Как получают кислород в промышленности: основные методы и особенности оборудования
Как получают кислород в промышленности: основные методы и особенности оборудования | «Оксимат»Главная Применение Остальные отрасли, где требуется инертный газ Как получают кислород в промышленности
В атмосферном воздухе кислород занимает 21%. Большая часть его находится в земной коре, пресной воде и живых микроорганизмах. Он применяется во многих сферах промышленности и задействуется для хозяйственных и медицинских потребностей. Востребованность вещества обусловлена химическими и физическими особенностями.
Как добывают кислород в промышленности. 3 метода
Производство кислорода в промышленности осуществляется за счет деления атмосферного воздуха. Для этого задействуются следующие методы:
- Мембранный. Основывается на проницаемости мембран в хаотичном порядке. Его суть сводится к разной скорости проникновения газов через мембрану, выполненную из полимерных материалов при смене парциального давления.
Чистая воздушная масса, которая предварительно сжимается, направляется в мембрану. Газы быстрого типа просачиваются через мембрану в область с невысоким рабочим давлением и в зоне выхода впитывают компонент, отличающийся легкостью проникновения. Остальное количество воздуха обогащается медленным газом и удаляется с агрегата. Преимущества такого метода заключается в экономии электроэнергии и незатратной эксплуатации мембранных установок. С его помощью получаемый кислород отличается чистотой в пределах 45%. - Адсорбционный. Базируется на зависимости поглощения элемента газовой смеси от парциального давления и температурного режима. Процесс поглощения осуществляется за счет предусмотренных молекулярных сит с применением периодической адсорбции. Его регулировка происходит благодаря смене давления и температуры. Зависимость свойств адсорбента от поглотительных способностей элемента газа является пропорциональной давлению. Данный метод, который объясняет, как получают кислород в промышленности, характеризуется незначительными затратами на электрическую энергию и эксплуатацию агрегатов.
Чистая воздушная масса, которая предварительно сжимается, направляется в мембрану. Газы быстрого типа просачиваются через мембрану в область с невысоким рабочим давлением и в зоне выхода впитывают компонент, отличающийся легкостью проникновения. Остальное количество воздуха обогащается медленным газом и удаляется с агрегата. Преимущества такого метода заключается в экономии электроэнергии и незатратной эксплуатации мембранных установок. С его помощью получаемый кислород отличается чистотой в пределах 45%.
- Криогенный. Дает возможность получать кислород, чистота которого достигает 99,7%. Благодаря температурной разнице кипения кислорода и азота позволяет добиваться разделения сжатой воздушной массы на элементы в колоннах ректификационного типа. Чтобы воздух трансформировался в жидкое состояние, его температура должна опуститься к отметке -196 °C. Процедура охлаждения осуществляется в специальных машинах (детандерах). Отличительная особенность такого оборудования — расширение воздушной массы наблюдается как на лопатках рабочего колеса, так и в сопловом устройстве. Движение газа происходит против центробежных сил. Криогенные кислородные установки вырабатывают холод с применением воздуха, находящегося в сжатом состоянии до нескольких атмосфер. Вращение ротора генератора выполняется за счет энергии.
Производство кислорода в промышленных масштабах несет в себе высокую значимость.
Технические особенности оборудования для получения кислорода в промышленности
Наладить процесс получения кислорода в газообразном состоянии помогают генераторы промышленного типа «ОКСИМАТ». Их технические характеристики и конструктивные особенности направлены на получение данного вещества в промышленности необходимой чистоты и требуемом количестве на протяжении суток (без перерыва). Следует учесть, что работать оборудование может в любом режиме как с остановками, так и без них. Агрегат функционирует под давлением. На входе должен быть осушенный воздух в сжатом состоянии очищенный от влаги. Предусматриваются модели малой, средней и большой производительности.
Читайте также
Как получить азот в промышленности: производство
Принцип работы осушителя холодильного типа
Как работает генератор кислорода
Как получают водород в промышленности?
У вас остались вопросы?
Оставьте заявку на бесплатную консультацию у наших менеджеров!
Нажимая кнопку, Вы даете согласие на обработку персональных данных.
География поставок
АО «Тамбовский завод «Октябрь» г. Тамбов
Концентрация газа, %: 99,996
Производительность по азоту, Нм3/час: 81
Точка росы азота: — 70
Подробнее
Новости
19 сентября 2019
Участие в 18-й международной специализированной выставке «International Specialized Exhibition»
09 января 2019
Азотная станция для производства лакокрасочной продукции
29 декабря 2018
С наступающим Новым Годом и Рождеством!
22 ноября 2018
Поставлена станция по производству Биогона
01 ноября 2018
Участие в 17-й международной специализированной выставке «International Specialized Exhibition»
29 октября 2018
Приглашаем на выставку Криоген-Экспо.
