什么是臭氧（O3）？

2019-08-14 10:29:30 admin

“臭氧”一词因“保护大气层”宣传而广为人知。由于臭氧冰箱除臭器、臭氧消毒碗柜等家电产品上市，人们对臭氧应用也逐渐熟悉。
臭氧具有独特的腥味。最初人们正是根据这种气味发现这种新物质的。1840年，德国科学家舒贝因（Schonbein）向慕尼黑科学院提出的报告里宣布发现了臭氧。他根据电解与火花放电实验产生的气味与雷电之后空气中的腥臭气味相同，判定这种气味是由一种新物质产生的，并对此新物质命名为“OZONE”---臭氧，该词依据希腊语Ozein（臭气）一词音译的
臭氧被正式发现后的六十年里，各国科学家研究确定了臭氧为三个氧原子的结构及其物理、化学特性参数，并进行了人工产生臭氧的装置-----臭氧发生器的研制与臭氧应用实验。1904年，德.拉.库克斯（de la coux）出版了长达557页的臭氧技术与应用的参考书。
臭氧的性质：
臭氧O3是氧气O2的同素异形体，组成元素相同，构成形态相异，性质差异很大。
表1 氧和臭氧的主要性质
氧臭氧
分子式 O2 O3
分子量 32 48
一般情况下的形态气态气态
气味无腥臭味
气体颜色无色淡蓝色
液体颜色淡蓝色暗蓝色
1大气压，00C时的溶解度（ml/L水） 49.1 640
稳定性稳定易分解
1大气压，00C时的密度 1.429 2.144
以空气为基准时的密度 1.103 1.658
臭氧的化学性质是它的氧化能力很强，其氧化还原电位仅次于F2。这可从表2中看出。
表2 氧化还原电位比较
名称分子式标准电极电位（伏）
氟 F2 2.87

臭氧 O3
2.07
过氧化氢 H2O2
1.78

高锰酸离子 MnO4
1.67

二氧化氯 CLO2
1.50

氯 CL2
1.36

氧 O2 1.23
臭氧应用按用途分为水处理、化学氧化、食品加工与医疗四个领域，各领域应用研究与适用设备开发都达到了很高的水平。世界已形成了独立的臭氧技术产业部门，1973年建立了国际臭氧协会(IOA),该协会两年举办一次国际会议交流各国发展臭氧技术的论文、报告，IOA的各地区组织也分别组织技术交流活动。
1、水处理
臭氧在水中对细菌、病毒等微生物杀灭率高、速度快，对有机化合物等污染物质去除彻底而又不产生二次污染，因此饮用水杀菌消毒是臭氧应用的最主要部门，自来水行业是臭氧的最大市场。
氯消毒在自来水厂应用是很普遍的。但臭氧对细菌的杀灭率更高，杀灭速度更快。氯消毒对水质pH值改变特别敏感，pH值由7.5变到8.0氯的投加量要加大2.5倍，而臭氧投加量改变不大。目前使用臭氧代替氯消毒最主要的因素，也是传统使用氯消毒的美国、日本等国家都在快速发展采用臭氧处理自来水的主要原因，在于随着水源受有机化学工业产物污染，氯消毒后会产生氯仿、溴二氯甲烷、四氯化碳等氯化有机物（THM），这些物质具有致癌性，而臭氧处理中氧化作用不产生二次污染化合物。
我国瓶装水采用臭氧杀菌净化工艺最为普遍、积极，粗略估算，矿泉水、纯水、洁净水厂一千多家，约60%已采用臭氧杀菌工艺。由于技术监督、防疫部门已形成共识，没有臭氧设备的瓶装水厂很难在市场上竞争。随着瓶装水市场的发展，国内发展了一大批臭氧设备生产企业。臭氧发生器、投加混合设备品种繁多，质量参差不齐，甚至虚报假冒，使瓶装水质量得不到保证。其关键在于处理水应达到0.3~0.5mg/L的臭氧溶解度值，这首先要求投加臭氧量应满足1m3水2g臭氧的条件，同时必须保证水----气充分接触并保持一定的时间。根据实践经验，臭氧发生浓度高于8mg/L时容易达到溶解度要求。
污水处理包括城市污水、工业污水与医疗污水的处理，主要目的为杀菌消毒、去除污染物质并脱色除味以达到排放标准。近几年由于水资源匾乏，行业主管部门制定了工业、生活污水回用的法规，提高了处理标准。
美国在本世纪七十年代初开始利用臭氧处理生活污水，其主要的目的为消毒并降低生物耗氧量（BOD）和化学耗氧量（COD），去除亚硝酸盐、悬浮固体及脱色，已达到全面生产应用的水平。日本则在缺水地区进行污水臭氧处理后作为非食用水（即中水）循环使用。
工业污水臭氧用来对电镀含氰污水氧化、纺织印染污水脱色、精炼污水去酚、烷类物质等。美、日、德、法等国近年都建立了大规模的污水处理厂，我国炼油、印染行业也有试验性应用。
臭氧在饮用水处理中的作用表
细菌消毒溶解有机物的微凝聚作用（氧化）
病毒灭活
无机物氧化

