臭氧及其在高純水系統中的應用

 

即使在高純度的水系統中，總會擔心系統中微生物的生長。如果這種增長超過系統極限，則產品制造可能會很快停止。在高純度系統中控制細菌的很佳方法之一是使用臭氧作為消毒劑。

 

很有效的方法是將臭氧溶解在儲罐中的高純度水中，然后在將水送入分配回路之前將其除去。這是一種功能強大且快速的消毒劑，但它易于生產，并且在循環(huán)開始時易于去除。根據電化學氧化電位（EOP），臭氧的等級高于過氧化氫，次氯酸鈉和氣態(tài)氯。一些消息來源聲稱，臭氧的速度是氯的2000或3000倍。

 

什么是臭氧？

臭氧是一種氣體。它是氧（O 3）的三原子形式。它是現成的很強大的氧化劑，可用于水處理，但隨著其氧化能力的提高，它具有很高的反應性和穩(wěn)定性。當溶于水時，臭氧的半衰期僅為20分鐘。因此，必須不斷對其進行再生，并且只能在現場使用。當臭氧分解時，它簡單地恢復為無害的O 2。

 

臭氧如何作為消毒劑？

它通過細胞裂解而殺死，導致細胞壁破裂并釋放內毒素，然后進一步被氧化。它以不同程度攻擊所有細菌，病毒，囊腫和孢子。那么控制細菌需要多少臭氧呢？測試表明，在0.008 ppm或更高的臭氧濃度下，不會增長。但是，在大多數應用中，建議罐中殘留0.1至0.2 ppm，以使菌落形成單位保持在1 CFU / 100ml以下。

 

臭氧產生-電暈放電 

有幾種產生臭氧的方法。低濃度可以從在185納米下操作的紫外線獲得。對于水系統更實際的是通過電暈放電產生臭氧。在這種方法中，使空氣或氧氣通過平行金屬板之間或同心不銹鋼管之間的小間隙。板或管之一，通常是內管，覆蓋有電介質（絕緣）材料，可防止高壓在整個空間產生電弧。這導致恒定且受控的放電，也稱為電暈放電。當氧氣通過該電場時，一些氧氣分子分裂成原子并復合形成臭氧。

然后可以通過氣泡擴散器或文丘里噴射器將臭氧氣體溶解在儲水箱的水中。對于大多數制藥系統而言，文丘里噴射器由于其高混合能力而成為首選。文丘里管注入器通常位于側流環(huán)路中，在注入器中，注入器會將大量的臭氧混合到水中。高度臭氧化的水返回到水箱，在其中對剩余的水進行臭氧化。臭氧的產生可以通過改變提供給電暈放電室的功率來控制。為了獲得很佳性能并防止空氣中的有害氣體進入制藥用水系統，應為臭氧發(fā)生器提供氧氣發(fā)生器或某種形式的氧氣存儲裝置中的氧氣。為防止水分使狹窄的電暈放電間隙短路，原料氣中的露點必須保持在-60°C或更低。在大多數情況下，電暈放電發(fā)生器無法正常工作，問題出在原料氣中的水分。

 

原料氣：

臭氧是由氧氣產生的?？諝庵械难鯕夂考s為20％。使用空氣產生臭氧將起作用，并且將通過環(huán)境空氣中的氧氣產生臭氧。但是，如果使用更高濃度的氧氣，則會產生更多的臭氧。許多臭氧發(fā)生器將安裝一個制氧機，以提高進料氣中的氧氣含量并增加臭氧的總體產量。

使用空氣或氧氣進料氣，至關重要的是，這種空氣必須完全清潔和干燥，以消除在臭氧生產過程中產生危險副產物的可能性。

 基于電暈放電臭氧發(fā)生器之間的細微差別，它們被稱為許多東西。諸如“冷等離子體”，“等離子體發(fā)生器”，“冷電暈”之類的名稱已被創(chuàng)造出來。很后，這些都是基本的電暈放電臭氧發(fā)生器的變體。

 

臭氧破壞 

隨著臭氧水從水箱中抽出并泵送至分配回路，在泵抽后，臭氧會破壞臭氧，從而將臭氧去除（圖3）。在相同的流速下，這種紫外線必須具有254 nm的波長，并且是消毒紫外線的3-4倍。臭氧被紫外線破壞后，水會通過臭氧傳感器，以驗證沒有殘留臭氧。然后，高純水通過分配回路分配給用戶。此傳感器通常使用高臭氧報警器，以警告操作員紫外線不能正常工作。

 

循環(huán)消毒

為了控制回路中的微生物生長，定期用臭氧對回路進行消毒。這可以通過關閉破壞臭氧的紫外線并讓水箱中的臭氧水循環(huán)通過回路達到預設的時間（通常為30分鐘到一個小時）來實現。儲罐中的臭氧水平也可以提高到較高水平（0.3- 0.5ppm），以確保在回路消毒過程中殺死微生物。為了驗證消毒的有效性，回路返回時使用了另一個臭氧傳感器。當該傳感器顯示穩(wěn)定讀數時，意味著不再消耗臭氧，可以開始進行消毒了。為了很大程度地發(fā)揮消毒作用，應在消毒過程中短暫打開每個用戶點，以使臭氧化的水流沖洗并消毒閥截止閥下游的那些區(qū)域。

