1.什么是臭氧
人類發現臭氧已經有一百年的歷史。在距離地球表面15-25公里的高空,因受太陽紫外線照射的緣故,形成了包圍在地球外圍空間的臭氧層,這厚厚的臭氧層正是人類賴以生存的保護傘。這就是大多數人對臭氧的全部認識。
1840年德國科學家舒貝因發現,他在電解和火花放電試驗過程中曾聞到有一種特殊的氣味,同時,他還指出在閃電過后也聞到同樣的氣味。舒貝因將此異味確定為O3,命名為OZONE(臭氧),取自希臘語“Ozein”一詞,意為“難聞”。
臭氧,又名三原子氧,因其類似魚腥味的臭味而得名。其分子式為O3 ,是氧氣的同素異形體,具有它自身的獨特性質:
1.在自然條件下,它是淡藍色的氣體;
2.它有一種類似雷電后的腥臭味;
3.在標準壓力和常溫下,它在水中的溶解度是氧氣的13倍;
4.臭氧比空氣重,是空氣的1.658倍;
5.臭氧有很強的氧化力,是已知最強的氧化劑之一;
6.正常情況下,臭氧極不穩定,容易分解成氧氣;
7.臭氧分子是逆磁性的,易結合一個電子成為負離子分子;
8.臭氧在空氣中的半衰期一般為20-50分鐘,隨溫度與濕度的增高而加快;
9.臭氧在水中半衰期約為35分鐘隨水質與水溫的不同而異;
10.臭氧在冰中極為穩定,其半衰期為2000年。
2.臭氧基礎知識
概述 : 臭氧的稱謂同它的獨特氣味最早記載于荷馬( Homer) 的長詩 " 伊里亞德和奧德賽 ” ( Iliad and Odyssey) 里,他注意了伴隨雷電產生的這種氣味,并把他的印象寫了進去。因此在圣經第 12 章奧德賽第 417 節里,有丘比特( Jupiter) 用雷電擊船,船內 “ 完全充滿了硫黃臭味 ” 。
1785 年德國物理學家馮 . 馬魯姆( Van Marum) 用他的大功率電機進行試驗時發現,當空氣流過一串電火花時,就產生一種特殊的氣味??唆斠量讼煽耍?nbsp;Cruikshank)1801 年觀察到水電解過程中在陽極產生同樣氣味的氣體。
1840 年荷蘭的科學家舒貝因( Schonbein) 向慕尼黑科學院提交的一份備忘錄中宣告了臭氧的發現,他在電解和火花放電試驗過程中曾聞到一種獨特的氣味,他還指出,在閃電過后亦可聞到同樣的氣味。舒貝因斷定這是一種新物質產生的氣味,他把它命名為 “Ozone”( 臭氧 ) ,取自希臘字 “Ozein” 一詞,意為 “ 難聞 ” 。
1845 年,德 . 拉 . 里韋( De La Rive) 和馬里亞斯( Marignac) 通過用純氧電火花作用獲得了臭氧。 1848 年亨特(Hunt) 根據當時所了解的臭氧的性質得出他的判斷,預言臭氧為三個原子氧。 1860 年安德魯( Andrew) 和泰特( Tait) 發現氧氣在轉化為臭氧的過程中體積減少。然而當臭氧轉化為氧氣時恢復到原有的體積,同時還發現少量的汞或金屬銀具有分解臭氧的能力。 1866 年索雷特( Soret) 利用通過電解得到臭氧和氧的混合氣體進行試驗,斷定臭氧的密度是氧的 1.5 倍。為驗證此結論,索雷特測定了臭氧向空氣中擴散的速率,并將其與同一方法測定得的二氧化碳擴散速率相比。估算出臭氧與二氧化碳的密度比,發現它存在著與 CO2: O3 = 44:48 完全一致的關系。
1857 年,馮 . 西門斯( Von Siemens) 研制出了臭氧發生管,臭氧技術有了很大進步。這種類型的臭氧發生器,成為當時大量應用的放電臭氧發生器的原型。西門斯第一臺臭氧發生器基本上是由兩根玻璃管構成的,外管外壁和內管內壁均用錫箔覆蓋,空氣原料氣流從環狀空間通過。內管內壁和外管外壁的金屬表面聯結到電感線圈或電機接線柱上。用這種裝置,干燥氧氣的 3 %~ 8 %可能轉化為臭氧。布羅迪( Brodie) 和伯塞樂( Bertholet) 采用此種設備的改型,他們都用電解液取代金屬電極給臭氧發生過程起到一定的冷卻作用。
