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臭氧制备方式及臭氧在生活中的应用

臭氧的化学分子式为O3,常温、常压下无色,有特臭的气味,具有强氧化作用。氧气的同素异形体,每个分子由三个氧原子组成。当其存在于平流层时有助于?;さ厍蛏系纳锩馐茏贤庀叩纳撕?,而当其在地球表面附近时,是城市光化学烟雾的一种组分,对植被和人类有伤害作用。在常温下,它是一种有特殊臭味的蓝色气体,主要存在于距地球表面20公里的同温层下部的臭氧层中。

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气态臭氧厚层带蓝色,有刺激性腥臭气味,浓度高时与氯气气味相像;液态臭氧深蓝色,固态臭氧紫黑色。臭氧极易分解,很不稳定。它不溶于液态氧,四氯化碳等。有很强的氧化性,在常温下可将银氧化成氧化银,将硫化铅氧化成硫酸铅。臭氧可使许多有机色素脱色,侵蚀橡胶,很容易氧化有机不饱和化合物。

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臭氧对生产生活有着很重要的意义,那臭氧是如何制备的呢?大气中的臭氧主要来自于闪电或地面上某些有机物的氧化,实际应用的臭氧主要是采用电晕放电法、电解法与紫外线法等制备。

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其中的紫外线法是最早使用的制备臭氧的方法,通过紫外线照射干燥的氧气,一部分氧分子被激活离解成氧原子,进而形成臭氧。在紫外线照射氧气的过程中,既有使氧变成臭氧的波长,也有使臭氧分解的波长,因此臭氧的产量将取决于产生臭氧的波长与分解臭氧的波长量的比值。紫外线照射法重复性好,对温度不敏感,易通过光源控制改变臭氧产量,但无法用于大量生产臭氧,因此,对实验用以及其他少量低浓度要求的情况,如空气消毒、灭菌、除臭等还是合适的。

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另一个是电解法,它可以生产高浓度臭氧,但其能耗大,设备复杂,电解液均为水内填加酸、盐类电解质,对设备耐腐蚀程度要求高。其反应原理如下:SO42-SO4+2?e  3SO4+H2O3H2SO4+O3?  近年来,经过人们对极板材料、机理、电解过程等方面的大量研究,电解法制臭氧技术有了很大提高。此外,臭氧的制备还有放射法、等离子流法等,但现在工业上应用最常见的还是介质阻挡放电法。

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相对各种制备方法而言,电晕放电法较为经济,工业用臭氧大多由此产生。电晕放电法又可分为极问直接放电、无声放电和沿面放电等形式。沿面电晕放电具有起始电压低、击穿电压高,放电通道更有利于臭氧的形成及扩散,产生臭氧的效率高,可控性好等优点,是近年来臭氧生产研究的主要方向。电晕放电法臭氧发生器生产臭氧是一个极为复杂的过程,包括发生在放电通道中的一系列物理化学反应,可用三个步骤来概括

①高能粒子的产生在强电场的作用下放电管中会产生具有一定能量的电子,电子能量分配与每次微放电发生时放电管两端所加电场强度有关,电子的能量分配应控制在适量的范围内将有利于臭氧的生成。资料表明,电子能量在28.4eV时,会加速臭氧的分解反应的进行,大大降低臭氧生产效率;当电子的能量大于8.4eV时,有利于臭氧生成反应,在放电区间内应尽可能提高这部分电子的含量;

②氧原子的产生具有一定能量的电子与氧分子碰撞引起氧气分子解离,产生氧原子:e+o22O+?(1);

③臭氧的生成具有一定能量的氧原子和氧气分子碰撞,反应生臭氧:O+0?+M03+M?(2)其中:M表示参与反应的中间物质。在臭氧生产过程中还存在着一些副反应,如:臭氧分子和其他粒子发生碰撞、发生分解反应或和其他物质发生氧化还原反应。0+03202?(3)??03+e一一O+O?+e(4)e+O+M0+M?(5)上面的反应仅为臭氧生产过程中的几个典型的代表,实际臭氧生产中过程都包含很多复杂的物理化学反应。

(1)式中,电源的选取会直接影响到放电通道的特性,决定着放电通道中粒子问的能量分配。电源的选取还会影响到后面发生的一系列复杂化学反应的条件,从而在一定程度上影响臭氧生产的效率,电源的频率和电压是影响臭氧发生器生产效率非常重要的因素。臭氧的产生效率在一定范围内会随着电源频率的升高而增大,这是因放电的电能密度随着频率的升高而增大,而电能密度的增大有利于氧原子的解离,在一定的范围内有利于提高臭氧产生效率。放电通道中电子的能量分布还将影响到放电通道中氧原子浓度。由于氧原子不单参与与氧气分子结合产生臭氧的反应,还要和其他粒子碰撞发生副反应,如与电子结合成负氧离子消耗能量、与臭氧分子碰撞引起其分解、与电极和介电体表面发生碰撞消耗能量,如式(3)(5)等,所以,氧原子的相对浓度并非越高越好,而是有最优值。氧原子浓度和放电通道的能量分布有直接的关系,为了提高臭氧生产效率应该设计适合的放电强度。臭氧 分解反应的激烈程度主要取决于温度和微放电时的初始臭氧浓度。当放电达到一定强度时,臭氧的分解反应会十分活跃,很大程度上降低臭氧生产效率。一个理想的放电通道应该具有较短的持续时问,合适的强度,每一次放电产生的臭氧应能够及时输送到放电通道以外。放电通道的温度也应该控制在合理的范围,以抑制臭氧的分解反应。

