臭氧及其在各行业的应用简述

1臭氧及其在各行业的应用简述摘要：臭氧是氧的同素异形体，有强氧化性，在消毒、灭菌方面应用广泛。本文简要概述了臭氧的基本理化特性，臭氧的产生，危害，浓度检测以及在各行业的应用。关键词：臭氧，消毒，灭菌，应用中图分类号：X5臭氧是地球大气中一种微量气体，大气中90％以上的臭氧存在于平流层，离地面10～50千米，即大气臭氧层，还有少部分的臭氧徘徊在近地面。近年发现地面大气中的臭氧浓度有快速增高的趋势，其主要源于人类活动，汽车、燃料、石化等是臭氧的重要污染源。随着汽车和工业排放的增加，臭氧已成为欧美、日本以及我国的许多城市中影响空气质量的主要污染物。1.臭氧的理化特性臭氧（ozone，O3），是氧的同素异形体，是一种淡蓝色气体，液态呈深蓝色，固态紫黑色，有特殊臭味。臭氧密度为2.14g/L(0℃,0.1MP)，是氧气的1.5倍，在水中的溶解度是氧气的10倍，空气的25倍。沸点是-111℃，熔点是-192℃。臭氧很不稳定，在常温下即可分解为氧气，200℃时迅速分解；在冰中极为稳定，其半衰期为2000年。臭氧的氧化能力极强，对除金和铂外的几乎所有金属都有腐蚀作用，铝、锌、铅与臭氧接触会被强烈氧化；臭氧对非金属材料也有强烈的腐蚀作用，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。2.臭氧的产生臭氧的产生源于人类活动，汽车、燃料、石化等是臭氧的重要污染源。臭氧是光化学烟雾的主要成分，它不是被直接排放的，而是转化而成的，比如汽车排放的氮氧化物，只要在阳光辐射及适合的气象条件下就可以生成臭氧。人工用臭氧是用干燥空气或氧气作原料，通过放电法制得；也可以用电解法，将水电解变成氧元素，然后使其中的自由氧变成臭氧。工业上，也用放电法，或在低温下电解稀硫酸，或将液体氧气加热都可制得臭氧[1]。3.臭氧的危害臭氧对人体有毒，原因在于臭氧作为强氧化剂几乎能与任何生物组织反应。当臭氧被吸入呼吸道时，就会与呼吸道中的细胞、流体和组织反应，导致肺功能减弱和组织损伤。当臭氧浓度为0.3ppm时，能导致人皮肤刺痒，眼、鼻、喉受刺激；浓度为3～30ppm时，出现头疼及咳嗽、气短和胸痛等症状；浓度为15～60ppm时，会破坏人体的免疫机能，诱发淋巴细胞染色体病变，加速衰老，致使孕妇生畸形儿。其毒性还和接触时间有关，例如长期接触24ppm以下的臭氧会引起永久性心脏障碍，但接触20ppm以下的臭氧不超过2h，对人体无永久性危害。臭氧浓度的允许值为0.1ppm。事实上安全使用0.1ppm臭氧完全可以保证人的健康不受危害，相反，在呼吸0.1ppm以下浓度臭氧时，对人体会有保健作用[2]。地表臭氧除了对人体有损害，对农作物或森林也有害[3]，达到一定的浓度时还会造成环境污染。我国规定在居住环境，臭氧浓度超过0.15ppm时就构成空气污染；在作业场所，臭氧浓度超过0.2ppm时就构成污染。4.臭氧浓度检测测量臭氧在空气中及在水中的含量主要有化学分析法、物理分析法、物理化学分析法三类[4]。4.1化学分析法4.1.1碘量法臭氧使碘化钾溶液中的碘游离出来而显色，然后用硫代硫酸钠滴定还原至无色，以消耗的硫代硫酸钠量计算臭氧浓度。此法显色直观，设备便宜，缺点是易受其氧化剂如NO、Cl2等物质的干扰，在重要检测时应减除其它氧化物质的影响。4.1.2比色法比色法是利用臭氧对化学试剂反应发生的显色或脱色反应确定臭氧浓度。它可用碘化钾、邻联甲苯胺或靛蓝染料等多种化学物质，可直接肉眼观察与标准色管或比色盘比较，也可用分光光度计检测。4.2物理分析法主要是紫外吸收法[5]。利用臭氧对波长λ=254nm紫外光的最大吸收值，使紫外光在臭氧气氛中衰减，再经光电元件，电子电路，数据处理，数模转换得到数据输出，此方法精确，可连续在线测量。已被美国等先进工业国家选为标准方法，但该仪器价格较贵，一般作为生产、科研单位使用。4.3物理化学分析法靛蓝二磺酸钠（简称IDS）分光光度法[6]。