1868 年霍爾曼( Hollman )研究了臭氧的熱化學特性。把不同的氣體( H2 和 C2H2 )在純氧氣體中燃燒時所釋放出的熱,與同一氣體在臭氧氣體中燃燒時所產生的熱量相比較,發現有臭氧存在時釋放的熱量總要大一些。由于知道 O3 /O2 混合氣體濃度( 1 %~ 2 %質量)以及臭氧存在時放出的熱量,就能計算出每克臭氧變成氧氣所放出的熱量。
他求出分解臭氧產生 17.064kcal/mol(1kcal=4.18kJ ,下同 ) 。這大約是目前采用值的一半。此后 1876 年伯塞樂測定得出值為29.6kcal/mol 。 1908 年楊( Jahn )求出的值為 34.0kcal/mol 。由于臭氧是一種吸熱化合物,使人們試圖用熱工藝來設計臭氧發生器,但這一設想由于臭氧在高溫下快速分解而告失敗。
氣態臭氧的自然分解在室溫下需要數小時,然而當臭氧溶于水時將以較快速度分解,分解時間一般以分鐘計。在水中臭氧的穩定性受水質的影響很大。蒸餾水中臭氧的半衰期大約為 25min ,但在二次蒸餾水中,即使在 20℃ 下,經過 80min 也只有 10 %的臭氧分解,若在水溫接近 0℃ 臭氧變得很穩定。
由于臭氧在水溶液中分解率的差異,有關臭氧在水中溶解度值亦逐步確定。 1873 年舍內( Schone) 得出溶解度值為0.366L/L ( 18℃ )。 1874 年卡里烏斯( Carius) 得出值是 0.834 ( 1℃ ), 1894 年梅爾弗特( Mailfert )求出以下值:
溫度 /℃ | 0 | 11.8 | 15 | 19 | 27 | 40 | 50 | 60 |
溶解度/(L/L) | 0.64 | 0.50 | 0.456 | 0.381 | 0.27 | 0.112 | 0.031 | 0.00 |
以上溶解度值大約為氧氣的 10 ~ 15 倍。
因低溫對臭氧穩定性的影響很大,所以在低溫條件下產生臭氧的工藝研究引起人們的重視。豪特福伊勒( Hautefeuille) 和夏皮斯( Chappuis) 在極低溫度下通過氧氣放電得到高濃度臭氧,在 0℃ 下得到含量為 14.9 %(質量)的臭氧,在 -23℃ 下臭氧濃度為 21.4 %。后
來通過 -100℃ 下對富臭氧氧氣氣體施加 125atm ( 1atm=0.1MPa) 壓力,成功地生產出液態臭氧,為深靛藍色液體。氣態臭氧必須在持續冷卻地條件下慢慢加壓,否則會發生爆炸。
1887 年奧爾左斯基( Olszeuski) 測定了臭氧的沸點,在 -106 ~ -109℃ 范圍內, 1898 年魯斯特( Troost) 測定為-111.9℃ ?,F在臭氧沸點值采用的是 -111.9℃ 。
臭氧的制備
由于臭氧是一種不穩定的氣體,不能儲存運輸,因而臭氧必須在使用現場發生制備。根據工作原理和原料的不同,生產臭氧的方法有好多,主要的臭氧技術有:電解法、核輻射法、紫外線、等離子體及電暈放電法等幾種。應用比較廣泛的是臭氧發生器放電氧化空氣或純氧氣成臭氧。最近幾年來,電解水產生臭氧在某些領域內得到逐漸的發展。臭氧發生器的基本類型、工作原理及應用范圍如表1所示。
表1:臭氧發生器的類型、工作原理及應用范圍
臭氧產生方法 | 工作原理 | 原料 | 應用范圍 |
放電法 | 放電電解(ED) | 空氣或氧氣 | 實驗室到實際工程 |
電化學 | 電解 | 高純度水 | 需要純水的實驗室和小型工程 |
光化學 | 輻射(吸收電子) | 空氣(氧氣)飲用水或高純水 | 新技術,適用于實驗室到實際工程 |
