什么是臭氧（O3）？

2019-08-14 10:29:30 admin

“臭氧”一詞因“保護大氣層”宣傳而廣為人知。由于臭氧冰箱除臭器、臭氧消毒碗柜等家電產品上市，人們對臭氧應用也逐漸熟悉。
臭氧具有獨特的腥味。最初人們正是根據這種氣味發現這種新物質的。1840年，德國科學家舒貝因（Schonbein）向慕尼黑科學院提出的報告里宣布發現了臭氧。他根據電解與火花放電實驗產生的氣味與雷電之后空氣中的腥臭氣味相同，判定這種氣味是由一種新物質產生的，并對此新物質命名為“OZONE”---臭氧，該詞依據希臘語Ozein（臭氣）一詞音譯的
臭氧被正式發現后的六十年里，各國科學家研究確定了臭氧為三個氧原子的結構及其物理、化學特性參數，并進行了人工產生臭氧的裝置-----臭氧發生器的研制與臭氧應用實驗。1904年，德.拉.庫克斯（de la coux）出版了長達557頁的臭氧技術與應用的參考書。
臭氧的性質：
臭氧O3是氧氣O2的同素異形體，組成元素相同，構成形態相異，性質差異很大。
表1 氧和臭氧的主要性質
氧臭氧
分子式 O2 O3
分子量 32 48
一般情況下的形態氣態氣態
氣味無腥臭味
氣體顏色無色淡藍色
液體顏色淡藍色暗藍色
1大氣壓，00C時的溶解度（ml/L水） 49.1 640
穩定性穩定易分解
1大氣壓，00C時的密度 1.429 2.144
以空氣為基準時的密度 1.103 1.658
臭氧的化學性質是它的氧化能力很強，其氧化還原電位僅次于F2。這可從表2中看出。
表2 氧化還原電位比較
名稱分子式標準電極電位（伏）
氟 F2 2.87

臭氧 O3
2.07
過氧化氫 H2O2
1.78

高錳酸離子 MnO4
1.67

二氧化氯 CLO2
1.50

氯 CL2
1.36

氧 O2 1.23
臭氧應用按用途分為水處理、化學氧化、食品加工與醫療四個領域，各領域應用研究與適用設備開發都達到了很高的水平。世界已形成了獨立的臭氧技術產業部門，1973年建立了國際臭氧協會(IOA),該協會兩年舉辦一次國際會議交流各國發展臭氧技術的論文、報告，IOA的各地區組織也分別組織技術交流活動。
1、水處理
臭氧在水中對細菌、病毒等微生物殺滅率高、速度快，對有機化合物等污染物質去除徹底而又不產生二次污染，因此飲用水殺菌消毒是臭氧應用的最主要部門，自來水行業是臭氧的最大市場。
氯消毒在自來水廠應用是很普遍的。但臭氧對細菌的殺滅率更高，殺滅速度更快。氯消毒對水質pH值改變特別敏感，pH值由7.5變到8.0氯的投加量要加大2.5倍，而臭氧投加量改變不大。目前使用臭氧代替氯消毒最主要的因素，也是傳統使用氯消毒的美國、日本等國家都在快速發展采用臭氧處理自來水的主要原因，在于隨著水源受有機化學工業產物污染，氯消毒后會產生氯仿、溴二氯甲烷、四氯化碳等氯化有機物（THM），這些物質具有致癌性，而臭氧處理中氧化作用不產生二次污染化合物。
我國瓶裝水采用臭氧殺菌凈化工藝最為普遍、積極，粗略估算，礦泉水、純水、潔凈水廠一千多家，約60%已采用臭氧殺菌工藝。由于技術監督、防疫部門已形成共識，沒有臭氧設備的瓶裝水廠很難在市場上競爭。隨著瓶裝水市場的發展，國內發展了一大批臭氧設備生產企業。臭氧發生器、投加混合設備品種繁多，質量參差不齊，甚至虛報假冒，使瓶裝水質量得不到保證。其關鍵在于處理水應達到0.3~0.5mg/L的臭氧溶解度值，這首先要求投加臭氧量應滿足1m3水2g臭氧的條件，同時必須保證水----氣充分接觸并保持一定的時間。根據實踐經驗，臭氧發生濃度高于8mg/L時容易達到溶解度要求。
污水處理包括城市污水、工業污水與醫療污水的處理，主要目的為殺菌消毒、去除污染物質并脫色除味以達到排放標準。近幾年由于水資源匾乏，行業主管部門制定了工業、生活污水回用的法規，提高了處理標準。
美國在本世紀七十年代初開始利用臭氧處理生活污水，其主要的目的為消毒并降低生物耗氧量（BOD）和化學耗氧量（COD），去除亞硝酸鹽、懸浮固體及脫色，已達到全面生產應用的水平。日本則在缺水地區進行污水臭氧處理后作為非食用水（即中水）循環使用。
工業污水臭氧用來對電鍍含氰污水氧化、紡織印染污水脫色、精煉污水去酚、烷類物質等。美、日、德、法等國近年都建立了大規模的污水處理廠，我國煉油、印染行業也有試驗性應用。
臭氧在飲用水處理中的作用表
細菌消毒溶解有機物的微凝聚作用（氧化）
病毒滅活
無機物氧化

