氣體溶解于水時(shí),如氣體和水中物質(zhì)不起反應(yīng),又不電離,又不處特別高壓,**溫度下氣體溶解度和其氣體的分壓成正比,即遵循亨利(Henry)分配定律。臭氧氣體的亨利常數(shù)如下表所示。該定律適用于臭氧溶解于水的狀況,因此,按亨利定律臭氧氣體溶解于水,在穩(wěn)定狀態(tài)下,其液相濃度與氣相分壓成正比。平衡狀態(tài)下臭氧液氣相比例如下式所示:
P=HX,其中,P:氣相的臭氧分壓(atm)
X:液相的臭氧濃度(摩爾分壓)
H:亨利常數(shù)(atm/摩爾分壓)
亨利常數(shù)受水溫和PH值爾變化,PH在55-7.1范圍內(nèi),一下實(shí)驗(yàn)公式成立。
H=(0.13t*2.06)*103 t=水溫(℃) H*10-4 H:亨利常數(shù)
氣體 | 0℃ | 5℃ | 10℃ | 15℃ | 20℃ | 25℃ | 30℃ | 35℃ | 40℃ | 45℃ | 50℃ |
O3 | 0.194 | 0.218 | 0.248 | 0.288 | 0.376 | 0.457 | 0.596 | 0.818 | 1.2 | 1.79 | 2.78 |
即水溫高,其常數(shù)大,于水的溶解度降低。實(shí)際計(jì)算時(shí),因使用單位關(guān)系,使用分配系數(shù)D要比亨利常數(shù)計(jì)算來(lái)得方便。因與水接觸的臭氧氣體是與氧及空氣的混合體,溶解度可由空氣與水的氣液層分配率來(lái)考慮。分配系數(shù)D在**壓力、溫度、容量下可由下式表示:
D=飽和狀態(tài)下水溶液中的臭氧濃度CL(mg/L)/注入的臭氧氣體濃度CQ(mg/L)
臭氧于水的溶解度比氧約大10倍,并隨壓力升高,溫度降低而增大。溶解速度對(duì)決定溶解裝置的大小、結(jié)構(gòu)相當(dāng)重要。溶解速度可按菲克擴(kuò)散定律,擴(kuò)散系數(shù),物質(zhì)移動(dòng)系數(shù),雙重境膜理論等來(lái)說(shuō)明。臭氧溶解于水時(shí),下式可作為溶解速度公式:
W=KL[a/(1-h)](D*CG-CL)-K1CL其中:
W:溶解速度(單位液體容量、單位時(shí)間內(nèi)臭氧的溶解量)。
KL:液體側(cè)總物質(zhì)移動(dòng)速度(m/hr)
a:氣液界面面積(每氣液混相單位容量中全氣泡表面積)
h:氣體容積(每氣液混相單位容量中全氣泡容積)
D:臭氧的氣液分配系數(shù)
CG:氣體中臭氧濃度(mg/L)
CL:水中臭氧濃度(mg/L)
K1:臭氧自行分解速度系數(shù)。)
臭氧的溶解度(25℃) D水=0.20 CL=D·CG D:(mg/mg)
欲提高臭氧的溶解速度(W),應(yīng)加大濃度梯度(D·CG-CL),氣液微細(xì)化以加大氣液界面面積(a)以及加大物質(zhì)移動(dòng)系數(shù)KL。為加大濃度梯度,須降低溫度以增大氣液分配系數(shù)(D)及增大氣體中的臭氧濃度(CG)。因此,提高氣泡中臭氧濃度及增加氣水接觸的比交換面積,即對(duì)于任意體積的氣體,增加氣泡總的表面積均可提高臭氧溶解于水的速度。這中間盡可能將氣泡直徑減小使之?dāng)U散十分重要。但在一個(gè)固定的臭氧擴(kuò)散系統(tǒng)中,氣泡直徑是**的,如果提高臭氧氣體濃度CG,則擴(kuò)散氣體體積減少,從而又使總表面積a減少。所有會(huì)有一個(gè)臭氧氣體濃度CG的*佳值,超過(guò)此值,臭氧向溶液的滲透速度便降低。
另外,壓力提高,也增加臭氧溶解速度,注入速度高以及注入點(diǎn)深也可加快其溶解速度。這是因?yàn)橥都狱c(diǎn)深可以延長(zhǎng)臭氧氣泡和水的接觸時(shí)間T。
分配系數(shù)D受水溫而變化:10℃為0.38,20℃為0.29,溫度越高,下降越快。在平衡狀態(tài)下,能溶解入水中的臭氧的*大量與壓力、溫度和空氣中的臭氧濃度相關(guān)。為此應(yīng)使用能產(chǎn)生盡可能細(xì)微氣泡,氣泡與處理液又能長(zhǎng)時(shí)間接觸以及氣體中具*適臭氧濃度的擴(kuò)散系統(tǒng)。在接觸氧化中,如所含臭氧氣泡滯留時(shí)間過(guò)短,便不能達(dá)到溶解平衡,一般氣水接觸時(shí)間,須達(dá)30分鐘。