輻射化學 | X光,放射性射γ線 | 高純水 | 不常用,僅用于實驗 |
熱法 | 光電弧電離 | 水 | 不常用,僅用于實驗 |
放電式臭氧發生器(EDOG)
放電式臭氧發生器也叫無聲放電,應用高能量交互式電流作用氣體使氧氣分子電離。原料是氧氣或空氣,操作壓力可以是大氣壓也可以高一點(P=100-600Pa)。
目前,可應用于工業規模的放電式臭氧發生器種類繁多,其主要差別是:電暈元件幾何形狀、電源形式、散熱工藝和運行條件等。放電式臭氧發生器的分類及特點如表2所示。
表2:放電式臭氧發生器的分類及特點
分類方式 | 類別 | 組成及特點 | |
構造 | 板式(亦稱奧托板式) | 由平板式電極和介電體,僅用在少數小型臭氧發生器 | |
管式 | 臥管式(內玻璃管式、外玻璃管式) | 由特種玻璃管為介電體和不銹鋼管作電極組成放電單元主要用在醫院污水處理的臭氧發生器 | |
立管式(水冷立管式、油水雙立管式) | |||
網格式(勞澤板式) | 陶瓷材料作介電體,采用高頻電源,空氣冷卻,效率高 | ||
電源 | 工頻電源(50/60 Hz) | 固定頻率,電壓可調 | |
中頻電源(400-600 Hz) | 固定頻率,電壓可調 | ||
高頻電源(>1000Hz) | 頻率可調,電壓固定 |
臭氧發生系統除了臭氧放電單元(即發生器主體)外,還必須有供氣系統、空氣干燥系統、高壓電源、控制盤、冷卻系統。供給發生器的空氣必須經過過濾干燥,通常采用硅膠或分子篩作干燥劑。在空氣濕度大的地區或大型臭氧發生器還采用冷凍除濕系統。中小發生器采用變壓吸附再生除濕系統,使用兩個干燥柱,自動切換,連續除濕。大型臭氧發生器采用熱再生的干燥系統比較經濟。
臭氧發生器臭氧量與供給電壓、空氣壓力、空氣流量、濕度、空氣濕度等因素有關。一臺臭氧發生器主要是調節電壓和空氣流量來改變臭氧發生量的。
電解式臭氧發生器(ELOG)
電解式臭氧發生器是通過電源超純水產生臭氧。目前已經有幾個電解式臭氧發生器的制造商。一個電解池臭氧的生產能力在1-4gO3/h,在一個發生器里可以組裝幾個這樣的電解池。影響臭氧生產能力的主要因素有:電壓、電流和溫度等。
電解法臭氧發生器具有臭氧濃度高、成分純凈、在水中溶解度高的優勢,在醫療、食品工業及家庭等方面具有廣泛的前景。在降低成本與電耗條件下將與目前廣泛應用的放電法臭氧發生器形成激烈競爭。
3.臭氧的性質
一、臭氧的物理性質
臭氧是一種具有刺激性特殊氣味的不穩定氣體,分子結構如圖所示。它可在地球同溫層內光化學合成,但是在地平面上僅以極低濃度存在。
共振雜化分子的四種典型形
一種簡化的分子軌道圖
1.1 一般物理性質
在常溫下,臭氧為藍色氣體,不過在常溫下,藍色并不明顯,除非是相當厚的氣體。臭氧的主要物理性質列于表 1-1, 液體密度和蒸汽壓列于表 1-2 。
1-1 純臭氧的物理性質
熔點( 760mmHg)/℃-192.5±0.4氣體密度( 0℃)/(g/L)2.144沸點( 760mmHg)/℃-111.9±0.3蒸發熱( -112℃)/(J/L)316.8臨界溫度 /℃-12.1臨界密度 /(g/ml)0.437臨界壓力 /atm54.6固態臭氧密度( 77.4K)/(g/cm 3 )1.728臨界體積( cm 3 /mol)111液態熱容( 90~105K)/(cal/k)0.425+0.0014×(T-9)液態臭氧的粘滯度 77.6K(Pa.s)90.2K(Pa.s)0.004170.00156汽化熱-111.9℃-183℃1427715282表面張力( cyn/cm)①77.2K90.2K43.838.4生成熱氣體( 298.15k)液體( 90.15k)理想氣體( 0k)142.98125.60145.45等張比容( 90.2K)75.7生成自由能(氣體, 298.15k)162.82介電常數(液態 90.2k)4.79偶極距 /Debye(德拜)0.55磁化率( cm-g-s單位)氣體/液體0.002×10 -60.150 |
