TỔNG QUAN VỀ OZONE – CƠ CHẾ LÀM SẠCH VÀ ỨNG DỤNG CỦA OZONE

TỔNG QUAN VỀ OZONE – CƠ CHẾ LÀM SẠCH  VÀ  ỨNG DỤNG CỦA OZONE
 
  1.Ozone là gì
 
 1.1. Tính chất vật lý
 
Là chất khí, không màu, mùi hơi tanh, không bền O3→O2 + O, thời gian phân hủy từ 10 - 30 phút tùy vào pH, nhiệt độ, thành phần môi trường có ozone.
 
Chính nguyên tử oxy này làm nên sự tinh túy của Ozone - tức có tính oxy hóa mạnh mẽ.
 
Sau đó nguyên tử oxy nhanh chóng kết hợp với nhau thành phân tử oxy :
 
O+O→O2
 
Ozone tự nhiên được tạo ra bởi bức xạ tia cực tím mặt trời sóng ngắn, và xuất hiện trong bầu khí quyển (ozonesphere) dưới dạng khí. Ozone cũng có thể được sản xuất tự nhiên bằng cách phóng điện như sét thông qua oxy.
 
Ozone tiêu diệt vi sinh vật bằng một quá trình được gọi là "ly giải tế bào". Trong quá trình oxy hóa, ozone phá vỡ màng tế bào của vi sinh vật và phân tán các tế bào chất của vi khuẩn, do đó vi sinh vật không thể kích hoạt. Quá trình này diễn ra trong khoảng 2 giây.
 
1.2. Cấu tạo

 
Hình 1. Cấu tạo của Ozone
1.3. Tính chất hóa học
 
Ozone là tác nhân oxi hóa cực mạnh (có khả năng xử lý độc tố, màu, mùi,…). Thay thế Clo trong khử trùng diệt khuẩn. Vì thế được thế giới tôn vinh là chất làm sạch lý tưởng, được ứng dụng trên thế giới ở khắp các lĩnh vực từ hàng trăm năm nay.
 
1.4. Tính năng vượt trội của ozone
 
So với các phương pháp khác (tia UV, chlorine… ), việc sử dụng ozone có nhiều lợi điểm hơn:
  • Hiệu quả tiêu diệt virus, vi khuẩn hơn (tác dụng phá vỡ màng tế bào, phá huỷ các enzyme vi sinh vật).
  • Thời gian tiếp xúc ngắn 10 - 30 phút.
  • Phân hủy nhanh (tốc độ phân huỷ gấp 3100 lần so với Clo), không gây ô nhiễm thứ cấp.
  • Sau ozone hóa không có tái phát phát triển vi sinh vật.
  • Loại được vấn đề an toàn liên quan đến vận chuyển mua bán, xử lý, bảo quản hóa chất vì ozone được tạo ra ngay từ không khí xung quanh.
  • Nâng cao nồng độ oxi hòa tan, bỏ qua khâu thông khí.
  • Giảm cường độ màu do oxi hóa tannin, lignins.
  • Loại mùi do axit béo bay hơi, khí H2S, NH3.
  • Loại bỏ bông bùn và chất rắn lơ lửng.
  • Thân thiện với môi truờng.
  1. Cơ chế làm sạch và phương pháp tạo ozone 2.1. Cơ chế làm sạch của ozone
 
Ozone gây ảnh hưởng đến tính thấm, hoạt động enzyme và AND của tế bào vi khuẩn, trong đó những đuôi guanine hay thymine dường như nhạy cảm với Ozone.
Xử lý bằng Ozone cũng dẫn đến việc biến đổi AND plasmide vòng kín thành AND vòng mở.
Đối với polivirus, Ozone gây bất hoạt virus bằng cách phá hủy lõi acid nhân, vỏ protein cũng bị ảnh hưởng.
 
Đối với rotavirus, Ozone thay đổi cả capside và lõi ARN.
 
Do phân tử Ozon là chất có khả năng oxy hóa cực mạnh nên khi phân tử Ozon tương tác với phân tử thuốc trừ sâu hoặc chất độc khác nó bẽ gãy liên kết hóa học và phá vỡ cấu trúc phân tử của chất đó (phân hủy chất độc phenol, tricloroethlene -TCE …).
 
Ozone có khả năng oxy hóa các chất như sắt, mangan, arsenic, S2-, NO2-, …
 
2.2.     Các phương pháp tạo ozone
 
2.2.1. Sự hình thành ozone trong tự nhiên
 
Ozone được biết đến do khả năng hấp thụ bức xạ UV-B. Ozone được tạo thành một cách tự nhiên trong tầng ozone. Sự suy giảm ozone và lỗ thủng ozone diễn ra bởi Cloroflorocacbon (CFC) và các chất gây ô nhiễm khác trong bầu khí quyển.
 