Промышленные газы — 2018
04 октября 2018
Участие в 12-й международной специализированной выставке «ТЕРМООБРАБОТКА»
02 октября 2018
Участие в выставке «Термообработка»
04 июля 2018
10 апреля 2018
Металлурги выбирают «Оксимат»
Удар для любителей нефти: два шага к новой энергетике
- Технологии
- Алексей Алексенко Автор
Сразу две исследовательские группы объявили о серьезных успехах на пути к искусственному фотосинтезу — процессу, при котором вода расщепляется солнечным светом с образованием водорода и кислорода.
Водород и кислород при этом образуют эффективное и экологически чистое топливо: при их реакции образуется опять же вода. Немецкие исследователи разработали эффективный катализатор, обеспечивающий разложение воды. Тем временем ученые из британского Кембриджа предложили систему полуискусственного фотосинтеза с использованием отдельных элементов живых организмов.
Почти вся энергия, используемая человечеством, поступает к нам от Солнца (исключение — энергия распада урана, которая идет от другого источника — давно потухших звезд). Именно энергия Солнца заключена во всех видах ископаемого топлива: ее запасли для нас живые организмы прежних эпох.
Живая природа выработала исключительно эффективный способ использовать энергию Солнца — фотосинтез. Прилетевший от Солнца фотон растения и цианобактерии используют, чтобы разбить молекулу воды на кислород и водород. Кислород они тут же выбрасывают, а водород в конечном счете используют для того, чтобы обвешать им молекулу углекислого газа, превратив ее в органику.
Синтез органики из углекислого газа, воды и солнечного света — процесс, который удается растениям так хорошо, что людям нет никакого смысла его копировать: достаточно просто посадить побольше лесов. Однако инженеров очень привлекает другая возможность: если не доводить природный процесс до конца, а остановить его на стадии расщепления воды, можно запасать солнечную энергию в виде водорода и кислорода. Водород и кислород по отдельности выделяют многие микроорганизмы, но вот объединить эти процессы для обеспечения собственной энергетики живая природа не додумалась (она нашла для этого более изысканные и безопасные химические реакции). Между тем такой технологический процесс мог бы многократно покрыть все сегодняшние энергетические потребности человечества.
Йохен Фельдман и Яцек Столарчик из Мюнхена, а также Франк Вюртнер из Вюрцбурга решили важнейшую проблему: как эффективно разделить воду на водород и кислород и не дать им соединиться обратно.
Зачем нам использовать наработки древних растений, если мы сами научимся делать то же, что и они, — только лучше?
Эту проблему и решили исследователи. В их системе две половинки реакции протекают на одной наночастице, хоть и разнесены в пространстве. Наночастицы представляют собой стержни из полупроводника, сульфата кадмия. На концы стержней нанесены частицы платины, которая служит акцептором для возбужденных электронов.
Там и происходит реакция восстановления водорода. Тем временем на боковые поверхности стержней нанесен разработанный исследователями катализатор на основе рутения: он обеспечивает исключительно быструю доставку «дырок» к ионам кислорода. Скорость особенно важна, поскольку «дырки» химически активны и быстро разрушают катализатор. В итоге две части реакции катализируются одним типом наночастиц, и происходит полное расщепление воды на кислород и водород в одну стадию.
Ученые из Кембриджа придерживались другого подхода: они объединили в одном дизайне инженерные технологии человека и компоненты природных живых систем. Получившийся в результате процесс преподнес исследователям сюрприз: он позволил использовать энергию солнечного света даже более эффективно, чем это делает природный фотосинтез в растениях.
Преимущества полуискусственного фотосинтеза в том, что для него не нужны дорогие и токсичные катализаторы, ограничивающие возможности полностью искусственных систем, вроде описанной выше.
С другой стороны, полуискусственные процессы, возможно, вскоре удастся масштабировать до промышленного уровня.
Авторы использовали молекулярное оборудование природной фотосистемы II, добавив к нему фермент гидрогеназу из водорослей, восстанавливающий протоны до водорода. В природном фотосинтезе ничего подобного не происходит, так как выделяющиеся при расщеплении воды протоны сразу же вовлекаются в другие биохимические процессы. Однако исследователям удалось совместить две биологические реакции, в обычных условиях разобщенные: работу фермента гидрогеназы и расщепление воды фотосистемой II. Оба «живых» компонента фиксировали на фотоаноде, покрытом особым красителем. В результате природный процесс был оптимизирован: вместо кислорода и восстановленной из СО2 органики модифицированный фотосинтез стал давать просто кислород и водород — два вещества, на которых, возможно, будет базироваться «зеленая» энергетика будущего.
Появление на протяжении одной недели сразу двух научных работ, с разных сторон атакующих проблему искусственного фотосинтеза, свидетельствует, что этой технологии, возможно, нам не так уж долго ждать.
О том, как это достижение изменит все без исключения промышленные технологии, пока можно только догадываться, но оно несомненно будет означать конец эры ископаемого топлива. Зачем нам использовать наработки древних растений, если мы сами научимся делать то же, что и они, — только лучше?
Алексей Алексенко
Автор
#альтернативная энергетика
Рассылка Forbes
Самое важное о финансах, инвестициях, бизнесе и технологиях
Электролиз воды для получения кислорода в системе «электрон-вм» на международной космической станции
Главная » Литература » Тезисы » Электролиз воды для получения кислорода в системе «электрон-вм» на международной космической станции
Автор: Прошкин В.Ю., Курмазенко Э.А.