可溶性鐵和（或）錳的氧化
氰化物

去絡合有機結合錳（氧化）
硫化物

除色（氧化）亞硝酸鹽
除臭、除味（氧化）
去除懸浮固體或濁度（氧化）

除藻類
生物過程預處理（氧化）

有機物氧化
砂

酚
無煙煤

洗滌劑
粒壯活性碳
農藥
游泳池水臭氧消毒應用廣泛，其處理效果和優點已被公認，國外應用極為普遍。我國廣州天河游泳館、北京亞運村英東游泳館等都采用臭氧消毒，池水清澈透明，徹底解決了氯消毒刺激眼睛、皮膚及使頭發變黃的問題。
目前美國冷卻塔協會推薦臭氧處理冷卻循環水技術，可以達到阻垢、除垢、殺菌除藻、防腐蝕與穩定水質的目的，美國臭氧公司已有計算機控制檢測的臭氧冷卻循環水系統在運行，我國很多單位在進行實驗研究，總結經驗。
2 化學氧化
臭氧作為氧化劑、催化劑和精制劑而應用于化工、石油、造紙、紡織和制藥、香料行業。臭氧的強氧化能力很容易打斷烯烴、炔烴類有機物的碳鏈結合鍵，使其部分氧化后組合成新的化合物。
新型材料炭素纖維經臭氧表面處理后品質提高;塑料薄膜臭氧處理后，提高了表面印刷著色能力;紙漿漂白在挪威已發展到生產實驗階段。
在生物、化學污染氣體凈化方面，臭氧發揮了重要作用。皮毛、腸衣與魚類加工廠的惡臭，橡膠、化工廠的污染氣體均可通過臭氧分解除味。
臭氧可化解芥子氣、沙林等化學毒劑。
臭氧對農藥的合成產生催化作用，對某些農藥的殘留又可以氧化分解。
3 食品行業的應用
臭氧的強殺菌能力及無殘余污染優點使其在食品行業的消毒除味、防霉保鮮方面得到廣泛的應用。
1904年就有利用臭氧保存牛奶、肉制品、奶酪、蛋白等食品的報道，1909年法國德波涅冷凍廠正式使用臭氧對冷卻肉表面殺菌，取得了微生物數量顯著減少的效果。1928年英國人在天津建立“合記蛋廠”，其打蛋車間就利用臭氧消毒。三十年代末，美國80%的冷藏蛋庫都裝有臭氧發生器，提高了雞蛋的貯藏期。特別值得指出的是，美國食品與醫藥管理局（FDA）一九九七年四月，修改了一直把臭氧作為“食品添加劑”限制使用的規定，允許不必申請即可在食品加工、貯藏中使用臭氧。這是臭氧技術發展的里程碑。對美國及許多國家的食品加工技術進步，提高食品質量，具有重大作用。
4 醫療應用
對病房、手術室空氣進行消毒在我國是推廣臭氧的主要方向，而國外則開展了很多治療的應用研究實驗。德國、瑞士、俄羅斯、法國及意大利的內科和牙科醫生，多年來都在運用臭氧進行治療，如口腔手術和鋃牙用臭氧水保持口腔無菌，采用臭氧與放射治療合用治療癌癥，喝臭氧水治療婦女病，注射臭氧氣體治療瘺痔、靜脈曲張等。
正確使用臭氧安全無害
