什么是臭氧（O3）？

2019-08-14 10:29:30 admin

“臭氧”一詞因“保護(hù)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(chǎn)品上市，人們對(duì)臭氧應(yīng)用也逐漸熟悉。
臭氧具有獨(dú)特的腥味。最初人們正是根據(jù)這種氣味發(fā)現(xiàn)這種新物質(zhì)的。1840年，德國(guó)科學(xué)家舒貝因（Schonbein）向慕尼黑科學(xué)院提出的報(bào)告里宣布發(fā)現(xiàn)了臭氧。他根據(jù)電解與火花放電實(shí)驗(yàn)產(chǎn)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(zhì)產(chǎn)生的，并對(duì)此新物質(zhì)命名為“OZONE”---臭氧，該詞依據(jù)希臘語(yǔ)Ozein（臭氣）一詞音譯的
臭氧被正式發(fā)現(xiàn)后的六十年里，各國(guó)科學(xué)家研究確定了臭氧為三個(gè)氧原子的結(jié)構(gòu)及其物理、化學(xué)特性參數(shù)，并進(jìn)行了人工產(chǎn)生臭氧的裝置-----臭氧發(fā)生器的研制與臭氧應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。1904年，德.拉.庫(kù)克斯（de la coux）出版了長(zhǎng)達(dá)557頁(yè)的臭氧技術(shù)與應(yīng)用的參考書。
臭氧的性質(zhì)：
臭氧O3是氧氣O2的同素異形體，組成元素相同，構(gòu)成形態(tài)相異，性質(zhì)差異很大。
表1 氧和臭氧的主要性質(zhì)
氧臭氧
分子式 O2 O3
分子量 32 48
一般情況下的形態(tài) 氣態(tài) 氣態(tài)
氣味無(wú) 腥臭味
氣體顏色無(wú)色淡藍(lán)色
液體顏色淡藍(lán)色暗藍(lán)色
1大氣壓，00C時(shí)的溶解度（ml/L水） 49.1 640
穩(wěn)定性穩(wěn)定易分解
1大氣壓，00C時(shí)的密度 1.429 2.144
以空氣為基準(zhǔn)時(shí)的密度 1.103 1.658
臭氧的化學(xué)性質(zhì)是它的氧化能力很強(qiáng)，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(biāo)準(zhǔn)電極電位（伏）
氟 F2 2.87

臭氧 O3
2.07
過(guò)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(yīng)用按用途分為水處理、化學(xué)氧化、食品加工與醫(yī)療四個(gè)領(lǐng)域，各領(lǐng)域應(yīng)用研究與適用設(shè)備開(kāi)發(fā)都達(dá)到了很高的水平。世界已形成了獨(dú)立的臭氧技術(shù)產(chǎn)業(yè)部門，1973年建立了國(guó)際臭氧協(xié)會(huì)(IOA),該協(xié)會(huì)兩年舉辦一次國(guó)際會(huì)議交流各國(guó)發(fā)展臭氧技術(shù)的論文、報(bào)告，IOA的各地區(qū)組織也分別組織技術(shù)交流活動(dòng)。
1、水處理
臭氧在水中對(duì)細(xì)菌、病毒等微生物殺滅率高、速度快，對(duì)有機(jī)化合物等污染物質(zhì)去除徹底而又不產(chǎn)生二次污染，因此飲用水殺菌消毒是臭氧應(yīng)用的最主要部門，自來(lái)水行業(yè)是臭氧的最大市場(chǎng)。
氯消毒在自來(lái)水廠應(yīng)用是很普遍的。但臭氧對(duì)細(xì)菌的殺滅率更高，殺滅速度更快。氯消毒對(duì)水質(zhì)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(tǒng)使用氯消毒的美國(guó)、日本等國(guó)家都在快速發(fā)展采用臭氧處理自來(lái)水的主要原因，在于隨著水源受有機(jī)化學(xué)工業(yè)產(chǎn)物污染，氯消毒后會(huì)產(chǎn)生氯仿、溴二氯甲烷、四氯化碳等氯化有機(jī)物（THM），這些物質(zhì)具有致癌性，而臭氧處理中氧化作用不產(chǎn)生二次污染化合物。
我國(guó)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(shù)監(jiān)督、防疫部門已形成共識(shí)，沒(méi)有臭氧設(shè)備的瓶裝水廠很難在市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)。隨著瓶裝水市場(chǎng)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)發(fā)展了一大批臭氧設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)。臭氧發(fā)生器、投加混合設(shè)備品種繁多，質(zhì)量參差不齊，甚至虛報(bào)假冒，使瓶裝水質(zhì)量得不到保證。其關(guān)鍵在于處理水應(yīng)達(dá)到0.3~0.5mg/L的臭氧溶解度值，這首先要求投加臭氧量應(yīng)滿足1m3水2g臭氧的條件，同時(shí)必須保證水----氣充分接觸并保持一定的時(shí)間。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，臭氧發(fā)生濃度高于8mg/L時(shí)容易達(dá)到溶解度要求。
污水處理包括城市污水、工業(yè)污水與醫(yī)療污水的處理，主要目的為殺菌消毒、去除污染物質(zhì)并脫色除味以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。近幾年由于水資源匾乏，行業(yè)主管部門制定了工業(yè)、生活污水回用的法規(guī)，提高了處理標(biāo)準(zhǔn)。
美國(guó)在本世紀(jì)七十年代初開(kāi)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(xué)耗氧量（COD），去除亞硝酸鹽、懸浮固體及脫色，已達(dá)到全面生產(chǎn)應(yīng)用的水平。日本則在缺水地區(qū)進(jìn)行污水臭氧處理后作為非食用水（即中水）循環(huán)使用。
工業(yè)污水臭氧用來(lái)對(duì)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(zhì)等。美、日、德、法等國(guó)近年都建立了大規(guī)模的污水處理廠，我國(guó)煉油、印染行業(yè)也有試驗(yàn)性應(yīng)用。
臭氧在飲用水處理中的作用表
細(xì)菌消毒溶解有機(jī)物的微凝聚作用（氧化）
病毒滅活
無(wú)機(jī)物氧化

