臭氧的原理.doc

臭氧的原理 一、自然界中臭氧的形成 自然界中的臭氧，大多分布在距地面20Km-50Km的大氣中，我們稱之為臭氧層。臭氧層中的臭氧主要是 紫外線制造出來的。大家知道，太陽光線中的紫外線分為長波和短波兩種，當(dāng)大氣中（含有21%）的氧氣分子受到短波紫外線照射時(shí)，氧分子會(huì)分解成原子狀態(tài)。氧原子的不穩(wěn)定性極強(qiáng)，極易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。如與氫（H2）反應(yīng)生成水（H2O)，與碳（C）反應(yīng)生成二氧化碳（C02）。同樣的，與氧分子（O2）反應(yīng)時(shí)，就形成了臭氧（O3）。臭氧形成后，由于其比重大于氧氣，會(huì)逐漸的向臭氧層的底層降落，在降落過程中隨著溫度的變化（上升），臭氧不穩(wěn)定性愈趨明顯，再受到長波紫外線的照射，再度還原為氧。臭氧層就是保持了這種氧氣與臭氧相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)平衡。 在這么廣大的區(qū)域內(nèi)到底有多少臭氧呢？估計(jì)小于大氣的十萬分之一。如果把大氣中所有的臭氧集中在一起，僅僅有三公分薄的一層。那么，地球表面是否有臭氧存在呢？回答是肯定的。太陽的紫外線大概有近1%部分可達(dá)地面。尤其是在大氣污染較輕的森林、山間、海岸周圍的紫外線較多，存在比較豐富的臭氧。二、臭氧的物理性質(zhì) 在常溫常壓下，較低濃度的臭氧是無色氣體。當(dāng)濃度達(dá)到15%時(shí)，呈現(xiàn)出淡藍(lán)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(wěn)定性受水中所含雜質(zhì)的影響較大，特別是有金屬離子存在時(shí)，臭氧可迅速分解為氧氣。在純水中分解較慢。 臭氧的密度是2.14gl（0C,0.1MP），沸點(diǎn)是-111C，熔點(diǎn)是-192C。臭氧分子結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)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(zhì)列于表1。臭氧雖然在水中的溶解度比氧大10倍，但是在實(shí)用上它的溶解度甚小，因?yàn)樗袷睾嗬?，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(huì)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(tài)。 三、臭氧的化學(xué)性質(zhì) 臭氧很不穩(wěn)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。臭氧的氧化作用導(dǎo)致不飽和的有機(jī)分子的破裂，使臭氧分子結(jié)合在有機(jī)分子的雙鍵上，生成臭氧化物。臭氧化物的自發(fā)性分裂產(chǎn)生一個(gè)羧基化合物和帶有酸性和堿性基的兩性離子，后者是不穩(wěn)定的，可分解成酸和醛 四、臭氧與無機(jī)物反應(yīng) 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(yīng)。臭氧可與K、Na反應(yīng)生成氧化物或過氧化物，在臭氧化物中的陰離子O3實(shí)質(zhì)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(tài)，形成更難溶的氧化物，人們常利用此性質(zhì)把污水中的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。 五、臭氧的基本應(yīng)用 1、殺菌消毒 研究表明，臭氧是廣譜、高效、快速殺菌劑，它可迅速殺滅使人和動(dòng)物致病的各種病菌、病毒及微生物。