臭氧在我國許多行業應用已取得良好效果，逐漸為人們所了解、接受。但在使用安全性與生理損害方面還有的人心存疑慮，應以科學的態度回答這些問題。
1 臭氧是安全氣體
在介紹臭氧性質的資料中常提到低溫凝聚的臭氧和20%濃度臭氧與氧氣混合氣體存在爆炸的可能性。在實際應用中臭氧濃度很低，如作水處理應用的高濃度大型臭氧發生器濃度目前最高為70mg/L（氧氣源5%濃度），作為空氣處理應用的發生器濃度只有200mg/m3，都比爆炸危險濃度低的多，因此說我們應用的臭氧為安全氣體。
值得注意的是使用氧氣源的確大型臭氧系統應該嚴格按照氧氣安全標準設計與運行。目前在供氣管路中安裝烴類檢測儀作為檢測報警儀器，以防止氧氣爆炸危險事故。
在百年的臭氧應用歷史中，還沒有報道過臭氧爆炸的事例。
2 衛生標準與健康保護
臭氧作為氣體殺菌劑，依靠其氧化性產生對病毒、細菌及霉菌等微生物的強殺滅作用。同任何消毒劑一樣，對動物與人造成一定的生理反應甚至損害，但臭氧比常用消毒劑要小的多，防保也容易得多。
各國科學界對臭氧產生的生理損害作用進行了長時間深入的研究，并制定了相應的衛生標準，以保證應用人員的健康。
臭氧工業衛生標準：
國際臭氧協會：0.1，接觸10小時
美國：0.1 接觸8小時
德國、法國、日本：0.1
中國：0.15
研究實驗是多方面的，從1950年開始了包括按年齡分組進行臭氧接觸以確定人的生理反應的研究。在大量實驗數據的基礎上眾多研究者按照K=c(濃度)*t(時間)公式建立了人的生理反應與健康防護對臭氧濃度關系的線圖。此圖清楚地表明人們在臭氧環境里的生理反應與損害程度為濃度同時間的乘積，說明較高濃度下接觸時間短不會產生明顯影響，而隨濃度低但時間長則可能影響明顯。

圖中刺激作用區以下范圍為無損害區，即離開臭氧環境就很快得以恢復的影響區。圖內縮指“感覺”為嗅到臭氧的特異性氣味;“刺激”是呼吸道黏膜有反應，感到口干、咳嗽、較強刺激有嗓子痛、疲乏等感覺，需要幾個小時得以恢復。文獻明確指出刺激作用區以上部分（中毒區）為推測值。至今世界上無一例因臭氧中毒死亡事故。
由于人們的嗅覺可感受的臭氧濃度低于衛生安全標準，這樣臭氧工作區內任何人員在明顯感受到臭氧的刺激作用后會自動回避或采取技術措施消除泄露故障，而不會產生“乘積”積累損害。
臭氧作為消毒劑，殺菌能力強，使用濃度低，能自行分解無殘余污染，接觸后的不適感離開現場立即消失等優點，是甲醛（福爾馬林），過氧乙酸，高錳酸鉀等常用消毒劑無法比擬的。要求工作人員在場時直接消毒是不合理的。正確應用臭氧即可保證健康不受損害。
臭氧不是萬能的，也不是完美無缺的。應以科學的態度和方法宣傳、推廣與應用臭氧，提高與發展我國的臭氧技術水平。