可溶性铁和（或）锰的氧化
氰化物

去络合有机结合锰（氧化）
硫化物

除色（氧化）亚硝酸盐
除臭、除味（氧化）
去除悬浮固体或浊度（氧化）

除藻类
生物过程预处理（氧化）

有机物氧化
砂

酚
无烟煤

洗涤剂
粒壮活性碳
农药
游泳池水臭氧消毒应用广泛，其处理效果和优点已被公认，国外应用极为普遍。我国广州天河游泳馆、北京亚运村英东游泳馆等都采用臭氧消毒，池水清澈透明，彻底解决了氯消毒刺激眼睛、皮肤及使头发变黄的问题。
目前美国冷却塔协会推荐臭氧处理冷却循环水技术，可以达到阻垢、除垢、杀菌除藻、防腐蚀与稳定水质的目的，美国臭氧公司已有计算机控制检测的臭氧冷却循环水系统在运行，我国很多单位在进行实验研究，总结经验。
2 化学氧化
臭氧作为氧化剂、催化剂和精制剂而应用于化工、石油、造纸、纺织和制药、香料行业。臭氧的强氧化能力很容易打断烯烃、炔烃类有机物的碳链结合键，使其部分氧化后组合成新的化合物。
新型材料炭素纤维经臭氧表面处理后品质提高;塑料薄膜臭氧处理后，提高了表面印刷着色能力;纸浆漂白在挪威已发展到生产实验阶段。
在生物、化学污染气体净化方面，臭氧发挥了重要作用。皮毛、肠衣与鱼类加工厂的恶臭，橡胶、化工厂的污染气体均可通过臭氧分解除味。
臭氧可化解芥子气、沙林等化学毒剂。
臭氧对农药的合成产生催化作用，对某些农药的残留又可以氧化分解。
3 食品行业的应用
臭氧的强杀菌能力及无残余污染优点使其在食品行业的消毒除味、防霉保鲜方面得到广泛的应用。
1904年就有利用臭氧保存牛奶、肉制品、奶酪、蛋白等食品的报道，1909年法国德波涅冷冻厂正式使用臭氧对冷却肉表面杀菌，取得了微生物数量显著减少的效果。1928年英国人在天津建立“合记蛋厂”，其打蛋车间就利用臭氧消毒。三十年代末，美国80%的冷藏蛋库都装有臭氧发生器，提高了鸡蛋的贮藏期。特别值得指出的是，美国食品与医药管理局（FDA）一九九七年四月，修改了一直把臭氧作为“食品添加剂”限制使用的规定，允许不必申请即可在食品加工、贮藏中使用臭氧。这是臭氧技术发展的里程碑。对美国及许多国家的食品加工技术进步，提高食品质量，具有重大作用。
4 医疗应用
对病房、手术室空气进行消毒在我国是推广臭氧的主要方向，而国外则开展了很多治疗的应用研究实验。德国、瑞士、俄罗斯、法国及意大利的内科和牙科医生，多年来都在运用臭氧进行治疗，如口腔手术和锒牙用臭氧水保持口腔无菌，采用臭氧与放射治疗合用治疗癌症，喝臭氧水治疗妇女病，注射臭氧气体治疗瘘痔、静脉曲张等。
正确使用臭氧安全无害
