораздо более проблематично, если эти окислители начнут действовать на живые организмы (см. первую статью).

Безопасность обитателей аквариума при использовании озона: ОВП датчики и контроллеры

Озон является очень сильным окислителем и владельцы аквариумов должны быть уверены, что не добавляют его слишком много. Существует не одна история, в которой владелец аквариума устроил катастрофу в аквариуме, добавив слишком много озона (включая случай со смертью трех акул в 2001 году в «Devon Aquarium», когда поломка компьютера позволила большому количеству озона проникнуть в аквариум). Помимо выбора подходящего оборудования (генератор озона, АУ обработка), существует еще один способ убедится, что в аквариуме нет избытка озона – мониторинг значения ОВП (окислительно-восстановительного потенциала).

Я подробно рассказал об ОВП в одной из предыдущих статей, объясняя, что это действительно такое и как его измерять. Я также рассказывал о химическом вкладе озона в общее значение ОВП в первой статье серии, поэтому здесь я не буду останавливаться на этих аспектах. ОВП измеряется простым датчиком и комбинацией электродов, также как рН. На этом, к сожалению, вся аналогия с рН заканчивается. Теоретические основы ОВП достаточно сложны, и не совсем понятно, какие именно химические вещества вносят вклад в значение потенциала при измерениях ОВП-электродом. Электрод очень медленно приходит в равновесие с морской водой: это может занять от нескольких часов до нескольких дней, так как различные органические и неорганические вещества присоединяются, либо отделяются от поверхности электрода. Поэтому такие электроды характеризуются очень большим временем отклика.

Помимо простых ОВП датчиков, как, например, от компании «Pinpoint» (рисунок 10), многие владельцы аквариумов используют ОВП-контроллеры (рисунок 11). Такие устройства очень полезны, так как они позволяют отключать питание генератора озона (как и любых других устройств), если значение ОВП становится слишком высоким. Все что нужно сделать владельцу аквариума - это задать необходимое значение ОВП, и контроллер готов к работе. Некоторые компании (например «Red Sea») продают генераторы со встроенным ОВП датчиком или контроллером. Такие датчики более удобны и менее дорогие, но у них нет какого-либо рода преимуществ.
  

 

pic10-11.jpgpic10-11-11.jpg

 


Рисунок 10 и 11. ОВП-датчик (слева) компании Pinpoint и ОВП-контроллер (справа) от American Marine
При подаче озона в рифовый аквариум, чем большее количество подается, тем выше будет ОВП. Я бы не согласился с утверждениями, что некоторые владельцы аквариумов сделали воду прозрачнее или «лучше», устанавливая высокие значения ОВП. Если использовать ОВП как индикатор избыточного содержания озона, то следует дать некоторые пояснения по поводу выбора целевого значения.

Без применения озона ОВП в аквариуме значительно варьируется. Некоторые владельцы аквариумов сообщали о значениях ОВП больше 300 мВ и даже 400 мВ. ОВП в моей системе без применения озона поддерживается в диапазоне 250-300 мВ. У некоторых бывает и меньше этого. Такой разброс значений может быть обусловлен сложностями калибровки ОВП измерений, долгим временем установления равновесия ОВП-электродов (процесс может длиться несколько дней), а также и тем, что ОВП зависит от рН среды. Но основная причина этого - деятельность самих владельцев аквариумов, в результате которой и меняется исходное значение ОВП аквариума.

