Aplicaciones de ozono
Fundamentos de la solubilidad del ozono
La solubilidad del ozono en un líquido puede expresarse como el punto de saturación del ozono en el agua. La solubilidad del ozono será el factor limitante más importante para lograr que el ozono se disuelva en cualquier líquido. Como el agua es el líquido más común en el que se disuelve el ozono, para los fines de este artículo usaremos únicamente agua como líquido para calcular la saturación de ozono.
La solubilidad del ozono depende de la temperatura del agua, la concentración del gas ozono y la presión del agua. Este artículo ilustrará cómo estos factores alteran la solubilidad del ozono.
Cuando el ozono se disuelve en un líquido se cumple estrechamente la ley de Henry . Por lo tanto, debe determinarse una relación de saturación (volumen de gas disuelto / volumen de líquido). En función de la relación de saturación del ozono, la solubilidad del ozono puede expresarse de la siguiente manera:
CL = CG x S x P
donde:
CL = concentración disuelta en el líquido (mg/l)
CG = concentración del gas (g/m3)
S = coeficiente de Bunsen (relación de solubilidad), dependiente de la temperatura
P = presión del gas (en atmósferas)
Relación de solubilidad del ozono:
La siguiente tabla muestra la relación de solubilidad del ozono, o S, tal como se indica en el cálculo anterior.
La relación de solubilidad del ozono es la proporción entre el volumen de gas ozono y el volumen de líquido que puede disolverse en el agua. Estos valores se derivan de las constantes de la ley de Henry en función de la temperatura del agua. Esta relación se utiliza para determinar la solubilidad potencial del gas ozono en el agua mediante la ecuación de la ley de Henry indicada arriba. A continuación, se utiliza este cálculo en algunos ejemplos de referencia.
Ejemplo práctico de este cálculo:
| CL | = | CG | * | S | * | P |
| 50 mg/l | = | 100 g/m3 | * | 0.5 | * | 1 |
| 33.4 mg/l | = | 85.8 g/m3 | * | 0.39 | * | 1 |
Este cálculo corresponde a la solubilidad del ozono en agua a presión atmosférica (1 atm= 14.7 psia). La solubilidad real es un máximo teórico basado en la saturación de ozono en el agua. Muchos otros factores influyen en los niveles reales de ozono disuelto en el agua. La carga orgánica, el pH, la semivida del ozono, etc., reducirán los niveles reales de ozono disuelto en el agua. Estos cálculos ayudan a determinar qué es posible y qué no con el equipo de ozono actual, además de comprender los factores que influyen en la disolución del ozono en el agua.
Efecto de la temperatura y la concentración de ozono en la solubilidad del ozono:
La siguiente tabla muestra la solubilidad del ozono en el agua en función de la temperatura del agua y de la concentración de ozono (indicada en % por peso). Estos son los valores más utilizados en la industria y sirven como una referencia práctica.
% por peso supone ozono producido a partir de oxígeno. 14.3 g/m3 = 1%.
Estos datos también se muestran en el siguiente gráfico como referencia visual.
Este gráfico muestra la gran influencia que tienen la temperatura y la concentración de ozono en la solubilidad del ozono en el agua. Muestra que un pequeño cambio en la temperatura del agua puede producir una gran diferencia en la cantidad potencial de ozono disuelto en el agua. Asimismo, los cambios en la concentración de ozono (de aire seco a oxígeno) alterarán considerablemente la solubilidad del ozono.
Aunque en muchos sistemas no podemos controlar la temperatura, sí podemos controlar la concentración de ozono. Aumentar la concentración de ozono del 3 al 9% puede compensar una gran diferencia de temperatura.
Efecto de la presión en la solubilidad del ozono:
La siguiente tabla muestra cómo influye la presión en la solubilidad del ozono. Concentración de ozono de 6% por peso y temperatura del agua de 15 grados C. Se calcularon las diferencias en la solubilidad del ozono en función de la presión del agua.