①1dyn=10 -3 N/m;1atm=101.325Pa;1cal=4.18J 。
表 1-2 臭氧的液體密度和蒸氣壓
溫度 /℃液體密度/(g/cm 3 )液體蒸氣壓/mmHg溫度 /℃液體密度 / ( g/cm3 )液體蒸氣壓/mmHg-1831.5740.11-1401.44274.2-1801.5660.21-1301.410190-1701.5351.41-1201.318427-1601.5046.75-1101.347865-1501.47324.3-1001.3161605 |
1.2 臭氧的溶解度
臭氧略溶于水,標準壓力和溫度下( STP ),其溶解度比氧大 13 倍(見表 1-3 ),比空氣大 25 倍。
表 1-3 臭氧在水中的溶解度(氣體分壓為 10 5 Pa ) /(ml/L)
氣體 | 密度( g/L) | 溫度 /℃ | |||
0 | 10 | 20 | 30 | ||
O 2 | 1.492 | 49.3 | 38.4 | 31.4 | 26.7 |
O 3 | 2.143 | 641 | 520 | 368 | 233 |
空氣 | 1.2928 | 28.8 | 23.6 | 18.7 | 16.1 |
將臭氧通入蒸餾水中,可以測出不同溫度、不同壓力下臭氧在水中的溶解度。圖 2-2 是在壓力為 1atm 時,純臭氧在水中的溶解度和溫度的關系曲線。從圖2-2 知,當溫度為 0℃ 時,純臭氧在水中的溶解度可達 2.858×10 -2 mol/L(1372mg/L).
臭氧和其他氣體一樣,在水中的溶解度符合亨利定律,即在一定溫度下,任何氣體溶解于已知液體中的質量,將與該氣體作用在液體上的分壓成正比,而亨利常數的大小只是溫度的函數,與濃度無關。
C=K H P (1-1)
式中 C -臭氧在水中的溶解度, mg/L ;
P -臭氧化空氣中臭氧的分壓, kPa ;
K H -亨利常數, mg/ ( L.kPa )。
從式( 1-1 )知,由于實際生產中采用的多是臭氧化空氣,其臭氧的分壓很小,故臭氧的溶解度遠遠小于表 1-3 中的數據。例如,用空氣為原料的臭氧發生器生產的臭氧化空氣,臭氧只占 0.6 %~ 1.2 %(體積)。根據氣態方程及道爾頓分壓定律知,臭氧的分壓也只有臭氧化空氣壓力的 0.6 %~ 1.2 %。因此,當水溫為 25℃ 時,將這種臭氧化空氣加入水中,臭氧的溶解度只有(0.625 ~ 1.458 ) ×10 -4 mol/L(3 ~ 7mg/L) 。
表 1-4 低濃度臭氧在水中的溶解度 /(mg/L)
氣體質量百分比含量 /%溫度 /℃05101520253018.317.396.55.64.293.532.71.512.4711.099.758.46.435.094.04216.6417.791311.198.577.055.39324.9222.1819.516.7912.8610.588.09 |
在一般水處理中,臭氧濃度較低,所以在水中的溶解度并不大。在較低濃度下,臭氧在水中的溶解度基本滿足亨利定律。低濃度臭氧在水中的溶解度見表 1-4 。
二、臭氧的化學性質
1. 臭氧的化學性質極不穩定,在空氣和水中都會慢慢分解成氧氣,其反應式為:
2O3 →3O2 + 285kJ ( 1-2 )
