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1、臭氧对纯纯化水灭菌臭氧灭菌一.臭氧的基本物化性质1.物理性质在常温、常态、常压下，较低浓度的臭氧是无色气体，当浓度达到 15%时，呈现出淡蓝色。臭氧可溶于水，在常温常态常压下臭氧在水中的溶解度比氧高约13倍，比空气高25倍。但臭氧水溶液的稳定性受水中所含杂质的影响较大，特别是有金属离子存在时，臭氧可迅速分解为氧，在纯水中分解较慢。臭氧的密度是2.14g/L(0C，0.1MP)，沸点是-111C，熔点是-192C。臭氧分子结构是不稳定的，它在水中比在空气中更容易自行分解。臭氧的主要物理性质列于表1-1，臭氧在不同温度下的水中溶解度列于表1-2。臭氧虽然在水中的溶解度比氧大10倍，但是在实用上它的
2、溶解度甚小，因为他遵守亨利定律，其溶解度与体系中的分压和总压成比例。臭氧在空气中的含量极低，故分压也极低，那就会迫使水中臭氧从水和空气的界面上逸出，使水中臭氧浓度总是处于不断降低状态。 2.化学性质性质数据分子量47.99828沸点-111.9熔点-193临界温度-5临界压力92.3atm等张比容75.7（90.2K）生成热-144KJ/mol在水中的溶解度ml/100ml49.41. 臭氧很不稳定，在常温常态常压下即可分解为氧气。臭氧的主要物理、化学特性臭氧是一种高活性的气体，通过对氧气的放电而形成，其分子式是O3，是氧的同素异形体。臭氧最显著的特性是具有强烈的气味，臭氧的英文词为“OZON
3、E”，来源于希腊语，意为“味道”。在常温常压下，臭氧是淡蓝色的具有强烈刺激性气味的气体。 臭氧具有很高的氧化电位（2.076V），比氯（1.36V）高出50%以上，因此它具有比氯更强的氧化能力。臭氧是由氧按以下热化学方程式形成： 3O3 2O3-69kcal 由上式可见臭氧的形成是吸热过程,因此,臭氧分子极不稳定,可自行分解,伴随着分解过程全放出能量因此,臭氧比氧具有更高的活性和氧化能力。臭氧、氯和二氧化氢的氧化势（还原电位）分别是2.071.361.28伏特，可见臭氧在处理水中是氧化力量最强的一种。臭氧的氧化作用导致不饱和的有机分子的破裂。使臭氧分子结合在有机分子的双键上，生成臭氧化物。臭氧
4、化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基的两性离子，后者是不稳定的，可分解成酸和醛。其反应式为：2O?3O? + 285kJ （ 1-2 ）由于分解时放出大量热量，故当其含量在 25 %以上时，很容易爆炸。但一般臭氧在空气中，臭氧的含量很难超过 10 %以上，在臭氧用于饮用水处理的较长过程中，还没有一例氧爆炸的事例。含量为 1 %以下的臭氧，在常温常态常压的空气中分解半衰期为 16h 左右。随着温度的升高，分解速度加快，温度超过 100 时，分解非常剧烈，达到 270高温时，可立即转化为氧气。臭氧在水中的分解速度比空气中快。在含有杂质的水溶液中臭氧迅速回复到形成它的氧气。如水中臭氧
5、浓度为 6.2510 -5 mol/L(3mg/l) 时，其半衰期为 5 30min ，但在纯水中分解速度较慢，如在蒸馏水或自来水中的半衰期大约是 20min （ 20 ），然而在二次蒸馏水中，经过 85min后臭氧分解只有 10 %，若水温接近 0 时，臭氧会变得更加稳定。2. 臭氧的氧化能力臭氧的氧化能力极强，其氧化还原电位仅次于 F? ，在其应用中主要用这一特性。3. 臭氧的氧化反应a 、与无机物的氧化反应臭氧与亚铁、Mn2+ 、硫化物、硫氰化物、氰化物、氯等均发生反应如：O3+SO2=SO3+O2 O3+CO=CO2+O2 O3+NO=NO2+O2 O3+4NH3=NH4NO3+2NH