Редактор HTML кодаПеренос строк
АО «НИИхиммаш», г. Москва
С 2000 г. на Международной космической станции (МКС) работает российская система генерации кислорода (СГК) «Электрон-ВМ» [1].
СГК получает кислород для дыхания экипажа (максимум на 6 человек) путем электролиза воды с циркуляцией щелочного электролита (раствор КОН концентрацией 25 % по массе) через катодные и анодные камеры электролизера, с дальнейшим разделением газожидкостной смеси (ГЖС) в статических разделителях на пористых диафрагмах и каталитической очисткой кислорода. Технологический блок (ТБ) СГК реализует все процессы. В ТБ »3 литра электролита. Масса ТБ 160 кг из 164 кг всей СГК. На МКС наибольшая наработка (без учета стоянок) ТБ составляет 1265 суток до отказа в 2006-11 гг. и 1148 суток без отказа с 2011 г. по настоящее время (31.08.2016 г.), при общем времени эксплуатации этих ТБ (с момента заправки электролитом при изготовлении) 5,5 и 8,5 лет. ТБ при штатном токе питания электролизера 10-64 А производит 25-160 л/час О2 и 50-320 л/час Н2 (здесь и ниже объемы даны для нормальных условий). Техническое обслуживание СГК не проводится, кроме включения ТБ на 5 часов через каждые 6 месяцев при хранении.
Электролизер в составе ТБ — конструкция фильтр-прессного типа, состоит из 12 электролизных ячеек при биполярной схеме включения. Диаметр электролизера 282 мм, высота 121 мм, вес 26 кг. На Земле электролизер имел длительные испытания на токе питания 80 А, а в нештатной ситуации (на испытаниях после изготовления) 2 часа работал на токе питания »130 А, с последующей наработкой 456 суток на МКС без ухудшения характеристик. На Земле наибольшее время эксплуатации электролизеров в составе ТБ на сегодня достигло 14 и 11 лет, с наработкой 640 и 841 сутки с полным сохранением работоспособности и без проведения технического обслуживания.
В электролизной ячейке между двумя токоподводами из листа никеля находятся водородная камера с катодом и кислородная камера с анодом, каждая в виде пакета из трех сеток диаметром 198 мм (т.е. штатная плотность тока 0,03-0,21 А/см2). Камеры разделены диафрагмой из пористого картона асбестового толщиной 0,5 мм. В пакете со стороны токоподвода крупноячеистая сетка (сталь 12Х18Н10Т, покрытая никелем) образует полость камеры.
В пакете со стороны диафрагмы две мелкоячеистые сетки из никеля образуют электрод, при этом на одну сетку, которая примыкает к диафрагме, электрохимическим методом дополнительно нанесен слой никеля так, что образуется пористая структура на поверхности. Далее, на пакет из трех сеток электрохимическим методом (с сохранением пористой структуры) наносят комбинированный катализатор из Pt (87 % по массе) и Pd (13 %), одинаковый для катода и анода. Масса катализатора 1,9 ± 0,4 г. Все детали конструкции (сетки, токоподводы, диафрагма) плотно прижаты друг к другу, без свободного пространства между ними. Герметичность обеспечивается торцевыми прокладками из резины. Для подачи электролита и отвода ГЖС ячейки параллельно соединены коллекторами, расположенными в прокладках и токоподводах. Течение потоков в Н2 и О2 камерах ячейки перекрестное относительно друг друга.
В электролизере: температура 18-32 °С (данные эксплуатации), абсолютное давление »150 кПа с перепадом между катодной и анодной камерами менее 2 кПа, отвод выделяющегося при электролизе тепла идет за счет циркуляции электролита.
За весь срок работы СГК на МКС, напряжение на электролизной ячейке (1/12 от измеряемого на борту напряжения электролизера) было 1,58-1,85 В (среднее 1,70 В при среднем токе 28 А; т.е. среднее удельное энергопотребление 8,14 Вт-час/л О2 при теоретическом минимуме, без потерь, для электролиза жидкой воды 7,08 Вт-час/л О2 ). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) электролизной ячейки – прямая (точнее, чем логарифм, аппроксимирует данные), с температурным коэффициентом 0,006 В/°С:
Uя = 1,557 + 1,323*i – 0,006*(Тэл – 25).
Где: Uя — напряжение на ячейке, В; i — плотность тока, А/см2; Тэл — температура процесса электролиза, °С (для ВАХ за исходную взята температура +25 °С).
При наземных испытаниях электролизера (измеряется напряжение каждой из 12 ячеек) при максимальном штатном токе электролиза 64 А разброс в напряжении между ячейками электролизера максимум 0,08 В (для большинства ячеек не более 0,04 В).
Взаимное содержание электролизных газов определяется их диффузией через межполостную диафрагму в электролизере.
