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臭氧技术的发展及应用

2018/4/8 0:42:35      点击:

   臭氧作为千千万万既普遍而又特殊的一种化学物质,由于其自身的一些特性,如极强的氧化性、极优的消毒杀菌和防腐保鲜作用、无残留、以空气为原料用物理方法可以生产等,使其在全世界已形成了一种独立的产业——臭氧技术产业。
“臭氧”一词因“保护大气臭氧层”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。

一、臭氧的发现

  臭氧具有独特的腥臭味,最初人们正是根据这种气味而发现这种新物质的。1840年,德国科学家舒贝因向慕尼墨科学院提出的报告里宣布发现了臭氧。他依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,判定这种气味是一种新物质产生的,并对此新物质命名为“OZONE”—臭氧,该词是依据希腊语“OZein”(臭气)一词音译的。
  在臭氧被正式发现的60年里,各国科学家研究确定了臭氧为三个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试验。

  二、臭氧的性质

  臭氧O是氧气O的同素异形体,组成元素相同,构成形态相异,性质差异很大。氧与臭氧的主要物理性质对比见表1。
表1 氧和臭氧的主要性质


臭氧

分子式

分子量

32

48

一般情况下的形态

气态

气态

气味

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,0℃时的溶解度(mL/L水)

49.1

640

稳定性

稳定

易分解

1大气压,0℃时的密度(g/L)

1.429

2.144

以空气为基准时的密度

1.103

1.658

  臭氧的氧化能力很强,其氧化还原电位仅次于F

  三、臭氧应用技术的发展

  臭氧的应用基础是其极强的氧化能力与杀菌性能。早在19世纪,人们就认识到了臭氧的强氧化作用,发现臭氧对木材、稻草、淀粉、植物色素、天然橡胶、脂肪、动植物油与酒精等物质都有氧化作用。1868年德·格贝斯获得了臭氧应用技术的第一项专利,这项技术是利用臭氧将煤焦油混合物氧化为适于涂料、油漆使用的产品。1873年报导了臭氧在食糖精制和亚麻漂白方面的生产应用。一百年来臭氧应用已深入到多个领域,对生产技术发展作出了重大贡献。
  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,各领域的应用研究与适用设备开发都达到很高的水平。
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当前臭氧应用的最主要部门,自来水行业是臭的最大市场。
  随着水源受有机化学工业产物污染,氯消毒后会产生氯仿、二氯甲烷、四氯化碳等氯化有机物,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。

表2 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

可溶性铁和锰的氧化

氰化物

去配合有机结合锰(氧化)

硫化物

除色(氧化)

亚硝酸盐

除嗅、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

无烟煤

洗涤剂

粒状活性炭

农药


   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。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,池水清沏透明,彻底解决了氯消毒刺激眼睛、皮肤及使头发变黄的难题。

  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、香料工业。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。我国宜宾、上海、天津等香料厂利用臭氧代替高锰酸钾等氧化剂,产品质量提高、成本下降并减少了环境污染。我国一批高级香料合成提纯项目将采用臭氧工艺。
  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验证阶段。
  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。英国把臭氧与紫外线共同作用作为处理化学污染气体的优选技术,一些应用取得了很好的效果。我国的科研单位也成功地应用臭氧处理橡胶硫化生产的污染气体,净化了环境。
  臭氧可氧化分解芥子气等化学毒剂,作为化学战污染物品专用消毒设备的臭氧发生器获得全军科技进步二等奖。
  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。海军医学研究所对臭氧去除农药残留污染进行了深入研究,肯定了臭氧的良好作用。

  3.食品行业应用

  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、蛋白等食品的报导,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)1997年4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。

  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试验。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,如口腔手述和镶牙用臭氧水保持口腔无菌,采用臭氧与放射治疗合用冶疗癌症,喝臭氧水治疗妇女病,注射臭氧气体治疗瘘痔、静脉曲张等。
  保护环境是我国的基本国策,臭氧技术产品开发是保护环境、改善人民生活质量的重要手段。我们要用科学的态度和方法,宣传、推广臭氧技术与成果,屏弃损害臭氧名声、损害消费者利益的行为。共同携手,努力开发我国的臭氧技术产业。