Kỹ thuật hòa tan ozone vào nước
Như trên đã trình bày, để tăng lượng ozone hòa tan trong nước cần:
- Tăng nồng độ ozone trong khí dưỡng (oxy hoặc không khí) tức là tăng nồng độ ozone của máy phát ozone. Muốn thế cần dùng khí dưỡng là oxy và hạn chế lưu lượng.
- Tăng áp suất oxy hay không khí (chứa ozone).
- Giảm nhiệt độ nước.
- Ngoài ra độ pH cũng ảnh hưởng tới độ hòa tan của ozone trong nước: hòa tan tốt hơn khi độ pH giảm.
- Một tác nhân quan trọng nữa là tăng sự tiếp xúc giữa khí ozone và nước.
1. Khuếch tán ozone vào nước nhờ các bọt khí
Đây là phương pháp trộn ozone vào nước đơn giản nhất và ít tốn năng lượng nhất. Ozone từ máy phát được bơm vào nước thông qua các đầu tạo bọt hay còn gọi là khuếch tán (bubble diffuser). Các bọt khí ozone dạng hình cầu có diện tích bề mặt tiếp xúc với nước S~R2. Quá trình khuếch tán ozone vào nước thông qua bề mặt đó. Khối lượng ozone M khuếch tán tỷ lệ với diện tích tiếp xúc S: M ~ k.S (k: hệ số khuếch tán). Vì vậy cần tăng diện tích tiếp xúc S giữa bọt khí ozone và nước. Để tăng diện tích S của một khối lượng khí ozone nhất định, cần tạo ra nhiều bọt khí ozone có đường kính càng nhỏ càng tốt.
Xét một bọt khí bán kính R, thể tích V= k1R3 và diện tích bề mặt là S=k2R2 (hình 4) Khi giảm kích thước bọt xuống R/2, thể tích V= k1R3/8 (giảm 8 lần), diện tích bọt là S=k2R2/4. Tuy nhiên để giữ nguyên thể tích, cần có 8 bọt như vậy, vậy diện tích bề mặt của 8 bọt là: S=8 x k2R2/4=2k2R.2 (diện tích 8 bọt nhỏ lớn gấp đôi trường hợp bọt lớn trong khi thể tích giữ nguyên không đổi). Nếu tiếp tục giảm bán kính bọt R/4, diện tích mỗi bọt là k2R2/16. Tuy nhiên sẽ cần 64 bọt (để giữ nguyên thể tích ~R3). Vậy tổng diện tích là: 64 x k2R2/16=4kR2 (gấp 4 lần). Nếu tiếp tục giảm bán kính 10 lần, diện tích tăng 10 lần... Vì vậy, với một khối lượng khí ozone cố định, bọt khí càng nhỏ diện tích bề mặt càng lớn, khả năng khuếch tán ozone vào nước càng nhiều (vật chất khuếch tán M~ Diện tích khuếch tán S). Đó chính là lý do cần giảm kích thước bọt khí ozone. Hiện nay, người ta đã tạo ra các bọt khí siêu nhỏ, đường kính cỡ micro/nano mét. Với kích thước nhỏ như thế, khả năng khuếch tán của ozone vào nước rất cao.
Hình 4. Bọt khí O3 có bán kính R và diện tích bề mặt S=kR2. Cũng bọt khí đó khi chia làm tám bọt nhỏ bán kính R/2 (tổng thể tích không đổi) thì diện tích S của 8 bọt đó bằng S=8 X (kR2/4)=2kR2 (tổng diện tăng 2 lần).
2. Thiết kế bể trộn
Bể trộn ozone vào nước chính là bể phản ứng sinh hóa, nơi ozone tương tác với khuẩn và các tạp chất vô cơ, hữu cơ để làm sạch nước. Bể trộn thường có nhiều ngăn, trong sản xuất nước uống (nước sạch) bể trộn có 6-8 để nước chảy theo đường chữ “chi”, tăng thời gian tiếp xúc với bọt khí ozone (tăng thời gian giam hãm (HDT). Khí ozone được bơm vào bể trộn thông qua các đầu tạo bọt khuếch tán, các đầu này thường đặt ở đáy các ngăn 1, 2 hoặc ngăn 3 đầu tiên. Độ sâu của bể trộn có thể tới 5-6 mét. Độ sâu lớn tạo điều kiện để các bọt khí đi qua quãng đường dài nhất có thể trong quá trình nổi lên phía trên của bể trộn. Đồng thời, độ sâu lớn làm cho áp suất nước cao, điều đó làm tăng độ hòa tan của ozone vào nước. Ví dụ, nếu bể nước sâu ~3 m, áp suất tăng ~0,3 atm và độ hòa tan của ozone tăng ~35 %
Các đầu tạo bọt khuếch tán đặt ở đáy bể, số lượng là diện tích 4 ft2/một đầu tạo bọt tức là mỗi đầu tạo bọt ứng với diện tích 0,37 m2 hay mỗi mét vuông đáy bể cần lắp 2-3 đầu tạo bọt.
