臭氧常用基礎知識和常用數值

時間:2014-11-26 17:33:45

作者:佳環臭氧來源于:佳環臭氧官網

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常用臭氧數據

　　1、臭氧發生器的規格是按照臭氧產生量的多少劃分的。臭氧產量的單位是mg/h或g/h（毫克/小時或克/小時），即臭氧發生器工作1小時能夠產生多少重量單位的臭氧。

　　2、臭氧在空氣中的濃度單位是ppm或mg/m3；臭氧在水中的濃度單位是ppm或mg/L。換算方法：在空氣中時1ppm﹦2 mg/m3；在水中時，1ppm﹦1mg/L。

　　3、臭氧在大氣中達到一定的濃度時就會造成環境污染。我國規定：在居住環境，臭氧濃度超過0.1mg/m3時就構成空氣污染；在作業場所，臭氧濃度超過0.2mg/m3時就構成污染。

　　4、空氣中的臭氧濃度達到0.01-0.02mg/m3時，人即可嗅知。

　　5、在對食品廠、化妝品廠、生產車間、庫房等場所進行消毒時，空氣中的臭氧濃度需達到10-20 mg/m3，并且要密閉作用30分鐘的時間。消毒時人不可在現場。

　　6、常壓混合條件下，瓶裝純凈水用臭氧消毒時，通常1m3/h水需使用3g臭氧，并且水中臭氧濃度需≥0.3mg/L；對瓶裝礦泉水臭氧消毒時，通常1m3/h水需使用6g臭氧，并且水中臭氧濃度需≥0.5mg/L。

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。 

　　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 /atm 54.6 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) 0.00417

　　0.00156 汽化熱

　　-111.9℃

　　-183℃ 14277

　　15282

　　表面張力（ cyn/cm）①

　　77.2K

　　90.2K 43.8

　　38.4 生成熱

　　氣體（ 298.15k）

　　液體（ 90.15k）

　　理想氣體（ 0k） 142.98

　　125.60

　　145.45

　　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 -6

　　0.150 

　　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

　　-183 1.574 0.11 -140 1.442 74.2

　　-180 1.566 0.21 -130 1.410 190

　　-170 1.535 1.41 -120 1.318 427

　　-160 1.504 6.75 -110 1.347 865

　　-150 1.473 24.3 -100 1.316 1605

　　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 /℃

　　0 5 10 15 20 25 30

　　1 8.31 7.39 6.5 5.6 4.29 3.53 2.7

　　1.5 12.47 11.09 9.75 8.4 6.43 5.09 4.04

　　2 16.64 17.79 13 11.19 8.57 7.05 5.39

　　3 24.92 22.18 19.5 16.79 12.86 10.58 8.09

　　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 F2 2.87 二氧化氯 ClO 2 1.50

　　臭氧 O3 2.07 氯 Cl 2 1.36

　　過氧化氫 H2O2 1.78 氧 O 2 1.23

　　高錳酸鉀 MnO4 - 1.67 

　　3. 臭氧的氧化反應 

　　a 、與無機物的氧化反應 

　　⑴ 臭氧與亞鐵的反應 

　　⑵ 臭氧與 Mn2+ 的反應 

　　⑶ 臭氧與硫化物的反應 

　　⑷ 臭氧與硫氰化物的反應 

　　⑸ 臭氧與氰化物的反應 

　　總反應為： 

　　⑹ 臭氧與氯的反應 

　　b 、臭氧與有機物的反應 

　　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。基于這一點，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

在標準溫度與壓力下，臭氧是氧溶解度的13倍。

　　從亨利定律可以得出結論：要提高臭氧在水中的溶解度，必須提高臭氧氣在整個氣源中分壓，即提高臭氧源的濃度，如果臭氧源的濃度不夠，處理時間再長，水中臭氧濃度也提不高(因已達到濃度平衡)。

　　從以上論述，可以得到結論：

　　1、為保證殺菌效果，必須保證水中臭氧的一定濃度與處理時間。

　　2、為保證水中臭氧的一定濃度就需保證：

　　a．臭氧源的濃度。

　　b．一定的氣溫。

　　c．水溫不能過高。

　　d．投入水中臭氧氣的比表面積盡量大，使臭氧與水的接觸機會更多。

　　根據國內外應用經驗一般水質的飲用水消毒處理參數推薦為：水溶臭氧濃度O.4mg/L，接觸時間為4分鐘，即CT值為1.6。臭氧投加量1-2mg／L，水溫最好在25℃以下。前蘇聯標準規定飲用水中臭氧濃度不低于O.3mg/L。我國瓶裝水行業推薦灌裝時瓶內水臭氧濃度0.3mg/L. 二、目前常用的三種接觸裝置與其效果 前節已提到接觸裝置的根本目的是保證臭氧在水中有盡量大的溶解度，為此，就需使臭氧氣與水的接觸面盡量大，有足夠的接觸時間，因而對接觸裝置的基本要求是：

　　1、能保證最優化的臭氧吸收效果。

　　2、接觸裝置工作時，工藝參數控制容易，工作穩定，安全性好。

　　3、能耗(攪拌或輸送水、氣所需動力)最低。

　　4、最小的體積下有最大的生產能力。

　　5、結構簡單，用料便宜，制造與維修成本低。

　　一般常用的接觸裝置有三種：鼓泡塔或池：水射器(文丘里管)與固定螺旋混合器(單用或合用)：攪拌器或螺旋泵：也有兩種以上串聯使用的，簡介如下： l、鼓泡法：大型水處理用鼓泡池，小型水處理則常用鼓泡塔，它要求鼓泡器有小(幾個微米到幾十微米孔徑)的孔徑以增加臭氧的比表面積，而且要求孔徑布氣均勻，以使水、氣全面接觸，尤其是在鼓泡池中用多個布氣器時，同時一般要求從水面到布氣器表面，水深不小于4-5m，以利于氣、水充分接觸。

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