Диффузный поток Н2 в О2 в электролизере »0,20 л/час, т.е. объемное содержание Н2 в О2 (до его очистки) падает с ростом тока электролиза. После каталитической очистки О2 объемное содержание Н2 »0,08 % [2]. Объемное содержание О2 в Н2 по всем существующим замерам составляет 0,01-0,05 %.
При эксплуатации СГК «Электрон-ВМ» на МКС и при ее ресурсных испытаниях на Земле ухудшения характеристик электролизера (рост напряжения, рост взаимного содержания О2 и Н2 ) при выработке его ресурса не обнаружено. Величина напряжения на электролизере возвращается на прежний уровень после устранения нештатных ситуаций (отсутствие подачи электролита, загрязнение электролита и др.). Щелевая коррозия в электролизере конструктивно подавлена в максимальной степени. На борту МКС не было никаких отказов СГК из-за электролизера в составе ТБ. Ресурс работы для электролизера не выявлен, и оценивается не менее 7 лет наработки.
На модельной электролизной ячейке (полностью идентичной ячейке штатного электролизера СГК) при исследованиях технологии нанесения катализатора получена обобщенная ВАХ для плотностей тока 0,05-1,04 А/см2 и температур процесса 18-32 °С, которая аппроксимируется многочленом 3-й степени (расхождения менее 0,01 В):
Uя = 1,5388 + 0,2992*i 3 – 0,7521*i 2 + 1,2707*i – 0,006*(Тэл – 25).
Эта ВАХ получена по 23 отдельным ВАХ для 9 модельных ячеек. Суммарное время наработки всех ячеек — 122 суток. Максимальный разброс напряжений отдельных ВАХ друг от друга: от 0,08 В для плотности тока 0,05 А/см2 до 0,22 В для 1,04 А/см2.
Главное направление развития электрохимии СГК «Электрон-ВМ»: определить предел ресурса электролизера и исследовать его характеристики при изменении в ходе длительной работы химического состава электролита. Это связано с использованием на борту МКС (в ближайшей перспективе) для СГК воды из систем переработки мочи и углекислого газа, в которой будет повышенное содержание микропримесей.
Другие направления: снизить удельное энергопотребление за счет развития катализатора на электродах и роста температуры электролиза (ввести рекуперацию тепла) и, если будет поставлена задача, повысить производительность по кислороду до 320 л/час.
Литература
1. Прошкин В.Ю., Курмазенко Э.А. Система генерации кислорода «Электрон-ВМ» на борту Международной космической станции. // Пилотируемые полеты в космос. 2013. № 3 (8). С. 84-99.
2. Прошкин В.Ю., Курмазенко Э.А. Российская система генерации кислорода «Электрон-ВМ»: содержание водорода в электролизном кислороде для дыхания экипажа Международной космической станции. // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2014. Т. 48. № 1. С. 65-68.
АО «НИИхиммаш», г. Москва
ОбновитьОтменить
Растворенный кислород
Узнайте, сколько кислорода нужно живым существам залива, чтобы выжить, и что происходит, когда образуются области с низким содержанием кислорода.
vimeo.com/video/15851381?h=b669abe48a&app_id=122963″ frameborder=»0″ allow=»autoplay; fullscreen; picture-in-picture» allowfullscreen=»» title=»Bay 101: Dissolved Oxygen»> Растворенный кислород (DO) – это количество кислорода, присутствующего в воде. Измеряется в миллиграммах на литр (мг/л) — количество миллиграммов кислорода, растворенного в литре воды.
Почему важен растворенный кислород?
Как и люди, все живые существа Чесапикского залива — от рыб и крабов, которые плавают в его водах, до червей, которые зарываются в илистое дно — нуждаются в кислороде, чтобы выжить.
Люди используют легкие для вдыхания кислорода из воздуха. Но черви, рыбы, крабы и другие подводные животные используют жабры для получения кислорода из воды. Когда вода проходит через жабры животного, кислород удаляется и попадает в кровь.
Жабры работают лучше, когда в окружающей воде больше кислорода. По мере снижения уровня растворенного кислорода животным становится все труднее получать кислород, необходимый им для выживания.
Сколько растворенного кислорода нужно животным?
Ученые в целом согласны с тем, что животным залива для жизни и процветания требуется концентрация растворенного кислорода 5,0 мг/л или выше. Однако количество кислорода, необходимого животному, варьируется в зависимости от того, насколько большое или сложное животное и где оно живет.
- Черви и моллюски, обитающие на илистом дне залива, где содержание кислорода естественно низкое, нуждаются в концентрации растворенного кислорода не менее 1 мг/л.
- Рыба, крабы и устрицы, живущие или кормящиеся на дне, нуждаются в концентрации растворенного кислорода 3 мг/л или выше.
- Нерестящимся мигрирующим рыбам, их икре и личинкам требуется до 6 мг/л на этих чувствительных стадиях жизни.
Чтобы увидеть уровни растворенного кислорода в Чесапикском заливе, посетите сайт Eyes on the Bay (для вод Мэриленда) или Систему наблюдения за устьем и побережьем Вирджинии (для вод Вирджинии).
Как кислород попадает в воду?