La presión del agua se introduce en el cálculo de solubilidad como P. La presión del agua se calcula como presión atmosférica. 0 psig = 1 atmósfera = 14.7 psia. A medida que aumenta la presión del agua, aumenta la solubilidad del ozono. La tabla anterior y el gráfico siguiente muestran un ejemplo de este cálculo para una concentración de ozono de 6% por peso (85.8 g/m3) y una temperatura del agua de 15 grados C. Estos son valores bastante habituales en muchas aplicaciones de ozono.
El siguiente gráfico muestra los datos de la tabla anterior.
Es evidente que la presión influye mucho en la solubilidad del ozono en el agua. Mayor presión del agua = mayor solubilidad del ozono = mayor transferencia de masa del ozono al agua. Sin embargo, también hay que tener en cuenta cómo puede afectar la presión del agua a la transferencia del gas por efecto de cizallamiento y a la descomposición más rápida del gas ozono.
Resumen:
-Mayor concentración de ozono = mayores niveles de ozono disuelto en el agua
-Menor temperatura del agua = mayores niveles de ozono disuelto en el agua
-Mayor presión del agua = mayores niveles de ozono disuelto en el agua
Aplique esta información a su aplicación:
El ozono se transfiere al agua mediante 2 métodos principales. Difusores de burbujas e inyectores Venturi. Ambos métodos tienen el mismo objetivo: disolver el ozono en el agua. Con la información que hemos revisado, podemos aplicarla para lograr la mejor transferencia de masa posible del ozono al agua. Analizaremos cada método, junto con las diferencias entre generadores de ozono.
Generadores de ozono:
En el centro de todo sistema de ozono se encuentra un generador de ozono. La información presentada demuestra que la concentración de ozono influye considerablemente en la solubilidad del ozono y, por lo tanto, en la transferencia de masa del ozono al agua. El tipo de generador de ozono que elija tendrá un papel importante en la transferencia de masa del ozono al agua. Solo se analizarán los generadores de ozono por descarga de corona, ya que los generadores UV no son adecuados para disolver ozono en el agua, y los generadores electrolíticos ya realizaron esta tarea.
El ozono se puede producir a partir de aire seco u oxígeno. Como los generadores de ozono alimentados con aire utilizan únicamente el oxígeno del aire ambiente (~20%), la concentración de ozono resultante es mucho menor. Por lo tanto, un generador de ozono alimentado con oxígeno SIEMPRE tendrá una transferencia de masa del ozono al agua mejor que uno alimentado con aire seco. La mayoría de los generadores de ozono de aire seco producen ozono a 1.5 - 3% por peso. En cambio, la mayoría de los generadores de ozono alimentados con oxígeno producen ozono a 4.5 - 10% por peso.
Además, el oxígeno es más soluble en el agua que el aire. Por lo tanto, el propio gas portador del ozono también se disolverá en el agua con mayor eficiencia.
Los generadores de ozono se refrigeran por aire o por agua para eliminar el calor producido durante la producción de ozono. Los generadores de ozono refrigerados por agua suelen enfriar la celda con mayor eficiencia y producir ozono en concentraciones más altas. Además, el agua de refrigeración (o la temperatura del aire ambiente) afectará las concentraciones de ozono. Las temperaturas más bajas producirán concentraciones de ozono más altas y una mayor solubilidad del ozono.
La producción de ozono (g/hr) no es el único valor en el que basar la elección del generador de ozono. Si su objetivo es crear 10 mg/l de ozono en el agua, pero su generador de ozono solo produce ozono a 1% por peso, puede producir tanto ozono en g/hr como desee, pero nunca alcanzará su objetivo. La concentración de ozono es igual de importante y, en algunas aplicaciones, más importante que la producción total de ozono en g/hr.
Temperatura del agua:
En la mayoría de las aplicaciones, no podemos controlar la temperatura del agua. Simplemente debemos tener en cuenta este valor y planificar en consecuencia. En aplicaciones con temperaturas más altas, se utilizan generadores de ozono con la mayor concentración de ozono disponible para superar este problema. Tenga cuidado al aumentar la presión del agua, ya que el aumento de presión también puede elevar la temperatura.