其原理是臭氧与多孔玻板吸收管中的蓝色IDS吸收液反应，生成的产物用分光光度计在610nm处测定吸光度，通过计算得出臭氧浓度。这种方法操作比较复杂，用于检测环境中臭氧浓度或作为基准用来标定物理方法仪器（低浓度）。IDS法也被定为国家标准用来测定环境中的臭氧浓度（HJ504-2009）。5臭氧的应用臭氧可以清除和杀灭空气、水、食物中的有毒物质和细菌，可除异味，在消毒、灭菌过程中仅产生无毒的氧化物，多余的臭氧最终还原为氧，在被消毒物品上无残留，无二次污染，3因此广泛应用于各种行业的消毒灭菌。5.1臭氧在水处理中的应用5.1.1臭氧在饮用水中的应用在饮用水中采用生物接触氧化预处理和臭氧－活性炭联用技术[7]可以有化学氧化、物理吸附与生物降解三方面的作用，活性炭还可以有效的脱色、除味、除浊，是目前国际上最常用、最成熟的去除水中有机物的技术。应用臭氧对饮用水进行消毒，当水中臭氧的浓度达到0.5mg/L时，作用5分钟可将水中的细菌全部杀灭；可以降低耗氧量CODMn到2mg/L以下，降低色度到5度以下，降低氨氮到0.5mg/L以下，并大幅度降低了水中的三致物质，增加了水中的溶解氧、活性氧，改善了嗅味和口感。5.1.2臭氧在游泳池水中的应用游泳池常用的消毒方法为氯化消毒和臭氧消毒[8]。臭氧是国际公认的绿色环保型杀菌消毒剂，消毒效率高，对各种病毒、细菌均有很强的杀灭能力；臭氧是强氧化剂，对降解各种有机物、除味、脱色、改善水质效果极佳，不改变水的自然性质。在水中不产生持久残余，没有二次污染。但臭氧不易溶于水中，且不稳定，故其无持续消毒功能，应设置氯消毒与其配合使用，5.1.3臭氧在污水中的应用臭氧化法可应用于微污染源水深度处理、印染废水、含酚废水、农药废水、造纸废水、表面活性剂废水、石油化工废水等的处理，还可用于电镀废水、食品加工废水、制革废水等多种工业废水[9-14]的处理。主要有以下几种工艺类型：O3+生物活性炭法，O3+絮凝法，O3+活性污泥法，O3+膜处理法，O3+超声波法等。采用纤维TiO2作催化剂的O3+UV催化氧化对有机磷农药和含氮有机物去除率大于92％。对含低浓度染料的印染废水，臭氧化可以有效去除水的色度和浑浊度；对含中高浓度染料的印染废水，应用臭氧化加PAC絮凝处理，可以将去除率提高到70％。臭氧化与活性污泥法、UV等联合使用对农药成分及COD等去除率均达到了95％以上，有的甚至可以达到99％以上。臭氧可以氧化造纸废水中所含的70％～75％有机物，木质素氧化为易被生物降解的衍生物，用O3+UV处理含表面活性剂NIT的废水，COD去除率为41.8％，NIT去除率为97.9％，石油化工废水经臭氧化处理后可将含油量降至痕量并将其分子结构全部破坏。5.2臭氧在养殖中的应用5.2.1臭氧在水产养殖中的应用臭氧是水产养殖和育苗生产中最理想的杀菌净化剂[15-17]。应用臭氧技术净化育苗水源，4不但起到杀菌消毒分解污染物的作用，不产生二次污染，而且使水体增氧，对防治鱼、虾、海胆、河蟹、甲鱼等生物病害，改善水产养殖的生态环境，有着重要的意义。通过臭氧杀菌装置可对生物卵消毒，养殖水杀菌，设施消毒，可以防止病原体的侵入，同时也改变了幼苗肠道微生态环境、在幼苗肠道内减少了寄生菌数量，减少了幼苗营养消耗；还使有益菌分泌的淀粉酶活性增强，提高了幼苗对食物营养成分的利用率，促使幼苗健康生长，大大提高鱼、虾、贝类育苗的成活率，促进生长，提高产量，还可以避免水质恶化和池底污染。5.2.2臭氧在禽类养殖中的应用应用臭氧技术进行杀菌、消毒、净化，是现代禽类养殖场[18-19]普遍采用的技术。养禽场应用臭氧技术有两方面：一是利用臭氧给舍内杀菌、消毒、净化空气，二是定时饲喂臭氧水，能有效预防如雌鸡白痢等肠道疾病。臭氧充注到禽舍内，首先与禽类排泄物所散发的异臭进行分解反应，当异臭去除到稍闻到臭氧味时，舍内空间的大肠杆菌、葡萄球菌及新城疫、鸡霍乱、禽流感等病毒基本随之杀灭。给禽类饮用臭氧水，可改变禽类肠道微生态环境，提高禽类尤其是幼禽对饲料营养的利用率，促使禽类健康生长。