 

臭氧可氧化重金属元素为不溶于水的化合物如铁、锰、铝、铜、锡、金、银,使其沉淀除去,因而臭氧在水处理领域中有着广泛的应用。

 

臭氧代替氯系作自来水消毒剂。氯能有效杀灭水中细菌,但氯也能与水中有机物形成致癌的三卤甲烷及其他卤化物。研究表明,臭氧不仅具有很强的消毒杀菌作用,还可以氧化去除水中的微污染物质,氧化较为彻底,较少产生副产物,基于臭氧的强氧化性且可在水中短时间内自行分解,没有二次污染,因此,臭氧是理想的绿色氧化药剂。臭氧无论在酸性或碱性条件下都具有强氧化性,能将水中的二价铁、锰等及其他金属离子氧化成三价铁及高价锰等,使溶解性的铁、锰变成固态物质,以便通过沉淀和过滤除去。臭氧杀菌效果好,速度快,而且对消灭病毒非常有效。臭氧处理含氰废水及其他工业废水臭氧不仅在处理自来水方面有突出的优点,在处理工业污水中也非常有效,如常规的水处理方法对氰化物的去除效果不大,而臭氧则能很容易地将氰化物氧化成毒性小100?的氰酸盐。在降解污染物上,虽然臭氧能氧化降解大多数的无机、有机物,但也不是“万能药剂”,如臭氧能使一般的氰络合盐及氰化物快速分解,但处理铁氰络合盐则比较困 难。臭氧能有效地氧化生物难降解的有机物,但当臭氧浓度过低时,对这些生物难降解有机物的处理效果也不甚理想。

 

臭氧在医药工业中也有独特的应用价值。医药工业获得无菌药品生产环境的方法,大致可分为两大类:灭菌和除菌。医药工业应用的除菌、除尘方法往往不是单一的,而是灭、除两者的结合。应用臭氧消毒灭菌则是医药工业的优选方法。臭氧具有消毒灭菌力强、不产生残余污染的优越性能,在发达国家已被广泛地应用于医药、电子、化工、光学等工业和生物制品、遗传工程、食品饮料生产、远洋运输等诸多领域(氧负离子发生器、双氧水蒸发器、负氧机等设备)。制药、生物制品、遗传工程等行业可以利用臭氧对无菌生产环境消毒灭菌、净化空气;可以对生产设备、模具、工具、容器、反应釜贮罐和输液、输料、输气管道进行消毒;也可以对生产原辅材料、包装材料、工作服等进行消毒。

 

臭氧净化空气时,主要是杀灭空气中细菌病毒、消除臭味。一般在20M2的室内开臭氧机15分钟或闻到臭氧气味后?;?,就可达到灭菌、消除异味的效果。新装修的室内散发的苯、甲醛、油漆等怪味;厨房中油烟味、泄漏的煤气;舞厅、卡拉OK室、宾馆客房、包厢、会议室、车厢内等地方都可净化,以便消除异味。医院的病房用上臭氧消毒净化器。不但消除雷素、福米林等化学消毒剂恼人的气味,而且杀灭各种细菌病毒,避免交叉感染;改善空气质量,为病人创造健康的环境。

 

臭氧对水果蔬菜杀毒保鲜也有重要应用。水果蔬菜保鲜、消除表面残留农药将水果装进塑料袋,把胶管伸到袋中扎上袋囗,装二三公斤的水果,充臭氧510分钟,可大大地延长水果新鲜期?;蛘呓卟朔旁谒?,把爆气头伸到底下爆臭氧510分钟,消除表面残留农药?;褂惺夷诘墓凵突?、鲜花店中的鲜花用臭氧水喷洒或浇灌,枝叶更青翠、花朵更鲜艳、花期更长久。

 

臭氧还可以降解肉类食品中的激素、抗生素等对人体有危害的东西。猪、鸡肉中激素及抗生素含量很高,可将肉类食品泡在水中,把爆气头放在下方爆臭氧520分钟,经臭氧降解后的肉即香又鲜。

 

臭氧氧化水处理技术在彻底去除水中无机和有机污染物、对环境不造成二次污染、实现可持续发展上有着突出的优点,特别是当水中含有重金属离子及其他技术难降解的有机物时,尤其我们现在重视自身环境,更重视微污染物的危害时,有着更明显的优势。最近,材料技术的进步,以及高浓度臭氧生产技术的开发,使臭氧氧化技术在水净化领域及其他领域有着良好的发展前景和社会效益,人们正向环境时代的迈进,而臭氧必将成为支撑的技术之一。


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