可溶性鐵和（或）錳的氧化
氰化物

去絡(luò)合有機(jī)結(jié)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(guò)程預(yù)處理（氧化）

有機(jī)物氧化
砂

酚
無(wú)煙煤

洗滌劑
粒壯活性碳
農(nóng)藥
游泳池水臭氧消毒應(yīng)用廣泛，其處理效果和優(yōu)點(diǎn)已被公認(rèn)，國(guó)外應(yīng)用極為普遍。我國(guó)廣州天河游泳館、北京亞運(yùn)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(fā)變黃的問(wèn)題。
目前美國(guó)冷卻塔協(xié)會(huì)推薦臭氧處理冷卻循環(huán)水技術(shù)，可以達(dá)到阻垢、除垢、殺菌除藻、防腐蝕與穩(wěn)定水質(zhì)的目的，美國(guó)臭氧公司已有計(jì)算機(jī)控制檢測(cè)的臭氧冷卻循環(huán)水系統(tǒng)在運(yùn)行，我國(guó)很多單位在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。
2 化學(xué)氧化
臭氧作為氧化劑、催化劑和精制劑而應(yīng)用于化工、石油、造紙、紡織和制藥、香料行業(yè)。臭氧的強(qiáng)氧化能力很容易打斷烯烴、炔烴類有機(jī)物的碳鏈結(jié)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(jīng)臭氧表面處理后品質(zhì)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(fā)展到生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)階段。
在生物、化學(xué)污染氣體凈化方面，臭氧發(fā)揮了重要作用。皮毛、腸衣與魚(yú)類加工廠的惡臭，橡膠、化工廠的污染氣體均可通過(guò)臭氧分解除味。
臭氧可化解芥子氣、沙林等化學(xué)毒劑。
臭氧對(duì)農(nóng)藥的合成產(chǎn)生催化作用，對(duì)某些農(nóng)藥的殘留又可以氧化分解。
3 食品行業(yè)的應(yīng)用
臭氧的強(qiáng)殺菌能力及無(wú)殘余污染優(yōu)點(diǎn)使其在食品行業(yè)的消毒除味、防霉保鮮方面得到廣泛的應(yīng)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(bào)道，1909年法國(guó)德波涅冷凍廠正式使用臭氧對(duì)冷卻肉表面殺菌，取得了微生物數(shù)量顯著減少的效果。1928年英國(guó)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(guó)80%的冷藏蛋庫(kù)都裝有臭氧發(fā)生器，提高了雞蛋的貯藏期。特別值得指出的是，美國(guó)食品與醫(yī)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(guī)定，允許不必申請(qǐng)即可在食品加工、貯藏中使用臭氧。這是臭氧技術(shù)發(fā)展的里程碑。對(duì)美國(guó)及許多國(guó)家的食品加工技術(shù)進(jìn)步，提高食品質(zhì)量，具有重大作用。
4 醫(yī)療應(yīng)用
對(duì)病房、手術(shù)室空氣進(jìn)行消毒在我國(guó)是推廣臭氧的主要方向，而國(guó)外則開(kāi)展了很多治療的應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)。德國(guó)、瑞士、俄羅斯、法國(guó)及意大利的內(nèi)科和牙科醫(yī)生，多年來(lái)都在運(yùn)用臭氧進(jìn)行治療，如口腔手術(shù)和鋃牙用臭氧水保持口腔無(wú)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(wú)害
臭氧在我國(guó)許多行業(yè)應(yīng)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?yè)p害方面還有的人心存疑慮，應(yīng)以科學(xué)的態(tài)度回答這些問(wèn)題。
1 臭氧是安全氣體
在介紹臭氧性質(zhì)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(shí)際應(yīng)用中臭氧濃度很低，如作水處理應(yīng)用的高濃度大型臭氧發(fā)生器濃度目前最高為70mg/L（氧氣源5%濃度），作為空氣處理應(yīng)用的發(fā)生器濃度只有200mg/m3，都比爆炸危險(xiǎn)濃度低的多，因此說(shuō)我們應(yīng)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(tǒng)應(yīng)該嚴(yán)格按照氧氣安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)與運(yùn)行。目前在供氣管路中安裝烴類檢測(cè)儀作為檢測(cè)報(bào)警儀器，以防止氧氣爆炸危險(xiǎn)事故。
在百年的臭氧應(yīng)用歷史中，還沒(méi)有報(bào)道過(guò)臭氧爆炸的事例。
2 衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)與健康保護(hù)
臭氧作為氣體殺菌劑，依靠其氧化性產(chǎn)生對(duì)病毒、細(xì)菌及霉菌等微生物的強(qiáng)殺滅作用。同任何消毒劑一樣，對(duì)動(dòng)物與人造成一定的生理反應(yīng)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(guó)科學(xué)界對(duì)臭氧產(chǎn)生的生理?yè)p害作用進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間深入的研究，并制定了相應(yīng)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，以保證應(yīng)用人員的健康。
臭氧工業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)：
國(guó)際臭氧協(xié)會(huì)：0.1，接觸10小時(shí)
美國(guó)：0.1 接觸8小時(shí)
德國(guó)、法國(guó)、日本：0.1
中國(guó)：0.15
研究實(shí)驗(yàn)是多方面的，從1950年開(kāi)始了包括按年齡分組進(jìn)行臭氧接觸以確定人的生理反應(yīng)的研究。在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上眾多研究者按照K=c(濃度)*t(時(shí)間)公式建立了人的生理反應(yīng)與健康防護(hù)對(duì)臭氧濃度關(guān)系的線圖。此圖清楚地表明人們?cè)诔粞醐h(huán)境里的生理反應(yīng)與損害程度為濃度同時(shí)間的乘積，說(shuō)明較高濃度下接觸時(shí)間短不會(huì)產(chǎn)生明顯影響，而隨濃度低但時(shí)間長(zhǎng)則可能影響明顯。