6、4O? 4O3+PbS=PbSO4+4O2 Ag+O3=AgO+O2XeO3+4OH-+O3=XeO6（4-）+O2+2H2O 3CN-+O3=3OCN2 2OCN2+O3=CO2+O2+N2b 、臭氧与有机物的反应臭氧在水溶液中与有机物的反应极其复杂， 臭氧与烯烃类化合物的反应 臭氧容易与具有双链的烯烃化合物发生反应，反应的最终产物可能是单体的、聚合的、或交错的臭氧化物的混合体。臭氧化物分解成醛和酸。 臭氧和芳香族化合物的反应 臭氧和芳香族化合物的反应较慢，在系列苯萘菲嵌二萘胺酚多环芳香烃醇醛链烷烃c 、臭氧的毒性和腐蚀性臭氧属于有害气体，浓度为 6.2510mol/L(0.3mg/m3)
7、时，对眼、鼻、喉有刺激的感觉；浓度 (6.25-62.5)10 -5 mol/L(3 30mg/m3) 时，出现头疼及呼吸器官局部麻痹等症 ; 臭氧浓度为 3.12510 -4 1.2510 -3 mol/L(15 60mg/m3) 时 ， 则对人体有危害。其毒性还和接触时间有关，例如长期接触 1.74810 -7 mol/L(4ppm) 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。因此，臭氧浓度的允许值定为 4.4610 -9 mol/L(0.1ppm)8h. 由于臭氧的臭味很浓，浓度为 4.4610 -9 mol/L(0.1ppm) 时
8、，人们就感觉到，因此，世界上使用臭氧已有一百多年的历史，至今也没有发现一例因臭氧中毒而导致死亡的报道。臭氧具有很强的氧化性，除了金和铂外，臭氧化空气几乎对所有的金属都有腐蚀作用。铝、锌、铅与臭氧接触会被强烈氧化，但含铬铁合金基本上不受臭氧腐蚀。基于这一点，生产上常使用含 25% Cr的铬铁合金（不锈钢）来制造臭氧发生设备和加注设备中与臭氧直接接触的部件。臭氧对非金属材料也有了强烈的腐蚀作用，即使在别处使用得相当稳定得聚氯乙烯塑料滤板等，在臭氧加注设备中使用不久便见疏松、开裂和穿孔。在臭氧发生设备和计量设备中，不能用普通橡胶作密封材料，必须采用耐腐蚀能力强的硅橡胶或耐酸橡胶等。3.化学性质及功效
9、臭氧（O3）是氧气(O2)的同素异形体，它是一种具有特殊气味的淡蓝色气体。分子结构呈三角形，键角为116，其密度是氧气的1.5倍，在水中的溶解度是氧气的10倍。臭氧是一种强氧化剂，它在水中的氧化还原电位为2.07V，仅次于氟（2.5V），其氧化能力高于氯（1.36V）和二氧化氯（1.5V），能破坏分解细菌的细胞壁，很快地扩散透进细胞内，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶等，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸（RNA），分解脱氧核糖核酸（DNA）、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。细菌被臭氧杀死是由细胞膜的断裂所致，这一过程被
10、称为细胞消散，是由于细胞质在水中被粉碎引起的，在消散的条件下细胞不可能再生。应当指出，与次氯酸类消毒剂不同，臭氧的杀菌能力不受PH值变化和氨的影响，其杀菌能力比氯大600-3000倍，它的灭菌、消毒作用几乎是瞬时发生的，在水中臭氧浓度0.3-2mg/L时，0.5-1min内就可以致死细菌。达到相同灭菌效果（如使大肠杆菌杀灭率达99%）所需臭氧水药剂量仅是氯的0.0048%。臭氧对酵母和寄生生物等也有活性，例如可以用它去除以下类型的微生物和病毒。病毒 已经证明臭氧对病毒具有非常强的杀灭性，例如Poloi病毒在臭氧浓度为0.05-0.45mg/L时，2min就会失去活性。孢囊 在臭氧浓度为0.3m