Ozone trong bầu khí quyển Trái Đất nói chung được tạo thành bởi tia cực tím, nó phá vỡ các phân tử O2, tạo thành ôxy nguyên tử. Ôxy nguyên tử sau đó kết hợp với phân tử ôxy chưa bị phá vỡ để tạo thành O3. Trong một số trường hợp ôxy nguyên tử kết hợp với N2 để tạo thành các ôxít nitơ; sau đó nó lại bị phá vỡ bởi ánh sáng nhìn thấy để tái tạo ozone.
Khi tia cực tím chiếu vào ozone, nó chia ozone thành phân tử O2 và nguyên tử của ôxy nguyên tử, quá trình liên tục này được gọi là chu trình ozone-ôxy. Chu trình này có thể bị phá vỡ bởi sự có mặt của các nguyên tử Clo, Flo hay Brôm trong khí quyển; các nguyên tố này tìm thấy trong những hợp chất bền vững, đặc biệt là Cloroflorocacbon (CFC) là chất có thể thấy ở tầng bình lưu và được giải phóng dưới tác động của tia cực tím.
Chu trình ôxít nitơ để tạo thành ozone cũng có thể bị phá vỡ do sự có mặt của hơi nước trong khí quyển vì nó làm biến đổi các ôxít nitơ thành các dạng bền vững hơn.
 
2.2.2. Công nghệ ozone nhân tạo
 
  • Công nghệ ozone dựa vào hiện tượng phóng điện.
 
Dùng ống phóng điện hoa “COLD-CORONA” với ống phóng điện bên ngoài, nghĩa là Anode bên trong là Cathode, ở giữa là lớp cách điện thường bằng thủy tinh. Điện thế sử dụng thường rất cao 7 - 15 KV, tần số thấp hơn 2 KHz. Phương pháp này đơn giản, kinh tế cao, cho Ozone (O3) nồng độ cao đến 120 mg/lít với khi nuôi là oxy. Còn khi khí nuôi là không khí, nồng độ thường dưới 20 mg/lít và luôn kèm theo NxOy (NxOy có thể tăng >1% trong các máy tần số thấp 50 Hz hoặc 100 Hz, điện áp rất cao 20-30 KV) …
 
Để dung hòa các lợi ích, trong các máy ozone công nghiệp về sau thường dùng tần số 800 Hz đến 2 KHz, điện áp không quá 10 KV (Nga) hay 7 KV (Đức) và dùng không khí đã sấy khô (điểm sương -500C ) giảm được NxOy < 0,1%
 
 
 
Hình 2. Phóng điện kiểu đánh sét (shock) hay điện hoa( Corona)
 
 
Ưu nhược điểm của công nghệ:
 
  • Đặc điểm cấu tạo:
 
  • Điện cực cố định, khe hở phóng điện cố định.
 
  • Dòng khí có áp suất và lưu lượng không đổi.
 
  • Nhược điểm:
    • Cồng kềnh, nặng nề.
 
  • Khó chế tạo, lắp giáp và giá thành cao.
 
  • Cần điện áp rất cao, kém an toàn.
 
  • Chủ yếu tạo ra Ozone O3.
 
  • Dễ tạo thành NxOx khi dùng khí nạp là không khí.
 
  • Lượng Ozone kém ổn định.
 
  • Hiệu suất của quá trình tạo ozone là không cao.
  • Công nghệ ozone plasma
 
Plasma được định nghĩa như khí đã được ion hóa một phần hoặc toàn bộ với một số
 
lượng cân bằng về các phần tử mang điện tích dương và âm. Trong plasma, sự phân tách bằng phóng điện cục bộ giữa các ion và các electron tạo ra điện trường, và các dòng phần tử tích điện tạo ra dòng điện cũng như các trường điện từ.


Hình 3. Buồng tạo Ozone Plassma
Ozone plasma (O3P ) là loại Ozone sạch, nồng độ cao vài đến vài chục g/m3 tạo ra từ nguồn ion mật độ cao. Với O3P có thể thực hiện sự oxy hoá sâu AOP nhờ các ion âm hydroxyl HO- (oxy hoá mạnh hơn ozone), phá hủy và đốt cháy hầu hết những vi rút, nang, “cứng đầu” và các hợp chất bền vững, làm sạch triệt để, ưu việt hơn ozone thường (corona) Với cặp điện cực có điện áp < 5 KV nhưng tần số thường cao trên 20 KHz. Điện môi thường bằng Sứ (khi yêu cầu nồng độ Ozone cao, sử dụng khí nuôi là Oxy) hoặc thủy tinh Pyrec cho loại máy rẻ tiền hơn. Plasma nguội được tạo thành bởi điện trường mạnh với hỗn hợp các ion dương, âm mật độ rất cao, kích thích Oxy biến đổi thành khí Ozone (O3) và tập hoạt khí O4, O5, O6, … Ox .
Phương pháp này được sử dụng từ năm 1920, là thế hệ máy ozon cao cấp, tuy đắt nhưng nhỏ gọn, an toàn và bền hơn, cho Ozone nồng độ cao và sạch (NxOy < 0,01 % dù khí nuôi là không khí thường, còn nếu không khí đã được lọc sạch và sấy khô thì hầu như không có NxOy)
 

 
Sơ đồ công nghệ máy tạo Ozone và Ion âm:
 
Hình 4. Sơ đồ công nghệ máy tạo Ozone và Ion âm
 
Ưu nhược điểm của công nghệ:
 
  • Đặc điểm cấu tạo:

  • Điện cực mềm dao động tự lựa. Khe hở phóng điện thay đổi từ 0 đến hiệu số.
  • Dòng khí có áp suất và lưu lượng thay đổi từ cực tiểu đến cực đại.
 
