臭氧传质机理及其在水处理中的溶解度

臭氧（O₃）是一种强氧化剂和消毒剂，广泛应用于水处理。为了实现有效的消毒和氧化，通常由臭氧发生器现场产生的臭氧气体必须高效地溶解到水中。与许多其他气体不同，由于臭氧在水中固有的不稳定性以及对多种环境因素的敏感性，预测其溶解度较为复杂。

本指南探讨了臭氧溶解度和传质的基本原理、关键影响因素以及优化基于臭氧的水处理工艺所必需的常见注入技术。

理解臭氧溶解度

气体在水中的溶解度通常由亨利定律描述。然而，对于在水中会发生化学变化的臭氧，通常采用本森系数和溶解度比系数等特定系数来更好地表征其溶解过程。

亨利系数

亨利定律指出，气体在液体中的溶解度与该气体在液体上方的分压成正比。虽然这是基本原理，但由于臭氧在水中会发生反应和分解，其直接应用于臭氧受到限制。它主要适用于在传质过程中不与溶剂发生化学相互作用的气体。

通常参考两种形式的亨利系数：

1. 摩尔分数形式：

   • 公式： Y = H * X
   • 其中：
     • Y = 物质在流体上方的分压 [atm]
     • X = 臭氧（气态）的摩尔分数 [-]
     • H = 亨利常数 [atm/(mol/L)] 或 [atm·L/mol]

   在实际应用中，臭氧发生器产生的臭氧是气体混合物（例如，在氧气或空气中）的一部分，因此必须使用分压。这种形式有助于描述气相中的臭氧与其溶解的摩尔分数之间的平衡。

2. 无量纲亨利常数 (Hc)： 这种形式对于水处理工程师来说通常更实用，因为浓度以质量每体积表示。

   • 公式： Hc = (平衡状态下液体上方气体浓度) / (平衡状态下液体中气体浓度)
   • 其中：
     • Hc = 无量纲亨利常数 [-]
     • 气相浓度（例如，气体的 mg/L）
     • 液相浓度（例如，液体的 mg/L）

本森系数 (β)

本森吸附系数 (β) 是另一种用于计算臭氧溶解度的方法。它描述了在标准温度和压力（NTP：0°C/32°F 和 1 个大气压）下，当气体的分压为 1 个大气压时，在给定温度下，单位体积液体在平衡状态下溶解的气体体积。

• 溶解气体浓度公式： Cs = β * M * P

• 其中：

  • Cs = 溶解气体浓度 [kg/m³ (lb/ft³)]
  • β = 本森吸附系数 [-]
  • M = 气体密度 [kg/m³ (lb/ft³)]
  • P = 臭氧分压 [Pa (psi)]

• Beta 的定义（无量纲）： β = Vg / Vl

  • Vg = 溶解的气体体积
  • Vl = 单位液体体积

溶解度比系数 (S)

溶解度比系数 (S) 是一种广泛使用且实用的估算臭氧溶解度的方法，与亨利系数相关。它定义为每升水中臭氧的毫克数除以每升气体中臭氧的毫克数，因此是一个无量纲因子。

• 不同温度下溶解度比 (S) 的经验公式： log₁₀S = -0.25 – 0.013T [°C]
  • 其中：
    • S = 溶解度比系数 [-]
    • T = 摄氏温度 [°C]

此公式作为指导，因为实际臭氧溶解度受水体中多种因素的影响。然而，温度始终是最关键的影响因素之一。

• 20°C (68°F) 时的计算示例： log₁₀S = -0.25 – (0.013 * 20) log₁₀S = -0.25 – 0.26 log₁₀S = -0.51 S = 10^(-0.51) S ≈ 0.31

  在 20°C (68°F) 时，溶解度比 (S) 约为每升载气 0.31 mg/L 水。这意味着如果气相中的臭氧浓度为 20 mg/L，则在 20°C (68°F) 时，大约有 20 * 0.31 = 6.2 mg/L 的臭氧会溶解到水中。

