Độ hòa tan của ozone trong nước
So với oxy, ozone hòa tan vòa nước nhiều hơn đáng kể. Khả năng hòa tan của ozone vào nước và nồng độ ozone trong nước CW phụ thuộc vào: (i) Nồng độ khí ozone (do máy phát ozone tạo ra) dùng để sục vào nước CG (g/m3), (ii) Hệ số hòa tan S (hệ số Busen, không thứ nguyên), hệ số này phụ thuộc vào nhiệt độ nước T và (iii) Áp suất khí dưỡng P (chứa ozone) theo hệ thức:
CW (mg/L) = CG (g/m3) x S x P(atm)
(CW: nồng độ O3 trong nước, w: water; CG: nồng độ khí O3 tại đầu ra của máy phát, G: gas). Đây là công thức dùng để tính toán, cần chú ý dùng đúng đơn bị như ghi trong công thức trên) (theo Oxidation Technologies, LLC. PO Box 29, 214 US, Highway 18, Inwood, IA 51240).
Bảng 1 cho biết độ hòa tan của ozone trong nước (mg/L, ppm) phụ thuộc vào: (i) nhiệt độ nước (5-40oC); (ii) nồng độ ozone trong khí dưỡng (khí dưỡng là oxy) (theo % trọng lượng): từ 1,5 đến 21%. Chú ý: 14,3 g ozone/m3 oxy = 1% (mật độ oxy~1,4 kg/m3). Có thể thấy nồng độ ozone cao nhất trong nước quan sát được là 150,15 mg/L (tại 5oC, với nồng độ khí ozone là 21% - tương đương ~300 g/m3). Áp suất P=1 atm (bảng 4.1). Trên thực tế áp dụng ozone trong các nhà máy nước lớn, nồng độ ozone thường là 8-12%.
Bảng 1. Nồng độ ozone tan trong nước theo nhiệt độ (mg/L)
Tỷ số hòa tan hay hệ số Busen S là tỉ số giữa số lượng ozone (mililit) có khả năng tan trong 1 mililit chất lỏng tại một nhiệt độ và áp suất nhất định (không thứ nguyên). Hình 1 và bảng 2 cho biết hệ số Busen S phụ thuộc nhiệt độ nước.
Bảng 2. Tỷ số hòa tan (hệ số Busen) của ozone trong nước theo nhiệt độ nước
Ví dụ: Nếu nhiệt độ nước là 15oC, hệ số S=0,31, nồng độ ozone là CG=18% =18 ´ 14,3=25,4 g/m3, áp suất khí P=1 atm thì nồng độ ozone trong nước là: Cw=Cg ´ S ´ Patm = 257,4 ´ 0,31 ´ 1 =79,794 mgO3/L (kết quả trùng với số liệu trong bảng 4.1: Cw=79,794 mg/L). Độ hòa tan của ozone trong nước CW (mg/L) còn phụ thuộc vào áp suất khí chứa ozone (áp suất trên mặt nước). Ví dụ, tại nhiệt độ T=15oC và nồng độ khí ozone là 6% (trọng lượng) = 6 ´ 14,3 = 85,8 g/m3). Nếu P=1 atm,
Cw= 26,598 mg/L. Nếu P=2 atm, Cw=53,196 mg/L.
Hình 1. Hệ số Bunsen theo nhiệt độ nước
Bảng 3 và hình 2 cho biết nồng độ ozone trong nước (mg/L) phụ thuộc vào áp suất khí chứa ozone trên mặt. Áp suất càng cao, nồng độ ozone trong nước càng cao. Điều đó phụ thuộc vào áp suất máy bơm khí dưỡng và kết cấu khe phản ứng ozone (khe giữa bề mặt tấm điện môi và điện cực, thông thường 0,5-2 mm, nơi tổng hợp ozone). Trên thực tế khí ozone được đưa vào nước dưới dạng các bọt khí. Áp suất ozone trong bọt khí có thể cao, đặc biệt đối với các bọt micro/ nano.
Bảng 3. Độ hòa tan của ozone trong nước (mg/L) phụ thuộc vào áp suất trên mặt nước
Hình 2. Độ hòa tan của ozone trong nước (mg/L, ppm) phụ thuộc vào nồng độ khí ozone (% trọng lượng) và nhiệt độ nước tại áp suất không đổi bằng 1 atm.
Ghi chú: -14 PSIG ~0 Atm, 0 PSIG ~1 atm... (Oxidation Technologies LLC).
Bảng 4. Quan hệ giữa nồng độ ozone của máy phát CG, nhiệt độ nước, độ pH thời gian xử lý và nồng độ bão hòa trong nước Cnước
Ngoài nhiệt độ, áp suất và nồng độ khí ozone từ máy phát, độ hòa tan của ozone trong nước còn phụ thuộc vào độ pH. Độ pH càng thấp, độ hòa tan của ozone trong nước càng cao, thời gian đạt bão hòa ozone trong nước càng ngắn và tỷ số nồng độ ozone trong nước và ozone trong khí đầu ra của máy phát Cnước/ CG càng cao (bảng 4).
Hình 3 là đồ thị cho biết tổng hợp mối quan hệ giữa nồng độ ozone tan trong nước, (CW mg/L, ppm), nồng độ khí ozone từ máy phát ozone (đơn vị g.O3/m3 trọng lượng) và nhiệt độ nước: Nồng độ ozone trong nước càng cao khi nhiệt độ nước càng thấp và khi nồng độ ozone trong máy phát càng cao. Các máy phát công nghiệp dùng khí dưỡng là oxy thường có nồng độ ozone trên 7% (>100 mgO3/m3 oxy), tối ưu trong khoảng 8-12 %.
Hình 3. Quan hệ giữa nồng độ (độ hòa tan) ozone trong nước (mg/L), nhiệt độ nước (oC) và nồng độ ozone từ máy phát ozone (g/m3). Ví dụ: Muốn có nồng độ ozone 40 mg/L (40 ppm) trong nước 15oC, máy phát ozone phải có nồng độ 125 g O3/m3(~9%) (điểm A).
Tại nhiệt độ gần 0oC, nồng độ ozone trong nước có thể đạt tới 100 ppm. Lợi dụng điều đó, người ta có thể làm nước đá ozone hóa: nước cất được ozone hóa để có nồng độ ozone cao (100 ppm) sau đó được đóng băng thành đá ozone. Khi đó đá ozone được dùng như “chất diệt khuẩn”.