由于分解時放出大量熱量,故當其含量在 25 %以上時,很容易爆炸。但一般臭氧化空氣中臭氧的含量很難超過 10 %,在臭氧用于飲用水處理的較長歷史過程中,還沒有一例氧爆炸的事例。
含量為 1 %以下的臭氧,在常溫常壓的空氣中分解半衰期為 16h 左右。隨著溫度的升高,分解速度加快,溫度超過 100℃ 時,分解非常劇烈,達到 270℃ 高溫時,可立即轉化為氧氣。臭氧在水中的分解速度比空氣中快的多。在含有雜質的水溶液中臭氧迅速回復到形成它的氧氣。如水中臭氧濃度為 6.25×10 -5 mol/L(3mg/l) 時,其半衰期為 5 ~ 30min ,但在純水中分解速度較慢,如在蒸餾水或自來水中的半衰期大約是 20min ( 20℃ ),然而在二次蒸餾水中,經過 85min 后臭氧分解只有 10 %,若水溫接近 0℃ 時,臭氧會變得更加穩定。
臭氧在水中的分解速度隨水溫和 PH 值的提高而加快,圖 1-3 為 PH=7 時,水溫和分解速度的關系,圖 1-4 為 20℃ , PH 和分解速度的關系。
為提高臭氧利用率,水處理過程中要求臭氧分解得慢一些,而為了減輕臭氧對環境的污染,則要求處理后尾氣中的臭氧分解快一些。
2. 臭氧的氧化能力
臭氧得氧化能力極強,其氧化還原電位僅次于 F 2 ,在其應用中主要用這一特性。從表 1-5 中看出。
從表 1-5 可知,臭氧的標準電極電位除比氟低之外,比氧、氯、二氧化氯及高錳酸鉀等氧化劑都高。說明臭氧是常用氧化劑中氧化能力最強的。同時,臭氧反應后的生成物是氧氣,所以臭氧是高效的無二次污染的氧化劑。
表 1-5 氧化還原電位比較
名稱分子式標準電極電位 /mv名稱分子式標準電極電位 /mv氟F22.87二氧化氯ClO 21.50臭氧O32.07氯Cl 21.36過氧化氫H2O21.78氧O 21.23高錳酸鉀MnO4 -1.67 |
臭氧在水溶液中與有機物的反應極其復雜,下面僅以大家公認的幾種反應式列出以供參考。
⑴ 臭氧與烯烴類化合物的反應 臭氧容易與具有雙鏈的烯烴化合物發生反應,反應歷程描述如下:
式中 G 代表 OH 、 OCH3 、 OCCH3 等基。反應的最終產物可能是單體的、聚合的、或交錯的臭氧化物的混合體。臭氧化物分解成醛和酸。
⑵ 臭氧和芳香族化合物的反應 臭氧和芳香族化合物的反應較慢,在系列苯<萘<菲<嵌二萘<蒽中,其反應速度常數逐漸增大。其
⑶ 對核蛋白(氨基酸)系的反應
⑷ 對有機氨的氧化
臭氧在下列混合物的氧化順序為
鏈烯烴>胺>酚>多環芳香烴>醇>醛>鏈烷烴
c 、臭氧的毒性和腐蝕性
臭氧屬于有害氣體,濃度為 6.25×10 -6 mol/L(0.3mg/m3 ) 時,對眼、鼻、喉有刺激的感覺;濃度 (6.25-62.5)×10 -5 mol/L(3 ~30mg/m3 ) 時,出現頭疼及呼吸器官局部麻痹等癥 ; 臭氧濃度為 3.125×10 -4 ~ 1.25×10 -3 mol/L(15 ~ 60mg/m 3 ) 時 , 則對人體有危害。其毒性還和接觸時間有關,例如長期接觸 1.748×10 -7 mol/L(4ppm) 以下的臭氧會引起永久性心臟障礙,但接觸 20ppm 以下的臭氧不超過 2h ,對人體無永久性危害。因此,臭氧濃度的允許值定為 4.46×10 -9 mol/L(0.1ppm)8h. 由于臭氧的臭味很濃,濃度為 4.46×10 -9 mol/L(0.1ppm) 時,人們就感覺到,因此,世界上使用臭氧已有一百多年的歷史,至今也沒有發現一例因臭氧中毒而導致死亡的報道。
臭氧具有很強的氧化性,除了金和鉑外,臭氧化空氣幾乎對所有的金屬都有腐蝕作用。鋁、鋅、鉛與臭氧接觸會被強烈氧化,但含鉻鐵合金基本上不受臭氧腐蝕?;谶@一點,生產上常使用含 25 % Cr 的鉻鐵合金(不銹鋼)來制造臭氧發生設備和加注設備中與臭氧直接接觸的部件。