影响臭氧溶解度的因素

优化臭氧溶解度对于处理效率至关重要。溶解度受以下因素影响：

• 气体中的臭氧浓度： 进料气体中更高的臭氧浓度（或更高的分压）直接提高溶解度。现代臭氧发生器可以产生高浓度（例如，高达 240 g/Nm³）。
• 气体压力： 增加接触器内的整体气体压力可增强臭氧溶解。
• 水温： 降低水温可显著提高臭氧溶解度。较冷的水可以容纳更多的溶解气体。
• 溶质量： 高浓度的溶解固体或其他溶质会降低臭氧溶解度。
• pH 值： 通常，降低 pH 值可以在某些情况下提高臭氧的稳定性，从而增加溶解度，因为臭氧在较高 pH 值下分解更快。
• 紫外线照射： 过量的紫外线会导致臭氧分解，降低有效的溶解臭氧浓度。

臭氧传质

传质是指臭氧从气相转移到液相的过程。这一过程发生在气液界面上，由浓度梯度驱动。简化的双层模型可以说明这一过程，其中两相均存在传质阻力。

臭氧传质的步骤包括：

1. 臭氧在气液界面的扩散： 臭氧分子从气相主体迁移至界面。
2. 溶解进入液膜： 臭氧溶解在界面处的薄层液体中。
3. 扩散进入液相主体： 溶解后的臭氧随后分散到整个水体中。

传质速率取决于以下几个因素：

• 气体和液体的物理性质： 密度、粘度和扩散系数会影响臭氧迁移的难易程度。
• 界面处的浓度差： 浓度差（驱动力）越大，传质速率越快。
• 湍流程度： 增加气相和液相中的湍流或混合程度，可以增大接触面积并减小边界层厚度，从而提高传质效率。

臭氧投加技术

高效的臭氧溶解需要合适的投加技术。最常用的方法是曝气盘和文丘里射流器。

曝气盘系统

曝气盘通常由安装在接触池底部的多孔盘、板或管组成。其工作原理是在压力下注入臭氧气，形成细小的气泡柱，气泡柱上升穿过水体，从而最大化气液接触时间和接触面积。

• 优点：
  • 传质效率高（尤其在接触深度足够时）。
  • 结构相对简单。
  • 对于大水量处理（如饮用水系统）经济性较好。
• 缺点：
  • 不够紧凑，需要较深的接触池。
  • 效率严重依赖于接触柱深度和气泡尺寸。
  • 容易堵塞，长期运行会降低效率，需要维护。

文丘里射流系统

文丘里射流器通过在收缩流道内产生压差来工作。当水流经文丘里喉部时，流速增加，压力下降，形成真空从而吸入臭氧气体。当水流在喉部下游扩张时，气体与水充分混合。

• 优点：
  • 安装非常紧凑，占地面积比接触池小。
  • 射流器本身无运动部件，维护成本低。
  • 由于强烈的混合和剪切力，传质效率高。
  • 非常适合旁路注入和较小规模系统。
• 缺点：
  • 需要动力水流，意味着泵送能耗。
  • 可能在系统中产生背压。

AquaChain 工程提示

在排查接触池中溶解臭氧浓度偏低的问题时，除了检查发生器输出和供气压力外，请确保定期检查臭氧曝气盘系统是否结垢。堵塞的微孔会显著降低气泡尺寸的均匀性和气液接触效果，导致传质效率低下和臭氧浪费。应根据水质和运行历史，考虑化学清洗或更换计划。

常见问题解答

问1：为什么臭氧的溶解度比其他气体更难预测？ 答1：臭氧是一种不稳定的气体，在水中会发生反应和分解，这与惰性气体不同。因此，除了物理溶解原理外，其有效溶解度还取决于反应动力学。

问2：水温具体如何影响臭氧溶解度？ 答2：臭氧溶解度与水温成反比；冷水比温水能溶解并保留更多的臭氧，这是系统设计时需要考虑的关键因素。

问3：在臭氧传质方面，文丘里射流器相对于曝气盘的主要优势是什么？ 答3：文丘里射流器通常更紧凑，所需接触容积更小，并且由于混合强烈，传质效率非常高，因此适用于空间受限或需要在较小占地面积内实现高溶解率的场合。

相关 AquaChain 指南： 有关可能影响臭氧效果的前处理或后处理步骤的详细信息，请参阅我们的 过滤 指南。