Đầu tạo bọt có dạng đĩa và hình ống, lưu lượng 0,5-2 CFM (khí dưỡng là oxy), lưu lượng lớn hơn, 2-6 CFM với khí dưỡng là không khí (CFM:1 feet khối/phút= 28 L/phút (hình 5).
Hình 5. Các đĩa tạo bọt ozone (được làm bằng gốm xốp) đặt ở đáy bể trộn.
3. Sử dụng ống venturi (injector)
Ống venturi (hay còn gọi là ống hút, injector) là ống tròn có một khúc đường kính được thu hẹp. Chất khí hay chất lỏng chảy trong ống venturi sẽ có tốc độ khác nhau: V1 tại nơi đường kính lớn và V2 tại nơi đường kính nhỏ (chỗ bị thu hẹp), trong đó, để bảo đảm tính liên tục của dòng chảy, tốc độ tại ống hẹp tăng: V2>V1.
Định luật Bernoulli cho biết, trong dòng chảy liên tục của chất khí hay chất lỏng, nơi nào tốc độ lớn thì áp suất nhỏ P2 < P1.
Năng lượng của dòng chảy bao gồm: động năng ½ rv2 (v: tốc độ, r mật độ), thế năng mrh (m: khối lượng, h: chiều cao của hệ, đại lượng này không đổi) và áp suất p=F/m2. Có thể viết phương trình năng lượng của 2 đoạn ống có đường kính và tốc độ V và áp suất khác nhau dựa vào định luật bảo toàn năng lượng:
P1 +½ rv12 + rgh = P2 +½ rv22 + rgh
Vì ống đặt trên cùng độ cao, h=const và r =const, suy ra:
P1 + ½ rv12 = P2 + ½ rv22 ,
Vậy tại nơi ống thu hẹp tốc độ dòng chảy tăng, V2>V1
Từ đó có: P2<P1 (xem hình 6)
Hình 6. Sơ đồ ống venturi dùng để “hút” khí ozone vào dòng nước. Tại chỗ hẹp, tốc độ tăng, áp suất giảm (trái). Một đường ống nối từ máy phát ozone vào chỗ hẹp của ống venturi (nơi áp suất nhỏ), tại đây khí ozone từ máy phát có áp suất cao hơn bị “hút” vào dòng nước và pha trộn với nước. Một van một chiều được dùng để không cho nước chảy ngược vào máy phát ozone.
Hình 7. Sơ đồ trộn ozone vào nước bằng ống venturi (đầu hút, injector) và ống trộn tĩnh tạo dòng nước chảy xoắn.
Sơ đồ ống venturi dùng để “hút” khí ozone vào dòng nước trình bày trên hình 6 và 7. Nước được bơm vào đường ống, tại chỗ hẹp, tốc độ tăng, áp suất giảm (hình 5 trái, xuất hiện độ chênh áp suất D). Tại đây (hình 6, phải) khí ozone từ máy phát có áp suất cao hơn bị hút vào dòng nước và pha trộn với nước. Để không cho nước chảy ngược vào máy phát ozone, đặt một van một chiều sao cho chỉ khí ozone đi vào dòng nước. Để tăng hiệu quả, góc mà dòng nước chảy vào đoạn ống hẹp được thiết kế sao cho tăng áp suất “âm” tại đây. Hình 7 cho thấy sơ đồ lắp hệ thống trộn khí vào nước bằng ống venturi và ống xoắn tĩnh (ống xoắn tĩnh gồm các tấm sắp xếp kiểu ruột gà, nước cùng bọt ozone đi qua va đập vào các tấm chắn và chuyển động xoắn, liên tục chuyển hướng. Điều đó làm cho bọt ozone tiếp tục bị “vỡ” thành bọt nhỏ hơn và tiếp xúc với nước tốt hơn.
Để tăng cường độ hòa tan ozone vào nước, có thể sử dụng sơ đồ trộn ozone tuần hoàn:
Nước --> Ống venturi (hút ozone) --> Bể nước (+ ozone) --> Máy bơm --> Ống venturi (hút ozone lần hai) --> Bể nước (+ ozone)