5.3臭氧在食品行业中的应用臭氧杀菌浓度为ppm级，作用于食品表面只产生极微弱的氧化作用，不足以影响食品内在物质变化，对营养成分基本无影响，因此臭氧在食品工业有独特的应用。冷库的生物污染源主要是霉菌，臭氧浓度6-10ppm，封库24小时以上，细菌杀灭率90％左右，霉菌杀灭率80％左右；48小时后微生物数量还在不断下降。对于冷库中储存的食品，如苹果、柑橘、草莓、各类蔬菜、鸡蛋、干果等，可以实现带货消毒、杀菌、除霉，延长食品的保鲜期[20]。臭氧在食品新式包装的应用[21]上有重要意义。由于气体置换包装、真空包装、封入脱氧剂包装和封入粉末酒精剂包装的普及，出现了由酵母菌引起的食品腐败变质的新问题。由于臭氧对酵母菌有较好的杀伤作用，因此，在采用以上新式包装时充填臭氧成了解决这一问题的重要手段。臭氧对解决固体食品生产过程中细菌的二次污染也有特殊作用，在面条、豆沙、咸菜、豆腐等食品加工时，车间杀菌、包装内封入臭氧杀菌和原料杀菌成了非常有效的食品卫生手段。臭氧在矿泉水、汽水、果汁等生产过程中用的盛装容器、管路、设备等的灭菌消毒应用方面，也取得了很好的效果。5.4臭氧在医药、医疗行业中的应用5.4.1臭氧在医药行业中的应用臭氧在医药行业的应用主要有几个方面：GMP车间及设备、器具表面的杀菌消毒；中央空调系统杀菌消毒；更衣室和工作服杀菌消毒；生产加工用水的杀菌净化；制备高浓度的臭氧消毒液。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5空气；可以对生产设备、模具、工具、容器、反应贮罐和输液、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[22-24]。5.4.2臭氧在医疗行业中的应用臭氧具有：杀菌、解毒、保鲜、除臭、漂白、消炎、镇痛、造氧、净化空气、活化细胞、促进新陈代谢等功能。例如：臭氧对人体的泌尿系统、消化系统、口腔卫生、内分泌系统、解毒系统以及呼吸系统都可以调整到最佳状况。目前医用臭氧在临床上可以广泛治疗内、外、妇、儿、口腔等诸多疾患，并取得了很好的治疗效果[25-30]。5.5臭氧在其他行业中的应用工业氧化催化应用臭氧，最常见的是药物或香料工业，臭氧氧化、催化是其重要环节。造纸行业在用于纸浆漂白时，与水处理工艺相结合。另外航天材料如碳纤维等都必须用臭氧氧化，以提高其柔韧性和强度。其它如纺织行业毛制品原料的脱色、去污也有不少使用臭氧。臭氧可以氧化分解水中的污染物，在水处理中对除嗅味、脱色、杀菌、去除酚、氰、铁、锰和降低COD、BOD5等都具有显著的效果。臭氧消毒后自行分解为氧气，无异味、无污染，而且消毒全面、效果好，在各个行业中广泛应用。参考文献：[1]严小平,强弘.臭氧的产生技术及应用[J].浙江树人大学学报：自然科学版，2006，1：33-37.[2]孔琴心,刘广仁,李桂忱.近地面臭氧浓度变化及其对人体健康的可能影响[J].气候与环境研究,1999,1:61-66.[3]董文霞,陈宗懋.大气臭氧浓度升高对植物及其昆虫的影响[J].生态学报,2006,11：3878-3884.[4]石晓荣,朱天宇,陈家财.水中臭氧浓度的检测方法[J].河海大学常州分校学报,2007,1：48-52.[5]环境空气质量用紫外线光度测量法测量臭氧浓度的标准方法[S].英国标准学会,BSEN14625-2005（国外标准）.[6]环境空气臭氧的测定靛蓝二磺酸钠分光光度法[S].中华人民共和国环境保护部,HJ504-2009（国家标准）.[7]胡志光,昌晶,常爱玲等.臭氧生物活性炭法在饮用水深度处理中的试验研究[J].华北电力大学学报,2006,1：98-102.[8]张速成.臭氧消毒在游泳池水处理中的应用[J].中国科技信息,2006,5：141.[9]沈运跃,曾鸿鹄.臭氧协同活性炭纤维与硫酸铝混凝处理微污染源水研究[J].水处理技术,2009,1：94-96.[10]尹宇鹏,任永强.臭氧生物活性炭工艺深度处理微污染源水[J].环境科学与技术,2009,7：125-