11、g/L下作用2.4min就被完全除掉。孢子 由于孢衣的保护，它比生长态菌的抗臭氧能力高出10-15倍。真菌 白色念珠菌（candida albicans）和青霉属菌（penicillium）能被杀灭。寄生生物曼森氏血吸虫（schistosoma mansoni）在3min后被杀灭。此外，臭氧还可以氧化、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、BOD等都具有显著的效果。应当注意，虽然臭氧是强氧化剂，但其氧化能力是有选择性的，像乙醇这种易被氧化的物质却不容易和臭氧作用。二.臭氧的氧化反应和消毒机理 臭氧一经溶解在水里，会出现下列两种反应：一种是直接氧化，它
12、是较缓慢的且有明显选择性的反应；另一种则是在水中羟基、过氧化氢、有机物、腐殖质和高浓度的氢氧根诱发下自行分解成羟基自由基，间接地氧化有机物、微生物或氨等。后一种反应相当快，且没有选择性，另外还能将重碳酸根氧化成重碳酸和碳酸。这两种反应中后一种反应更强烈，氧化能力更强。由于氢氧根和有机物等能诱发臭氧自行分解成羟基自由基，所以低ph条件下有利于臭氧直接氧化反应，而高ph值和有机物含量高的条件下则有利于羟基自由基的间接氧化反应。臭氧的自行分解率在很大程度上取决于ph值、温度、UV值、臭氧浓度以及水中存在的其他可去除物。其分解速率可由余臭氧的含量来间接表示。由于重碳酸盐和碳酸盐（尤其是碳酸盐）具有较强
13、的缓冲性能，因此在低PH和高缓冲性能的余臭氧可维持较长时间。臭氧可杀菌消毒的作用主要与它的高氧化电位和容 易通过微生物细胞膜扩散有关。臭氧能氧化微生物细胞的有机物或破坏有机体链状结构而导致细胞死亡。因此，臭氧对顽强的微生物如病毒、芽孢等有强大的杀伤力。此外，臭氧在杀伤微生物的同时，还能氧化水中的各种有机物，去除水中的色、嗅、味和酚等三.操作控制点臭氧的瞬时灭菌以广泛用于水的消毒，同时有除臭，水色以及铁锰。臭氧会自行分解为氧气，臭氧灭菌不产生附加的化学物质污染是种较好的方法。臭氧的用量及使用方法的正确与否，直接影响到使用效果。在水生产的过程中臭氧的是用主要是灭菌，而各种菌类的耐臭氧能力差别很大，
14、在一定臭氧浓度下，各种菌类被杀死的时间从110分钟达到灭菌程度，分布范围很宽。某些细菌形成的孢子或芽孢杆菌或霉菌的芽孢都有很强的耐臭氧能力。因此，在水的生产过程中就涉及如何使用臭氧的工艺技术问题。一般条件下，合理的掌握下列4个操作，通常是可以正确的达到灭菌的目的的。1. 流量 指的是单位时间给出的臭氧量和单位时间给出的水的量。这两个数值在操作中必须根据当地的效果把它确定下来，也就是说在操作的过程中每升的水需要用多少毫克的臭氧，臭氧水消毒的投加量一般为1mg/ml，接触的时间大于10分钟。臭氧水使用环境空气中臭氧浓度不高于0.16mg/m3。（臭氧水使用环境空气中臭氧浓度的测试方法：在一103的
15、房间内，使连续运行10分钟后，测试出水口上方25cm距离处环境空气中的臭氧浓度，不得超过0.16mg/m3。）2. 界面 指臭氧与水接触的面积。通常气体接触面积越大越好，行程越长越好。在臭氧氧化塔里增加填充物，设有分配板或强制湍流隔板都是为了使用臭氧和水充分的接触。接触反应是臭氧消毒系统生产运行的核心，它的作用是将由臭氧发生器发生的臭氧气体迅速有效的扩散到处理水中，并稳定可靠地完成预定工艺所要求的反应。接触反应形式的确定主要依赖于工艺目标及其相应的反应。臭氧接触是通过一定的方式使氧气扩散到液体中，并使之与液体全面接触和完成预期反应的过程.这一过程一般通过臭氧接触器来完成。不同的工艺目标和相同的反应决定了接触器的形式和接触时间。2.1臭氧接触器的主要形式有： 传统的微气泡扩散接触器、吸气式涡轮扩散接触器、带有接触填料的密闭式接触柱以及吸气式水射器扩散接触器。对于净水消毒而言，采用的形式主要是微气泡扩散和吸气式涡轮扩散型。臭氧接触时间对于不同的反应通常在1到12min之间。在需要有可靠灭病毒的场合，通常需要维持剩余臭氧达0.4mg/L的4min接触时间，由于水中除细菌外通常还会含有与臭氧发生快速反应的物质（如构成水