Кислород может попасть в воду несколькими путями:
- Кислород из атмосферы растворяется и смешивается с поверхностью воды.
- Водоросли и подводные травы выделяют кислород в процессе фотосинтеза.
- Вода поступает в залив из ручьев, рек и океана. В океанских водах обычно больше кислорода. Речные воды быстро движутся, что способствует смешиванию кислорода из воздуха.
Как формируются области с низким содержанием кислорода?
Гипоксические или низкокислородные районы — это регионы с содержанием растворенного кислорода менее 2 мг/л. Бескислородные или бескислородные области — это области с содержанием растворенного кислорода менее 0,2 мг/л. Эти области часто называют «мертвыми зонами», потому что большинство животных не могут там выжить. Области залива с низким уровнем растворенного кислорода являются результатом сложного взаимодействия нескольких природных и антропогенных факторов, включая температуру, загрязнение биогенными веществами, водные потоки и форму дна залива.
Высокие температуры
Температура ограничивает количество кислорода, которое может растворяться в воде: зимой вода может удерживать больше кислорода, чем в жаркие летние месяцы.
Однако даже при самых высоких температурах залива (около 91 градуса по Фаренгейту) концентрация растворенного кислорода в воде может составлять от 6 до 7 мг/л. Таким образом, хотя высокие температуры могут влиять на уровень растворенного кислорода, температура — не единственная причина появления областей с низким содержанием кислорода в заливе каждое лето.
Загрязнение питательными веществами
Избыток питательных веществ в воде (известный как эвтрофикация) может способствовать росту цветения водорослей. Устрицы, менхадены и другие фильтраторы съедают часть избыточных водорослей, но большая их часть в конечном итоге не потребляется. Оставшиеся водоросли умирают и опускаются на дно залива, где разлагаются бактериями. Во время этого процесса бактерии потребляют кислород до тех пор, пока в этих придонных водах не останется его мало или совсем не останется.
Поток воды
Разделение воды, поступающей из океана и из пресноводных рек и ручьев залива, также может влиять на уровень растворенного кислорода.
Вода, вытекающая из океана, обычно более соленая и прохладная, а речная вода пресная и более теплая. Из-за этих различий речная вода весит меньше, чем океанская вода, и плавает поверх нее, хотя ветер и другие сильные перемешивающие силы могут изменить эту картину.
Граница, где слой пресной воды встречается с нижележащим слоем соленой воды, называется пикноклином. Пикноклин действует как физический барьер, препятствующий смешиванию двух слоев. Летом, когда бактерии, потребляющие водоросли, наиболее активны, пикноклин отделяет бедные кислородом придонные воды от богатых кислородом поверхностных вод. Это может создать большие области с низким или нулевым содержанием кислорода на дне залива.
Форма дна залива
Дно залива не плоское, а имеет разные участки мелководья и глубины. В некоторых чашеобразных участках на дне залива пикноклин может действовать как «крышка», отсекающая придонные воды от поступления кислорода. Это явление часто происходит каждое лето в:
- Середина основного ствола залива, от моста через залив на юг до устья реки Потомак,
- Нижняя часть рек Честер, Потомак и Раппаханнок и
- Нижняя часть Восточного залива, недалеко от острова Кент.
Как измерить и увеличить содержание растворенного кислорода во всех применениях с водой
Растворенный кислород в воде кажется неинтуитивным. Мы не можем дышать под водой, откуда там может быть кислород? Хотя люди не могут выжить под водой, водная жизнь сильно зависит от небольшого уровня растворенного кислорода в воде.
Это явление можно наблюдать, просто поставив стакан с водой на стол и оставив его на несколько часов. Со временем кислород будет накапливаться и образовывать видимые пузырьки в воде, которые всегда были там в первую очередь, но становятся более равномерными (и невидимыми невооруженным глазом) по мере того, как вода смешивается и поглощает больше воды из воздуха.
Для фона количество растворенного кислорода в воде обычно измеряется в миллиграммах на литр (мг/л) или частях на миллион (ppm). Это значение можно преобразовать в проценты, разделив на 10 000. Однако процентное содержание обычно довольно низкое, поэтому предпочтительнее использовать мг/л или промилле.
Важность растворенного кислорода в воде
Как сказано выше, водная жизнь в значительной степени зависит от достаточного количества кислорода, чтобы выжить, как и вы и я. Если уровень растворенного кислорода упадет слишком низко, это может привести к большой потере популяции рыб и растений. Таким образом, измерения растворенного кислорода могут дать хорошее представление о качестве воды, особенно в сочетании с измерениями pH, температуры и другими датчиками.
Согласно эмпирическому правилу, согласно данным Агентства по охране окружающей среды (EPA), уровни растворенного кислорода, приближающиеся к 3 мг/л, находятся в опасной зоне для поддержания обычной водной жизни, а уровни ниже 1 мг/л не могут поддерживать никакую водную жизнь .