 

系統設計要素

完整的臭氧水存儲和分配系統將包括儲水箱，環(huán)路供水泵，臭氧發(fā)生器，紫外線破壞臭氧層，水箱入口排氣過濾器，水箱出口排氣破壞和3個溶解臭氧監(jiān)測器。除紫外線后和回路返回時的臭氧監(jiān)測器外，還必須有一個臭氧監(jiān)測器對儲水后儲水箱進行采樣，以確定水箱中是否殘留有適當的臭氧。

 

儲罐必須有一個液位傳感器，很好有一個泄壓裝置，例如破裂盤。推薦的選項是將系統冷卻至22°C左右的熱交換器。如果沒有此交換器，則不斷泵送將使水箱中的水變暖，從而促進細菌生長，并使保持臭氧溶解的難度更大。臭氧儲存罐還應在回路回路上安裝浸入管，而不是噴球，因為噴霧作用會導致臭氧從溶液中除去，并向罐頂空間排出氣體。

 

臭氧罐排氣

與任何其他儲水箱一樣，必須允許帶臭氧的水箱隨著水位的變化而進出呼吸。在進風口上，通常使用0.2微米的濾芯。在出口上，可以使用高溫熱臭氧破壞物或催化劑臭氧破壞物。如果有單獨的排氣路徑，則必須使用保護性排氣或止回閥將排氣引導至正確的路徑。止回閥設計的可能的副作用是，基于閥頭壓力的液位傳感器會由于開閥前輕微的壓力累積而看到錯誤的信號。可以通過使用基于非壓力的液位傳感器（如雷達或超聲波）或在儲罐頂部使用補償壓力傳感器來感測頂部空間壓力來避免這種情況。另一種通風口設計是使入口和出口通風口均通過串聯的過濾器和排氣孔銷毀。在簡化配管的同時，這種設計增加了排氣過濾器的臭氧暴露量，要求使用更昂貴的特氟龍材料，或者更頻繁地更換過濾器。

 

臭氧系統材料

臭氧儲水罐，泵和管道必須是與臭氧兼容的材料，通常為316L不銹鋼，很好進行電拋光。實際上，電拋光（EP）不銹鋼比標準的機械拋光表面具有更長的抗起皺性（表面輕微生銹）。電拋光是一種過程，在該過程中，化學藥品和施加在表面上的電流相結合，從表面上去除了微量的金屬，從而產生了比僅使用機械拋光所能達到的光滑的表面效果。EP消除了機械拋光留下的微觀峰谷，降低了表面的腐蝕性電勢并消除了一些可用于腐蝕的表面積。為了完全避免發(fā)生路由問題，系統的某些部分（例如閥門和管道）可以由耐臭氧的塑料制成，通常是PVDF或特氟隆。襯有這些材料之一的儲罐可提供長期的耐臭氧性，而無需維護無胭脂不銹鋼系統所需的定期鈍化處理。除非襯有耐臭氧材料，否則玻璃纖維不可用于臭氧化的儲罐。

 

墊片和O形圈彈性體特別容易受到臭氧降解的影響。經常使用氟橡膠和有機硅，但應根據暴露程度進行檢查。氣態(tài)臭氧（如臭氧注入管線或儲罐頂部空間中的臭氧）比溶解的臭氧更具腐蝕性，并會促使檢查更加頻繁。很好使用特氟龍覆蓋的O形圈和墊片，因為它們可以無限期地防止臭氧降解。此外，基于聚四氟乙烯的橡膠化合物（如Kalrez）具有良好的耐臭氧性，但價格昂貴。

 

臭氧系統安全

臭氧系統中需要特別注意的另一個領域是檢測臭氧管道中的泄漏。這些泄漏在氣態(tài)發(fā)生器（電暈放電或紫外線）上更可能是一個問題，但即使在電解系統上也可能發(fā)生，在電解系統中，罐頂空間中可能有臭氧泄漏。房間中大量的臭氧氣體會對在該地區(qū)工作的員工造成危害。

 

臭氧具有刺鼻的特征性氣味，在臭氧監(jiān)測儀提醒操作人員空氣中的臭氧很久之前，就可以聞到其含量較低的氣味。臭氧會影響上呼吸道，肺和喉嚨，并引起眼睛刺激和頭痛。氣味的閾值為0.02至0.04 ppm。

 

為了警告員工這種危險，應該安裝環(huán)境臭氧監(jiān)測器。監(jiān)控器可感測室內空氣中的臭氧，并在臭氧水平較高時發(fā)出警報。它也可以配置為在臭氧達到不可接受的高水平時關閉臭氧發(fā)生器。對于8小時內的很大暴露極限，OSHA的臭氧暴露極限為0.1 ppm。短期暴露極限為0.3 ppm，一次15分鐘，每天不超過4次暴露，兩次暴露之間的間隔為1小時。

 

結論

臭氧是用于高純水系統的強大而有效的消毒劑?？梢酝ㄟ^適當的系統設計來控制臭氧對材料的侵蝕或人員接觸臭氧氣體的潛在問題。對臭氧發(fā)生和傳感設備進行定期的預防性維護，是擁有無故障臭氧水系統的關鍵。臭氧的主要優(yōu)點是可以隨意產生或銷毀臭氧，使回路消毒變得容易，并且可以及時恢復使用。