圖中刺激作用區(qū)以下范圍為無(wú)損害區(qū)，即離開(kāi)臭氧環(huán)境就很快得以恢復(fù)的影響區(qū)。圖內(nèi)縮指“感覺(jué)”為嗅到臭氧的特異性氣味;“刺激”是呼吸道黏膜有反應(yīng)，感到口干、咳嗽、較強(qiáng)刺激有嗓子痛、疲乏等感覺(jué)，需要幾個(gè)小時(shí)得以恢復(fù)。文獻(xiàn)明確指出刺激作用區(qū)以上部分（中毒區(qū)）為推測(cè)值。至今世界上無(wú)一例因臭氧中毒死亡事故。
由于人們的嗅覺(jué)可感受的臭氧濃度低于衛(wèi)生安全標(biāo)準(zhǔn)，這樣臭氧工作區(qū)內(nèi)任何人員在明顯感受到臭氧的刺激作用后會(huì)自動(dòng)回避或采取技術(shù)措施消除泄露故障，而不會(huì)產(chǎn)生“乘積”積累損害。
臭氧作為消毒劑，殺菌能力強(qiáng)，使用濃度低，能自行分解無(wú)殘余污染，接觸后的不適感離開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)立即消失等優(yōu)點(diǎn)，是甲醛（福爾馬林），過(guò)氧乙酸，高錳酸鉀等常用消毒劑無(wú)法比擬的。要求工作人員在場(chǎng)時(shí)直接消毒是不合理的。正確應(yīng)用臭氧即可保證健康不受損害。
臭氧不是萬(wàn)能的，也不是完美無(wú)缺的。應(yīng)以科學(xué)的態(tài)度和方法宣傳、推廣與應(yīng)用臭氧，提高與發(fā)展我國(guó)的臭氧技術(shù)水平。