  • Ưu điểm:
 
  • Nhỏ, gọn và nhẹ.
  • Chế tạo đơn giản, dễ lắp ráp thay thế và sửa chữa.
  • Giá thành thấp.
  • Cần điện áp tần, tần số cao.
  • Tạo ra khí Ozone cao hiệu gồm: O3,O,O2,O3L,O4LOH …
  • Lượng NxOy tạo thành là ít khi nạp là không khí.
  • Lượng ozone sinh ra nhiều và ổn định.
  • Hiệu suất của quá trình tạo ozone là rất cao.
  1. Ứng dụng của ozone
 
3.1.   Những ứng dụng tiêu biểu
 
Ozone có tính năng sát khuẩn, tiêu độc, phân hủy thuốc trừ sâu còn tồn dư trong rau
 
quả thực phẩm, giữ cho rau quả luôn tươi xanh, tăng thời hạn bảo quản. Diệt các loại vi khuẩn tả gây bệnh tiêu chảy
 
Ozone có tính năng sát khuẩn, loại bỏ các hóc môn tăng trưởng, chế phẩm công nghiệp còn dư lại trong thực phẩm: Thịt, Cá, Tôm.
 
Ozone sát khuẩn, khử độc, phân giải Ion kim loại nặng, chất hữu cơ làm mất màu, làm cho nước trong hơn và sạch hơn sử dụng để ăn uống.
 
Nước sau khi được được xử lý bằng Ozone có tính sát khuẩn, làm trong, khử mùi, màu. Cho nước tắm tinh khiết hơn an toàn cho các vết trầy xước không bị nhiễm trùng. Được sử dụng cho việc làm nước sinh hoạt thường xuyên trong gia đình.
 
Nước sau khi được được xử lý bằng Ozone do tính chất sát khuẩn, được sử dụng trực tiếp cho việc vệ sinh răng miệng. Nước ngậm ozone sẽ loại bỏ vi khuẩn ở nơi khó lấy nhất, tạo cho răng trắng sáng hơi thở thơm tho sảng khoái hơn.
 
Khả năng diệt khuẩn của Ozone là cao gấp 1,5 lần so với việc sử dụng Clo. Tốc độ khử trùng của Ozone cao gấp 600 lần so với Clo. Ozone làm trắng đồ dùng sinh trong sinh hoạt gia đình.
 
Ứng dụng của ozone trong thực phẩm
 
  • Ozone có khả năng oxi hóa cực mạnh.
 
  • Nhờ tính oxi hóa mà Ozone có thể khử hầu hết các hợp chất mang mùi có trong không khí......
Bảng 3. Các chất ô nhiễm từng gặp trong không khí

Bảng 4: Khả năng khử của Ozone đối với các hợp chất mang mùi

Ozone có khả năng oxy hóa hầu hết các hợp chất hữu cơ mang mùi thành O2, CO2 và nước.
 
O3    +     Hợp chất hữu cơ (Hydrocacbon)             →            CO2     +     H2O     +     O2

 
 
 
Bảng 5: Khả năng oxi hóa hoàn toàn của Ozone đối với các hợp chất hữu cơ

 
  • Có 2 phương pháp sử dụng Ozone trong xử lý khí thải
  • Dùng khí Ozone tác đông trực tiếp lên môi trường bị ô nhiễm.
  • Dùng nước ngậm Ozone để hấp thụ các khí mang mùi theo qui luật trao đổi khí lỏng. Nước ngậm Ozone hấp thụ hợp chất ô nhiễm bằng hòa tan đơn giản hoặc trung hòa bằng phản ứng hóa học.
  • Sử dụng Ozone trong xử lý nước rửa thực phẩm: sục trực tiếp khí Ozone vào nước để xử lý

Bảng 6. Khả năng diệt khuẩn của Ozone trong không khí

Bảng 7. Khả năng diệt khuẩn của Ozone trong nước

  • Nhờ tính năng oxi hóa cực mạnh nên Ozone có khả năng diệt hoàn toàn các vi khuẩn có mặt trong không khí. Vì vậy khi sử dụng Ozone xử lý môi trường không khí ngoài tác dụng khử mùi Ozone còn có tác dụng: 
  • Thanh trùng không khí, diệt khuẩn. 
  • Ngăn ngừa vi khuẩn, nấm mốc tác động lên thực phẩm. 
  • Giúp thực phẩm tươi hơn, kéo dài thời gian bảo quàn.

 
 
 
Bảng 8. Ozone khử thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật
 

*Hiệu suất tính theo %
 
*O3/DOC = 1,0 tương ứng với 1 mg Ozone/ 1 mg thuốc trừ sâu
 


Top