En aplicaciones pequeñas, puede ser conveniente colocar el material de vidrio de laboratorio sobre hielo o en un entorno más frío. Siempre que sea posible, utilice el agua a la temperatura más baja posible. En aplicaciones de proceso, al elegir dónde disolver el ozono en el agua, busque la etapa del proceso en la que la temperatura del agua sea más baja.
Presión del agua:
Los datos anteriores muestran que aumentar la presión del agua de 5 PSIG a 25 PSIG duplica la solubilidad del ozono. En algunas aplicaciones, un pequeño aumento de la presión del agua puede marcar una gran diferencia en la transferencia de masa del ozono al agua.
También es importante recordar que, cuando la presión del agua disminuye, también disminuye la solubilidad del ozono. Por lo tanto, cuando se disuelven altas concentraciones de ozono en el agua y esta se libera a la atmósfera con una lanza de pulverización o por el extremo de una manguera, puede producirse una desgasificación de ozono. Esto podría representar un riesgo de seguridad que se puede evitar ajustando otras variables o eliminando una caída brusca de la presión del agua.
Difusores de burbujas:
El ozono se puede introducir en el agua en forma de burbujas, o en otro líquido, en sistemas tan pequeños como un vaso de laboratorio o tan grandes como un tanque de contacto de una planta municipal de tratamiento de agua. Los difusores de burbujas pueden proporcionar, y proporcionan, una transferencia de masa de ozono suficiente al líquido si se instalan correctamente.
Las burbujas más pequeñas tienen una mayor superficie por volumen y, por lo tanto, aumentan la transferencia de masa al agua. Utilice el difusor con el poro más pequeño disponible.
La altura del recipiente proporciona una ventaja doble. Los recipientes más altos generan una mayor presión del agua en el fondo del recipiente, donde normalmente se coloca el difusor. Una mayor presión del agua equivale a una mayor solubilidad del ozono. Además, los recipientes más altos aumentan el tiempo que la burbuja permanece en el agua y el tiempo disponible para que el ozono se transfiera al agua. Con una altura suficiente y las demás variables necesarias, los difusores de burbujas pueden lograr una transferencia de masa del ozono al agua equivalente a la de cualquier otro sistema.
Obtenga más información sobre los difusores de burbujas AQUÍ.
Inyector Venturi:
Al utilizar inyectores Venturi, una diferencia de presión a través del Venturi genera un vacío que aspira el gas ozono al agua y lo mezcla eficazmente con ella. Los inyectores Venturi pueden utilizarse en tuberías y sistemas presurizados para aprovechar también el efecto de la presión y aumentar la solubilidad del ozono.
Los inyectores Venturi permiten contar con sistemas cerrados y confinados que eliminan la desgasificación de ozono del agua durante el proceso de mezcla.
Obtenga más información sobre los inyectores Venturi AQUÍ.
Mezclador estático:
Los mezcladores estáticos pueden disolver el gas ozono directamente en agua corriente presurizada dentro de una tubería. El gas ozono puede introducirse en el agua mediante una simple T, con un mezclador estático instalado aguas abajo para mezclar y disolver las burbujas de gas ozono en el agua.
La presión del agua en la tubería aumenta la solubilidad del ozono, lo que permite que un mezclador estático, si se instala correctamente, sea muy eficaz para disolver ozono en el agua.
Obtenga más información sobre los mezcladores estáticos AQUÍ.
Enlaces con información adicional:
Guía de compra de generadores de ozono
Preguntas frecuentes sobre el ozono
Dosis de ozono frente a ozono disuelto
Disolver ozono en agua con un difusor de burbujas
Disolver ozono en agua con un inyector Venturi
Disolver ozono en agua con un mezclador estático
Comparación de inyectores Venturi y difusores de burbujas