Уровни растворенного кислорода различаются для каждого организма, но уровни около 8-9 мг/л будут поддерживать всю жизнь (рыбы или растения) и приближаются к уровню насыщения кислородом воды (о котором мы поговорим позже). Этот высокий уровень растворенного кислорода следует тщательно контролировать в гидропонных установках, так как большие изменения могут иметь пагубные последствия для растений.
Поэтому надлежащий мониторинг уровня растворенного кислорода чрезвычайно важен для предотвращения гибели людей. Независимо от того, рассматриваете ли вы гидропонику, аквариум или экологические работы, вам понадобится точный и надежный датчик растворенного кислорода. Этот конкретный набор от Atlas Scientific предоставит вам все необходимое для начала измерения и мониторинга растворенного кислорода.
Почему вы хотите увеличить количество растворенного кислорода в воде?
Поскольку теперь мы знаем о важности растворенного кислорода для водной жизни, если его уровень упадет слишком низко, вам следует увеличить этот уровень и предотвратить гибель людей.
Вода обладает свойством, называемым точкой насыщения кислородом, или точкой, при которой кислород больше не может растворяться. Как и при добавлении сахара в воду, в какой-то момент сахар перестанет растворяться и будет скапливаться на дне. То же самое происходит с кислородом, но вместо этого он уплывет.
Точка насыщения воды кислородом обычно составляет около 10 частей на миллион или 10 мг/л, но зависит от нескольких факторов: температуры, солености и давления.
Что влияет на уровень растворенного кислорода в воде?
Во-первых, на точку насыщения воды кислородом влияют три ключевых фактора:
- Температура – при повышении температуры уровни растворенного кислорода снижаются
- Давление – при снижении давления уровни растворенного кислорода снижаются Уровни DO снижаются
Согласно приведенному выше графику, при повышении температуры вода не может удерживать столько растворенного кислорода. Но в тех же условиях окружающей среды пресная вода сможет удерживать больше растворенного кислорода, чем соленая вода. Эти тенденции важно учитывать при работе с гидропонными установками, аквариумами или базовым уровнем окружающей среды.
Далее, вода обычно не находится в точке насыщения и имеет кислородный градиент во всем объеме.
Вода на уровне поверхности будет иметь больше растворенного кислорода, чем на дне, поскольку кислород диффундирует с поверхности. В тихих озерах и прудах это может создать большой градиент растворенного кислорода, если вода не перемешивается с ветром или дикой природой.
Ветер создает естественную циркуляцию под поверхностью воды, а также увеличивает поглощение, делая поверхность шероховатой и увеличивая площадь поверхности. По этой причине в проточной реке растворенного кислорода обычно больше, чем в стоячем озере.
Бактерии и популяции растений также оказывают заметное влияние на растворенный в воде кислород. Растения, как мы знаем, производят кислород, и этот кислород может растворяться непосредственно в воде, повышая уровень растворенного кислорода. С другой стороны, бактерии потребляют кислород и производят CO2, тем самым уменьшая количество растворенного кислорода в водной системе. Таким образом, цветение водорослей может быть не только токсичным, но и израсходовать доступный кислород для других организмов и снизить уровень растворенного кислорода до опасного уровня.
Если сложить все это вместе, то многие факторы могут изменить содержание растворенного кислорода в воде. Вспомните жаркий климат, стоячую воду, цветение водорослей. Все эти условия плохи для бизнеса с растворенным кислородом и наоборот. В целом, вместо того, чтобы беспокоиться о том, сколько факторов может негативно повлиять на вашу систему водоснабжения, просто контролируйте воду с помощью датчика растворенного кислорода Atlas Scientific, который можно погружать в соленую или пресную воду на неопределенный срок.
Как измерить растворенный кислород в воде
Давайте сначала обсудим, как работает датчик растворенного кислорода.
Поперечное сечение датчика растворенного кислорода показано, где (при погружении) молекулы кислорода могут диффундировать через пластиковую мембрану. Как только они диффундируют, молекулы кислорода вступят в реакцию с катодом и создадут небольшое, но измеримое напряжение. Затем это напряжение считывается мультиметром или аналоговым цифровым устройством как уровень растворенного кислорода в мг/л.
Очаровательный!
Примечание: из-за принципа работы зонда технически он потребляет очень небольшое количество кислорода при измерении текущих уровней. Это постоянное потребление не сильно повлияет на измерения, особенно на измерения в течение первых нескольких секунд.
Теперь, когда вы знаете, как это работает, все, что вам нужно сделать, это откалибровать датчик и погрузить его в воду.
Для калибровки датчика просто оставьте датчик на открытом воздухе на 5–30 секунд, пока показания не стабилизируются. После стабилизации подайте команду калибровки, и датчик растворенного кислорода готов к использованию! Повторная калибровка должна выполняться между разными образцами, поскольку условия часто меняются — к счастью, калибровка выполняется очень быстро и легко.
Следует отметить одну вещь: если вам требуются измерения растворенного кислорода ниже 1,0 мг/л, вам потребуется калибровочный раствор для точных показаний. Однако единственным новым этапом калибровки является погружение зонда в калибровочный раствор с нулевым содержанием растворенного кислорода и настройка системы на нулевое значение мВ, поскольку кислород не будет вступать в реакцию с внутренним катодом.