臭氧對非金屬材料也有了強烈的腐蝕作用,即使在別處使用得相當穩定得聚氯乙烯塑料濾板等,在臭氧加注設備中使用不久便見疏松、開裂和穿孔。在臭氧發生設備和計量設備中,不能用普通橡膠作密封材料,必須采用耐腐蝕能力強的硅橡膠或耐酸橡膠等。
臭氧的物理性質
在常溫常壓下,較低濃度的臭氧是無色氣體。當濃度達到15%時,呈現出淡藍色。臭氧可溶于水,在常溫常壓下臭氧在水中的溶解度比氧氣高約13倍,比空氣高25倍。但臭氧水溶液的穩定性受水中所含雜質的影響較大,特別是有金屬離子存在時,臭氧可迅速分解為氧氣,在純水中分解較慢。
臭氧的密度是2.14g.l(0°C,0.1MP)。沸點是-111°C,熔點是-192°C。臭氧分子結構是不穩定的,它在水中比在空氣中更容易自行分解。臭氧的主要物理性質列于表1-1。臭氧在不同溫度下的水中溶解度列于表1-2。臭氧雖然在水中的溶解度比氧大10倍,但是在實用上它的溶解度甚小,因為他遵守亨利定律,其溶解度與體系中的分壓和總壓成比例。臭氧在空氣中的含量極低,故分壓也極低,那就會迫使水中臭氧從水和空氣的界面上逸出,使水中臭氧濃度總是處于不斷降低狀態。
表1:臭氧的主要物理性質
項目 | 數值 | 項目 | 數值 |
分子量 | 47.99828 | 粘度(液態),Mpa.S在90.2時 | 1.56 |
熔點,°C | -192.7+(-)0.2 | 表面張力,Mn/m在77.2K時 | 43.8 |
沸點,°C | -111.9+(-)0.3 | 表面張力,Mn/m在90.2K時 | 38.4 |
臨界狀態 (溫度)/°C | -12.1+(-)0.1 | 等張比容(90.2K) | 75.7 |
臨界狀態 (壓力)/Mpa | 5.46 | 介電常數(液態,90.2K),F/m | 4.79 |
臨界狀態 (體積)/(cm3/mol) | 147.1 | 偶極距,C.m(D) | 1.84*10 (0.55) |
臨界狀態 (密)/(g/cm3) | 0.437 | 熱容(液態,90-150K),F/m | 1.778+0.0059(T-90) |
密度 氣態(0°C,0.1Mpa)/(g/l) | 2.144 | 摩爾氣化熱,在161.1K時 | 14277 |
密度 液態(90K)/(g/cm3) | 1.571 | 摩爾氣化熱,在90K時 | 15282 |
密度 固態(77.4K)/(g/cm3) | 1.728 | 摩爾生成熱,KJ/mol | -144 |
粘度(液態),Mpa.S在77.6K時 | 4.17 |
表2:臭氧在水中的溶解度
溫度,°C | 溶解度,g/l |
0 | 1.13 |
10 | 0.78 |
20 | 0.57 |
30 | 0.41 |
40 | 0.28 |
50 | 0.19 |
60 | 0.16 |
臭氧的化學性質
臭氧很不穩定,在常溫下即可分解為氧氣。臭氧、氯和二氧化氫的氧化勢(還原電位)分別是2.07、1.36、1.28伏特,可見臭氧在處理水中是氧化力量最強的一種。臭氧的氧化作用導致不飽和的有機分子的破裂。使臭氧分子結合在有機分子的雙鍵上,生成臭氧化物。臭氧化物的自發性分裂產生一個羧基化合物和帶有酸性和堿性基的兩性離子,后者是不穩定的,可分解成酸和醛。
臭氧與無機物反應
除鉑、金、銥、氟以外,臭氧幾乎可與元素周期表中的所有元素反應。臭氧可與K、Na反應生成氧化物或過氧化物,在臭氧化物中的陰離子O3實質上是游離基。臭氧可以將過渡金屬元素氧化到較高或最高氧化態,形成更難溶的氧化物,人們常利用此性質把污水中Fe2+、Mn2+及Pb、Ag、Cd、 Hg、Ni等重金屬離子除去。此外,可燃物在臭氧中燃燒比在氧氣中燃燒更加猛烈,可獲得更高的溫度。