臭氧在我国许多行业应用已取得良好效果，逐渐为人们所了解、接受。但在使用安全性与生理损害方面还有的人心存疑虑，应以科学的态度回答这些问题。
1 臭氧是安全气体
在介绍臭氧性质的资料中常提到低温凝聚的臭氧和20%浓度臭氧与氧气混合气体存在爆炸的可能性。在实际应用中臭氧浓度很低，如作水处理应用的高浓度浓度目前最高为70mg/L（氧气源5%浓度），作为空气处理应用的发生器浓度只有200mg/m3，都比爆炸危险浓度低的多，因此说我们应用的臭氧为安全气体。
值得注意的是使用氧气源的确大型臭氧系统应该严格按照氧气安全标准设计与运行。目前在供气管路中安装烃类检测仪作为检测报警仪器，以防止氧气爆炸危险事故。
在百年的臭氧应用历史中，还没有报道过臭氧爆炸的事例。
2 卫生标准与健康保护
臭氧作为气体杀菌剂，依靠其氧化性产生对病毒、细菌及霉菌等微生物的强杀灭作用。同任何消毒剂一样，对动物与人造成一定的生理反应甚至损害，但臭氧比常用消毒剂要小的多，防保也容易得多。
各国科学界对臭氧产生的生理损害作用进行了长时间深入的研究，并制定了相应的卫生标准，以保证应用人员的健康。
臭氧工业卫生标准：
国际臭氧协会：0.1，接触10小时
美国：0.1 接触8小时
德国、法国、日本：0.1
中国：0.15
研究实验是多方面的，从1950年开始了包括按年龄分组进行臭氧接触以确定人的生理反应的研究。在大量实验数据的基础上众多研究者按照K=c(浓度)*t(时间)公式建立了人的生理反应与健康防护对臭氧浓度关系的线图。此图清楚地表明人们在臭氧环境里的生理反应与损害程度为浓度同时间的乘积，说明较高浓度下接触时间短不会产生明显影响，而随浓度低但时间长则可能影响明显。

图中刺激作用区以下范围为无损害区，即离开臭氧环境就很快得以恢复的影响区。图内缩指“感觉”为嗅到臭氧的特异性气味;“刺激”是呼吸道黏膜有反应，感到口干、咳嗽、较强刺激有嗓子痛、疲乏等感觉，需要几个小时得以恢复。文献明确指出刺激作用区以上部分（中毒区）为推测值。至今世界上无一例因臭氧中毒死亡事故。
由于人们的嗅觉可感受的臭氧浓度低于卫生安全标准，这样臭氧工作区内任何人员在明显感受到臭氧的刺激作用后会自动回避或采取技术措施消除泄露故障，而不会产生“乘积”积累损害。
臭氧作为消毒剂，杀菌能力强，使用浓度低，能自行分解无残余污染，接触后的不适感离开现场立即消失等优点，是甲醛（福尔马林），过氧乙酸，高锰酸钾等常用消毒剂无法比拟的。要求工作人员在场时直接消毒是不合理的。正确应用臭氧即可保证健康不受损害。
臭氧不是万能的，也不是完美无缺的。应以科学的态度和方法宣传、推广与应用臭氧，提高与发展我国的臭氧技术水平。