Также рекомендуется заменять мембрану зонда и внутренний раствор электролита каждые 1–2 года, чтобы обеспечить максимальную производительность вашего устройства.
После калибровки погрузите датчик в воду и немедленно снимите показания. Вот и все!
Теперь вы сможете быстро измерить уровень растворенного кислорода и определить, становится ли он слишком низким для роста растений, жизни рыб или даже виноделия. Для непрерывного мониторинга можно использовать различные настройки, причем наиболее надежным подходом является прямое подключение к водопроводу.
Как повысить уровень растворенного кислорода в воде
Принимая во внимание наше обсуждение того, что влияет на уровень растворенного кислорода, существует несколько подходов к увеличению уровня растворенного кислорода в системе водоснабжения.
Первым шагом всегда является использование датчика растворенного кислорода для точного измерения текущего состояния качества воды, а затем определение уровня, которого необходимо достичь (в зависимости от каждого применения, например гидропоники).
В большинстве случаев это будет уровень насыщения кислородом от 8 до 10 мг/л. Ознакомьтесь с набором растворенного кислорода Gravity Analog от Atlas Scientific, чтобы быстро выполнить этот шаг.
Для увеличения растворенного кислорода в воде подумайте о 4 А:
- Аэрация
- Перемешивание
- Водные растения
- Добавление газа О2 постоянный воздух, прокачиваемый через него. Он напрямую добавит оксигенацию, но также создаст турбулентность, чтобы увеличить шероховатость поверхности и поглощение кислорода.
Мешалки также могут иметь различные конфигурации: от больших лопастных колес в стоячем пруду до фонтанов и подводных вентиляторов. Даже ваше плавание в пруду технически способствует взбалтыванию воды и увеличению уровня растворенного кислорода, а также перемешиванию. Дайте волю своему воображению, представив возможности создания механических мешалок для воды из небольших электродвигателей.
Водные растения, как обсуждалось ранее, производят кислород во время фотосинтеза и добавляют его непосредственно в воду.
При выборе этого метода для внутреннего применения необходимо учитывать достаточное количество солнечного света и питательных веществ.Наконец, барботирование чистого газообразного кислорода через воду значительно повысит уровень растворенного кислорода. Однако при таком подходе помните о перенасыщении воды, что также может привести к гибели водных организмов. Обязательно используйте датчик растворенного кислорода при добавлении чистого газообразного кислорода в источники воды. Непрерывный мониторинг лучше всего подходит для этого подхода, и его легко настроить с помощью промышленного зонда растворенного кислорода, который ввинчивается непосредственно в трубопровод.
Размер и масштаб вашей операции также должны учитываться. Если целью является небольшой аквариум или гидропонная система, то подойдет и небольшой воздушный камень. Если это большой пруд для выращивания рыбы и растений, следует рассмотреть большие системы мешалок, такие как гребное колесо и / или фонтаны (и они тоже выглядят круто).
Заключение
В целом, растворенный кислород является чрезвычайно важной характеристикой качества воды для любого применения (гидропоника, отбор проб окружающей среды, рыбоводство, аквариумы, пивоварение и т. д.), и его следует постоянно контролировать. Помните об окружающей среде (температура, давление, соленость) и других природных факторах, влияющих на растворенный кислород. В конце концов, всегда используйте откалиброванный датчик растворенного кислорода (см. мини-зонд лабораторного класса) для точного измерения и контроля качества воды, чтобы предотвратить нездоровые условия.
Если вы не уверены, какой именно прибор для измерения растворенного кислорода лучше всего подойдет для ваших нужд, или хотите узнать больше о других измерениях воды, таких как уровень pH и электропроводность, не стесняйтесь обращаться к команде мирового класса в Atlas Scientific. .
Как удалить растворенный кислород из воды
Для удаления растворенного кислорода (DO) из воды можно использовать четыре общих метода, как химически, так и механически.
Эти методы включают кипячение воды при 1 атм (атмосферное давление), кипячение воды при пониженном давлении, продувку азотом (N) и обработку ультразвуком при пониженном давлении. Растворенный кислород (DO) – это количество кислорода, присутствующего в воде. Мы можем легко измерить количество DO в воде с помощью зонда и датчика DO. Измерение растворенного кислорода важно, потому что кислород (O2) играет ключевую роль во многих отраслях, таких как очистка сточных вод и системы аквакультуры, из-за резких изменений, которые могут происходить в химических, биологических и экологических процессах.
Однако O2 может быть вредным веществом, поэтому удаление DO является важным шагом для предотвращения коррозии котлов и труб на электростанциях, а также для улучшения теплопередачи и повышения эффективности. Однако удаление DO из воды необходимо не только на электростанциях. Пищевая, фармацевтическая, биотехнологическая и полупроводниковая промышленность также требуют уменьшения или удаления DO из воды.
Удаление растворенного кислорода из водыМы можем легко увеличить количество растворенного кислорода в воде, барботируя ее воздухом, однако для уменьшения или удаления растворенного кислорода требуются физические (механические) или химические методы.