臭氧與有機物反應
臭氧與有機物以三種不同的方式反應:一是普通化學反應;二是生成過氧化物;三是發生臭氧分解或生成臭氧化物。如有害物質二甲苯與臭氧反應后,生成無毒的水及二氧化碳。所謂臭氧分解是指臭氧在與極性有機化合物的反應,是在有機化合物原來的雙鍵的位置上發生反應,把其分子分裂為二。由于臭氧的氧化力極強,不但可以殺菌,而且還可以除去水中的色味等有機物,這是它的優點,然而它的自發性分解性、性能不穩,只能隨用隨生產,不適于儲存和輸送,這是它的缺點。當然,如果從凈化水和凈化空氣的角度來看,由于其分解快而沒有殘留物質存在,又可以說成是臭氧的一大優點。
臭氧與水中腐殖質反應
腐殖酸的結構含有很多孔穴,它們能截留或固定有機分子。如腐殖質能與金屬和殺蟲劑相互作用。他們還可能含有被截留在聚合的網絡中的揮發星芳香族化合物。這些化合物可能在化學氧化過程中釋放出來,導致TOC的增加或毒性的增加。所以為達到供應人們清潔、安全飲水的目的,去除原水中腐殖質是十分必要和重要的。
4.臭氧的用途
臭氧的應用
隨著水源污染的加劇和水質標準的提高,針對常規處理工藝的不足,臭氧技術正逐漸引起人們的關注,并逐步得到應用。臭氧的主要作用有:消毒、氧化有機物、去除氣味和顏色、去除顆粒。各方面資料表明,目前我國使用臭氧技術主要應用在飲用水消毒、游泳池水消毒、醫療業,還未得到廣泛的應用。
臭氧的主要應用領域
行業 | 應用 |
飲用水 | 自來水殺菌消毒;瓶裝、桶裝純凈水、礦泉水等飲用水消毒;高樓屋頂水箱的水質處理 |
城市污水處理 | 城市污水處理廠的深度處理 |
娛樂業 | 游泳池水質消毒;營業場所空氣凈化、環境的消毒 |
醫療業 | 病房、手術間的空氣消毒,醫療器械消毒,醫療廢水滅菌消毒處理、衣物的消毒 |
化工業 | 工業廢水、廢氣處理;能迅速分解廢水中的氰鉻鹽、酚等;有機染料的脫色 |
家電業 | 臭氧消毒洗滌器、臭氧洗衣機、臭氧消毒碗柜、臭氧洗碗機等 |
水處理
近年來,水資源短缺及其保護問題成為世界關注的熱點。據水文地理學家分析,目前地球上的淡水足以養活整個人類。產生水危機的主要原因是浪費、污染、用水分配不均和灌溉,其中約有5.5億立方米/年的水體被污染。作為高效殺菌、解毒劑的臭氧自然吸引了眾多的科學家研究將其應用于水資源污染處理及節約工業用水領域的技術。美國地下水技術公司在試驗用臭氧化技術處理土壤及地下水污染取得成功。該公司的試驗表明,臭氧化技術可以在幾個月內消除35-98%的有毒物質,而這些有毒物質用揮發、生物降解等傳統方法來處理則需幾年時間。有研究表明,用臭氧配合紫外線照射可以將工業廢水中有毒碳氫化合物氧化分解,同時去除重金屬離子。這種方法在染料業廢水處理中已取得95%的凈化率,比傳統方法提高25%。處理后的工業污水可以循環使用,避免了水土污染,節約了工業用水。在發達國家,臭氧技術在處理飲用水、海水淡化等方面也已獲得應用。
家電業
家電業是臭氧技術最廣泛應用的領域,其相關應用產品也將成為所有臭氧技術應用產品中市場最大的產品之一。因此,這一領域也成為世界各國最關注的臭氧技術應用領域,發展極為迅速。西方市場上前兩年開始涌現出大量臭氧型家電如臭氧冰箱,可使食品在冰箱內的保質期延長1-2倍,杜絕食品串味或腐化;臭氧型洗衣機可以洗凈除動植物脂肪以外的一切有機污垢,使洗凈度提高10%,且洗凈后不用漂洗;臭氧型空調不僅可以帶來清涼世界,還可以同時消除室內異味、病菌,給人們潔凈清新的空氣;此外還有臭氧型電風扇、抽油煙機等各種小家電。