Перед тем, как обсудить взаимосвязь между ОВП и концентрацией озона, я бы хотел упомянуть один вопрос, который показывает, насколько сильно владельцы аквариумов должны полагаться на точность ОВП. Как говорилось ранее, определение ОВП не является простым равновесным измерением. Измерительный зонд может сохранять следы предыдущей среды, в которой до этого проводились измерения. Это может внести вклад в текущие показания, даже если прибор откалиброван должным образом. Такими следами на поверхности зонда могут быть различные органические и неорганические материалы, каким-то образом закрепившие на платиновой поверхности. Приведу такой пример. Откалибровав ОВП-зонд (стандартная жидкость от «Pinpoint» с ОВП 400 мВ), я оставил его в аквариуме на несколько дней, для достижения равновесия, затем, перенеся его в новую калибровочную жидкость, я получил ожидаемое значение. Но после возвращения зонда обратно в аквариум значение ОВП выросло на 25-30 мВ по сравнению с предыдущим значением, при этом увеличение сохранялось в течение нескольких дней. Выдержка зонда в растворе с очень высоким ОВП (выходящая из реактора жидкость, например) приводит к смещению показаний в другую сторону, наоборот, показывая меньшие значения ОВП в аквариуме. Так, полученное значение даже через несколько дней оставалось на 25 мВ меньше исходного (при измерении сразу падение еще больше). Смысл здесь заключается в том, что владельцы аквариумов не должны связывать небольшие изменения в значениях ОВП с чем-либо конкретным. Эти изменения могут быть обусловлены состоянием ОВП зонда, а не какими-либо процессами в воде аквариума.

В самом начале работы с озоном некоторые владельцы аквариумов, в том числе и я, замечают лишь незначительное увеличение значения ОВП, даже используя рекомендованные концентрации. В моем аквариуме ОВП не поднимается выше 330 мВ, например, а у других владельцев аквариумов оно по-прежнему находится в области 200 мВ, даже после применения озона. У третьих, тех, кто обычно начинает с высоких значений ОВП (хотя это может быть и не единственный фактор), он с легкостью становится слишком большим при отсутствии контроля.

После всех обсуждений я бы хотел предложить свои рекомендации для мониторинга ОВП и контроля содержания озона в рифовых аквариумах, при наличии походящего по размерам генератора и откалиброванного ОВП датчика:

1    Если ОВП не возрастает выше 375 мВ после начала работы с озоном, то контролировать озон и ОВП нет необходимости. Оставьте как есть. Также не следует покупать больший генератор, если использование вашего позволило повысить ОВП лишь на 25 мВ. Этот генератор, вероятнее всего, выполнит необходимые задачи (например, сделает воду более прозрачной). Я рассмотрел бы другие варианты с большим генератором или лучшей реакционной камерой, если применение озона оказалось бы неудовлетворительным в ряде других случаев (например, чистота воды).
2    Если начальное значение ОВП больше 375 мВ и возрастает при пропускании озона, то использование ОВП-контроллера для предотвращения завышенных значений ОВП было бы очень кстати. Контроллер выключит генератор, если ОВП будет слишком высоким. Также можно выключать подачу воздуха, чтобы сохранить осушитель, но тогда нужно быть уверенным, что вода не попадет в генератор. В данной ситуации я бы установил целевое значение ОВП несколько большее чем, то которое было до использования озона – по крайней мере, 350 мВ, можно 400 мВ, но не более чем 450 мВ.

 

Удаление озона из воды

 

Озон при правильном применении полностью растворяется в воде, является очень мощным и эффективным окисляющим и дезинфицирующим средством.

 

Его свойства разрушают микробиологические организмы и снижают уровень многих органических загрязняющих веществ, присутствующих в воде.

Озон является предпочтительным по сравнению с обычными химическими агентами, поскольку его не нужно хранить.


Озонирование, как правило, только один шаг в цепочке процесса обработки воды.

В отличие от розлива, где остаточный озон деградирует в бутылке, это не приемлемо для водных обитателей.


Некоторые из разрушения озона способов может быть эффективно достигнуто следующее:

- В водных системах, где правильно спроектировано и подобранно по размеру ультрафиолетовое оборудование, озон разрушается просто и эффективно, уменьшает остаточный озон до уровня ниже детектируемых уровней с дополнительным преимуществом уничтожения органики.

Блок УФ деструктора разрушает озон непосредственно перед компонентом для обработки воды, который требует защиту от озона;

- Аэрация каскадом, насадочные колонны или диффузия воздуха. Этот метод выпускает озон в атмосферу;

- Фильтрация воды через активированный уголь адсорбирует растворенный озон на угле и добавляет преимущество удаления углерода в целом.