Физические методы удаления DO из воды:
- Термическая дегазация
- Вакуумная дегазация
- Противоточный обмен
Химические методы удаления 1 DO из воды 9003 9002
- Вакуумная дегазация0020
- Удаление азота
- Использование питательных веществ и растений Термическая дегазация
При выборе этого метода для внутреннего применения необходимо учитывать достаточное количество солнечного света и питательных веществ.
Эти методы включают кипячение воды при 1 атм (атмосферное давление), кипячение воды при пониженном давлении, продувку азотом (N) и обработку ультразвуком при пониженном давлении. 
Кипячение при 1 атм. DO, чем холодная вода. Вот почему кипячение воды является одним из способов уменьшить и удалить DO из воды.
В процессе термического газирования воду помещают в коническую колбу и кипятят в течение 30 минут на плитке на открытом воздухе. Затем воду из фляги медленно переливают в бутылку (обычно пластиковую).
Прежде чем крышка плотно завинчивается на бутылку, из бутылки выдавливают весь оставшийся воздух. Плотно завинчивая крышку, бутылку охлаждают под проточной водопроводной водой. Этот метод является наименее эффективным способом удаления DO из воды.
Кипячение при пониженном давлении:
Ручной вакуумный насос позволяет кипятить воду под давлением. Когда вода кипятится при пониженном давлении, воде требуется меньше энергии для перехода в газообразную форму, а кипение может происходить при более низкой температуре, что делает ее более энергоэффективной.
Воду помещают в колбу Бюхнера и присоединяют к ручному вакуумному насосу. Между колбой и вакуумным насосом обычно помещают водоотделитель, чтобы предотвратить повреждение насоса водой из колбы. Затем воду кипятят в течение 30 минут, чтобы удалить DO из воды. После того, как вода закипит, колбу закрывают и помещают под проточную воду для охлаждения.
Термическая дегазация Вакуумная дегазацияСонификация при пониженном давлении:
Этот метод аналогичен кипячению под давлением, за исключением того, что колбу Бюхнера помещают в ультразвуковую ванну и обрабатывают ультразвуком в течение 30 минут и 1 часа.
Для тех, кто пропустил урок физики, обработка ультразвуком связана с законом Генри. Когда вода находится под давлением, она делает DO менее растворимым. Растворы для обработки ультразвуком и перемешивания, такие как вода при пониженном давлении, обычно повышают эффективность удаления DO.
Ультразвуковая обработка использует звуковую энергию для встряхивания частиц кислорода в воде, которые затем удаляются за счет снижения давления внутри специальной вакуумной камеры, также известной как вакуумный дегазатор.
Вакуумная дегазация Противоточный обменМеханическое удаление DO на нефтяном месторождении включает использование бескислородного газа, такого как метан (Ch5), для выделения DO из воды посредством противоточного контактного обмена. В качестве альтернативы, если вы хотите химически удалить DO на нефтяном месторождении, используйте диоксид серы (SO2) или сульфит натрия (Na2SO3), поскольку это экономически выгодно.
Азотная продувка/отгонка Азотная продувка, также известная как отгонка азотом, представляет собой промышленный процесс, удаляющий нежелательные газы и другие примеси из воды с помощью газообразного азота (N2).
Этот метод является наиболее эффективным методом удаления O2. Однако этот метод может быть дорогим, так как требуется большое количество газообразного N2, что предлагает новые способы уменьшения количества газообразного N2 при удалении DO в будущем.
Удаление азота Использование питательных веществ и растенийЕще один способ удалить DO из воды — увеличить концентрацию питательных веществ в воде. Когда количество питательных веществ в воде увеличивается, рост растений увеличивается, а поскольку растения используют кислород, уровни растворенного кислорода в воде снижаются из-за разложения и дыхания.
Растения и питательные вещества Методы связыванияСочетание термической дегазации с вакуумной дегазацией, а также термическая дегазация и отгонка азотом также успешно удаляют DO из воды.
Будущее удаления растворенного кислорода из воды Учитывая ограничения, низкую эффективность и высокую стоимость многих операций по удалению DO, необходимо разработать более эффективные методы удаления DO из воды.
Новые роторно-статорные реакторы (RSR) способны удалять DO из воды, поскольку это усиливает контакт газа с жидкостью и усиливает эффект отгонки азота и вакуумной дегазации в условиях высокой гравитации.
Поскольку технологии постоянно развиваются, новый разработан электрохимический метод удаления кислорода. В этом методе используется богатая кислородом вода, которая течет через трехмерный катод внутри электрохимической ячейки. Катод удаляет РК из воды, а затем высвобождает его в виде газа в воздух через анод. Этот метод более эффективен, чем физические методы, и в равной степени эффективен по сравнению с химическими методами из-за низкого энергопотребления и использования нетоксичных химикатов для деоксигенации.
Вывод Наиболее эффективным способом удаления DO из воды является отгонка азотом, однако многие отрасли промышленности обращаются к «методам сопряжения» для разработки более эффективных методов удаления DO.