臭氧在生活中的應用主要體現在以下幾方面:A.空氣的除毒、除臭、殺菌 B.飲用水消毒、解毒 C.廚房用具、餐具、兒童玩具、衣物等的殺菌消毒 D.魚肉、果蔬及其他食品的消毒、解毒、保鮮 E.易產生異味場所的除臭、殺菌消毒 F.治療某些皮膚病、消除口臭、促進傷口愈合等 G.美容
醫療業
醫院是治療疾病的地方,但是由于到醫院就診的人很大部分是危重患者,其炎癥正處于高峰時期,來自病人身上的有害病菌極易散發于空氣中。因此,醫院又是容易感染疾病的場所?,F在,由于到醫院就診引起交叉感染的事已司空見慣。醫院手術和護理操作前大夫或護士的雙手及手術器具的消毒問題也是亟待解決的課題之一。具有高效、迅速殺菌作用的臭氧在醫院環境消毒、術前消毒等方面大有用武之地。比如,日本科學家就研究過用于醫院的臭氧水消毒法。據其研究結果,用臭氧水對醫院手術前醫生、護士的雙手消毒,可殺死所有細菌,不僅時間極短,而且其消毒效果也是其他碘類消毒劑無法比擬的。傳統進行同樣的消毒操作至少需要10分鐘。在醫院中最易引起感染的黃色葡萄球菌和綠膿桿菌等在臭氧水中只需5秒鐘即可全部殺死,其殺菌力遠遠超過酒精和氯。而且臭氧水具有可靠的安全性,經常使用不會傷及肌膚,即使誤喝也不會中毒。
臭氧還可以用于治療。如俄羅斯研究出一種特殊的液壓液來治愈傷口,其基本方法就是在高壓下用霧狀富含臭氧的生理溶液沖洗傷口,水流就象手術刀一樣將傷口中的膿血、壞死組織及細菌分解物清除,同時殺死傷口表面的致病微生物。然后變換“臭氧刀”的結構,繼續增大液體的壓力,使臭氧化的溶液滲進發炎組織幾毫米至3厘米深,并增加氧氣,殺死更深層的致病細菌。據報道,用這種方法已治療過200例病人,他們都是一些糖尿病、膿毒病、血管動脈硬化及不宜施行通常外科手術的患者,結果這些病人的傷口全都完全愈合。
臭氧與其它消毒技術的比較
目前采用的消毒技術主要有:液氯、 臭氧、二氧化氯、紫外線。由于液氯消毒帶來的二次污染、以及余氯對人體的刺激使得沒有類似問題的其它消毒方法得到應用。其中,臭氧、紫外線和二氧化氯是新興的最為重要的消毒方法。各種消毒殺菌方法的效果和優缺點的比較如表所示。
項目 | 液氯 | 二氧化氯 | 紫外線 | 臭氧 |
需要處理時間 | 10~30分鐘 | 比液氯稍快 | 最小 | 5~10分鐘 |
對細菌的有效性 | 有 | 有 | 有 | 有 |
對病毒的有效性 | 有一些 | 有一些 | 有一些 | 有 |
設備投資 | 最低 | 比液氯高,比其它方法低許多 | 比臭氧高 | 液氯的5倍 |
運行費用 | 最低 | 比液氯高,比其他方法稍低 | 與臭氧類似 | 比液氯高 |
優點 | 1價廉 2技術成熟 3有保護性余氯 4有持續殺菌的能力 | 1價廉 2可現場制造,技術成熟 3有持續殺菌能力 | 殺菌效應快 | 1除色臭味快 2廣譜殺菌消毒,消毒效率是氯消毒的15倍 3無二次污染 |
缺點 | 1對病毒無效 2其氧化性對人體有害 3有刺激性氣味并損害人體皮膚 | 1對病毒無效 2氣態的二氧化氯是劇毒的化合物,對人體有害,且與液氯一樣會有致癌的二次污染物的產生 | 1價格貴 2無持續殺菌能力 3對水的前處理要求高 4穿透力弱 | 1價格貴 2無持續殺菌能力 3安全要求高 |
適合類型 | 所有類型的污水處理或給水處理 | 1所有類型的污水處理 2所有類型的給水處理 | 1不適合污水處理 2簡單空氣殺菌 | 1、 適合所有場合水處理的殺菌和消毒 2、 空氣消毒 3、 器械表面消毒 |
通過上表可以看出,在消毒殺菌的有效性方面,臭氧與紫外線差不多,但臭氧的應用范圍要比紫外線廣泛。在設備投資和運行費用方面,臭氧≈紫外線>二氧化氯>液氯。但根據對各種消毒方法的總體評價,臭氧是一種非常好殺菌消毒的方法。