 

Влияние активированного угля на озон


Для того чтобы уменьшить потенциальную токсичность озона, наиболее часто используется пропускание воды через активированный уголь.

Когда бромат и гипобромит взаимодействуют с поверхностью активированного угля, они распадаются на бромид-ионом (Br-) и кислород, как показано ниже для бромата, где C * обозначает активированный уголь и СО * обозначает активированный уголь с присоединенным атомом кислорода.

    BrOH + C * à Br- + CO + H +

Некоторое количество из окисленного активированного угля остается, а некоторое разрушается для получения кислорода (О2):

    2CO * 2С * + O2             17      1 2 3 10   

Некоторые из СО * могут также разрушаться до СО2 (диоксид углерода), но как правило в незначительных количествах. Ни один из продуктов этих реакций не вызывают серьезную озабоченность.



Выводы

Применение озона для рыбных хозяйств и аквариумов имеет свои преимущества и недостатки.

 

Самое главное преимущество – более прозрачная и чистая вода, а недостаток - токсичность озона и его побочных продуктов для человека и обитателей аквариума. Правильное использование подходящего оборудования, тем не менее, значительно понижает риски при работе с озоном. Если Вы все-таки решили использовать озон, прочтите следующие рекомендации:


1    При выборе воздушного насоса учитывайте размеры генератора озона и контактной камеры. Достаточно удобным может быть использование насоса с регулируемой скоростью потока. Используйте насос, который сможет справиться с противодавлением, если в контактной камере возникнет избыточное давление.
2    Использование осушителя увеличит выход озона, снизит концентрацию азотной кислоты и продлит время работы генератора. При использовании генератора с УФ-излучением осушитель не нужен.
3    Размер генератора должен соответствовать размеру системы, так чтобы выход озона составлял 0.3-0.5 мг/ч на галлон (~4л) аквариумной воды. Чрезмерно большой генератор не сильно дороже, но создает риск появления больших концентраций озона в аквариуме. Также как и в случае других добавок для рифовых аквариумов, необходимо придерживаться рекомендаций.
4    В качестве реактора могут быть использованы различные коммерческие и самодельные камеры. Наибольшей эффективности озонирования можно достичь, если обеспечить длительное время контакта смеси озон/воздух и воды из аквариума. В таком случае реакция окисления будет протекать достаточно продолжительное время. Здесь также можно создавать избыточное давление, для лучшего проникновения озона в воду. Можно использовать скиммеры, но это достаточно неэффективно.
5    В целях безопасности людей, находящихся вблизи аквариума, а также во избежание появления запаха озона, пропускайте воздух из реакционной камеры через достаточное количество активированного угля. Применение тестовых наборов или датчиков для обнаружения озона в воздухе поможет рассеять сомнения.
6    В целях безопасности обитателей аквариума, пропускайте озонированную воду через слой активированного угля, чтобы снизить концентрацию токсичного озона и его побочных продуктов в воде.
7    Следите за значениями ОВП при использовании озона. Если значение ОВП поднимается выше 375 мВ (а оно может и не подниматься) установите должный контроль, чтобы ОВП не возрастал до чрезмерно больших значений (выше 450 мВ).
8    После запуска системы в работу необходимо произвести настройки воздушного потока, водного потока, генератора и других параметров, чтобы обеспечить максимальную эффективность. Значение ОВП можно использовать при увеличении или уменьшении подачи озона. Тестовый набор для определения хлора может быть использован для определения содержания озона и его побочных продуктов в обработанной воде.
Для тех, кому интересны дополнительные технические детали получения озона и его применения, следует ознакомиться с книгой Стивена Спотте: "Seawater Aquariums: The Captive Environment" (1979). Несмотря на то, что книга вышла давно, и не ориентирована конкретно на рифовые аквариумы или очистку воды, в ней содержится научный анализ многих вопросов, связанных с получением озона и его применением. Недавно я приобрел б/у копию книги на Amazon за $6. Те, кто заинтересованы в разработке реакционных камер и подобных устройств (скиммеров и т.п.), могут ознакомиться с книгой Педро Рамона Эскобаля: «Aquatic Systems Engineering: Devices and How They Function».