臭氧是一種氧化性非常強(qiáng)的物質(zhì)，其氧化還原電位僅次于F2 。利用它的氧化性，可以在較短時(shí)間內(nèi)破壞細(xì)菌、病毒和其他微生物的生物結(jié)構(gòu)，使之失去生存能力。利用氧化性來殺死微生物以達(dá)到滅菌效果的化合物還有很多，比如常見的氯氣、漂白粉、高錳酸鉀等。但是，這些殺菌劑不但比臭氧殺菌速度慢，而且一般的殺菌劑對人體有害。臭氧與一般殺菌劑有不同，因?yàn)槎嘤嗟某粞蹩梢院芸旆纸獬裳鯕猓鯕鈱θ梭w有益無害。 臭氧的殺菌效果與氧乙酸相當(dāng)，強(qiáng)于甲醛、殺菌力比氯高一倍。與一般殺菌劑進(jìn)行性、積累性的殺菌消毒功能不同的是臭氧的殺菌作用是急速的，當(dāng)其濃度超過一定閾值后，消毒殺菌甚至可以瞬間完成。濕度的提高及溫度的降低可增強(qiáng)臭氧的消毒作用。 利用臭氧殺菌消毒沒有二次污染，在處理過的水、空氣、食品、器具中不殘存任何有害物質(zhì)，這也是其他殺菌劑無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。 2、除臭、除異味 自然界引起臭味與腐敗味的主要成分是氨、硫化氫、甲硫醇、二甲硫化物、二甲二硫化物等，臭氧可以與它們發(fā)生化學(xué)反應(yīng)將其氧化分解為無毒、無臭的物質(zhì)，從而達(dá)到除臭的效果。 3、解毒 臭氧能通過氧化反應(yīng)有效去除有毒氣體如CO、NO、SO2、芥子氣等。溶于水中的臭氧可氧化、分解從而有效去除水中的有毒物質(zhì)如重金屬離子、有機(jī)毒物、氰化物、硫化物以及敵敵畏、氧化樂果、馬拉硫酸等農(nóng)藥。臭氧用于水消毒可以大大降低自來水中鹵代烴等有機(jī)致癌物質(zhì)。 4、防腐保鮮 由于其對細(xì)菌、微生物強(qiáng)烈的殺滅作用，用臭氧水處理魚肉類及其他食品可以達(dá)到防腐、消除異味、保鮮的功效。在臭氧產(chǎn)生的同時(shí)還可以產(chǎn)生大量負(fù)離子氧，在空氣中有些負(fù)離子可有效抑制果蔬的呼吸作用，延緩其代謝過程。同時(shí)，臭氧可以殺滅引起果蔬腐爛的病原菌，分解果蔬貯藏過程中產(chǎn)生的具有催熟作用的代謝廢物如乙烯、醇類、醛類、芳香類等物質(zhì)。這樣，在臭氧與負(fù)離子的作用下抑制了果蔬的新陳代謝及微生物病原菌的滋生蔓延從而延緩其后熟衰老、防止其腐爛變質(zhì)，達(dá)到保鮮的效果。有研究表明，臭氧可使食品、飲料和果蔬的貯藏期延長3-10倍。 六、臭氧作用機(jī)理 1、殺滅微生物的機(jī)理 Roy等以PV1作為模型病毒，研究了臭氧對腸道病毒的滅活機(jī)理。結(jié)果證明，臭氧可破壞病毒衣殼蛋白的四條多肽鏈，并使RNA受到損傷。Mudd報(bào)道，臭氧和對其敏感的氨基酸娥基（半胱氨酸殘基、色氨酸殘基、蛋氨酸殘基）發(fā)生反應(yīng)可直接破壞蛋白質(zhì)。Kim等報(bào)告，臭氧作用過程中,可使噬菌體中RNA被釋放出來，電鏡觀察還可見噬菌體被斷裂成小的碎片。Christensen等報(bào)告,嘌吟和嘧啶經(jīng)臭氧作用后紫外吸收發(fā)生改變。有人還認(rèn)為臭氧可與細(xì)菌細(xì)胞壁脂類雙鍵反應(yīng)，穿入菌體內(nèi)部，作用于脂蛋白和脂多糖，改變細(xì)胞的通透性，從而導(dǎo)致細(xì)胞溶解、死亡。 2、除臭機(jī)理 臭氧去除異味性能極好。依靠其強(qiáng)氧化性能可快速分解產(chǎn)生臭味及其它氣味的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)，臭味的主要成分是胺R3N、硫化氫H2S，甲硫醇CH3SH等。臭氧對其氧化分解，生成物沒有氣味。反應(yīng)式如下： R3N+O3R3N-O+O2 H2O+O3S+H2O+O2 SO2+H2O CH3SH+O3CH3-S-S-CH3 -CH3-SO3H+O2 3、水果保鮮機(jī)理 臭氧在蔬菜水果儲(chǔ)藏中的應(yīng)用除了具有殺滅或抑制霉菌生長防止腐爛作用之外，還具有防止老化保鮮作用，其機(jī)理是臭氧可以氧