臭氧知识综述

臭

氧

知

识

综

述

作者：张学志2005年10月10日

一.臭氧知识 (3)

1.什么是臭氧 (3)

2.臭氧基础知识 (3)

臭氧的制备 (4)

3.臭氧的性质 (5)

臭氧的物理性质 (10)

臭氧的化学性质 (11)

4.臭氧的用途 (12)

臭氧的应用 (12)

臭氧与其它消毒技术的比较 (13)

二.臭氧制造技术 (14)

1.光化学法–紫外线臭氧发生器 (14)

2.电化学法–电解纯水臭氧发生器 (15)

3.电晕放电法–臭氧发生器 (15)

三.臭氧投加装置 (17)

1.塔式鼓泡反应器 (17)

2.池式鼓泡反应器 (21)

3.尼可尼混合泵 (31)

四.臭氧分解装置 (32)

1.基本情况 (32)

2.各种分解方法 (32)

五.臭氧检测 (38)

1.检测的必要性 (38)

2.检测方法 (39)

六.臭氧系统 (43)

1.标准臭氧系统 (43)

2.气源处理系统 (43)

3.冷却系统 (44)

4.电源系统 (44)

5.合成系统 (45)

七.臭氧应用 (47)

1.自来水应用 (47)

2.净水处理 (51)

3.游泳池臭氧应用 (53)

4.空间消毒 (55)

5.工业氧化 (56)

八.名词解释 (58)

一.臭氧知识

1.什么是臭氧

人类发现臭氧已经有一百年的历史。在距离地球表面15-25公里的高空，因受太阳紫外线照射的缘故，形成了包围在地球外围空间的臭氧层，这厚厚的臭氧层正是人类赖以生存的保护伞。这就是大多数人对臭氧的全部认识。

1840年德国科学家舒贝因发现，他在电解和火花放电试验过程中曾闻到有一种特殊的气味，同时,他还指出在闪电过后也闻到同样的气味。舒贝因将此异味确定为O3，命名为OZONE（臭氧），取自希腊语“Ozein”一词，意为“难闻”。

臭氧，又名三原子氧，因其类似鱼腥味的臭味而得名。其分子式为O3 ，是氧气的同素异形体，具有它自身的独特性质：

1.在自然条件下，它是淡蓝色的气体；

2.它有一种类似雷电后的腥臭味；

3.在标准压力和常温下，它在水中的溶解度是氧气的13倍；

4.臭氧比空气重，是空气的1.658倍；

5.臭氧有很强的氧化力，是已知最强的氧化剂之一；

6.正常情况下，臭氧极不稳定，容易分解成氧气；

7.臭氧分子是逆磁性的，易结合一个电子成为负离子分子；

8.臭氧在空气中的半衰期一般为20-50分钟，随温度与湿度的增高而加快；

9.臭氧在水中半衰期约为35分钟随水质与水温的不同而异；

10.臭氧在冰中极为稳定，其半衰期为2000年。

2.臭氧基础知识

概述 : 臭氧的称谓同它的独特气味最早记载于荷马（ Homer) 的长诗 " 伊里亚德和奥德赛”（ Iliad and Odyssey) 里，他注意了伴随雷电产生的这种气味，并把他的印象写了进去。因此在圣经第12 章奥德赛第 417 节里，有丘比特（ Jupiter) 用雷电击船，船内“完全充满了硫黄臭味”。

1785 年德国物理学家冯·马鲁姆（ Van Marum) 用他的大功率电机进行试验时发现，当空气流过一串电火花时，就产生一种特殊的气味。克鲁伊克仙克（ Cruikshank)1801 年观察到水电解过程中在阳极产生同样气味的气体。

1840 年荷兰的科学家舒贝因（ Schonbein) 向慕尼黑科学院提交的一份备忘录中宣告了臭氧的发现，他在电解和火花放电试验过程中曾闻到一种独特的气味，他还指出，在闪电过后亦可闻到同样的气味。舒贝因断定这是一种新物质产生的气味，他把它命名为“Ozone”( 臭氧 ) ，取自希腊字“Ozein”一词，意为“难闻”。

1845 年，德·拉·里韦（ De La Rive) 和马里亚斯（ Marignac) 通过用纯氧电火花作用获得了臭氧。 1848 年亨特（ Hunt) 根据当时所了解的臭氧的性质得出他的判断，预言臭氧为三个原子氧。1860 年安德鲁（ Andrew) 和泰特（ Tait) 发现氧气在转化为臭氧的过程中体积减少。然而当臭氧转化为氧气时恢复到原有的体积，同时还发现少量的汞或金属银具有分解臭氧的能力。 1866 年索雷特（ Soret) 利用通过电解得到臭氧和氧的混合气体进行试验，断定臭氧的密度是氧的 1.5 倍。为验证此结论，索雷特测定了臭氧向空气中扩散的速率，并将其与同一方法测定得的二氧化碳扩散速率相比。估算出臭氧与二氧化碳的密度比，发现它存在着与 CO2: O3 ＝ 44:48 完全一致的关系。

1857 年，冯·西门斯（ Von Siemens) 研制出了臭氧发生管，臭氧技术有了很大进步。这种类型的臭氧发生器，成为当时大量应用的放电臭氧发生器的原型。西门斯第一台臭氧发生器基本上是由两根玻璃管构成的，外管外壁和内管内壁均用锡箔覆盖，空气原料气流从环状空间通过。内管内壁和外管外壁的金属表面联结到电感线圈或电机接线柱上。用这种装置，干燥氧气的 3 ％～ 8 ％可能转化为臭氧。布罗迪（ Brodie) 和伯塞乐（ Bertholet) 采用此种设备的改型，他们都用电解液取代金属电极给臭氧发生过程起到一定的冷却作用。

1868 年霍尔曼（ Hollman ）研究了臭氧的热化学特性。把不同的气体（ H2 和 C2H2 ）在纯氧气体中燃烧时所释放出的热，与同一气体在臭氧气体中燃烧时所产生的热量相比较，发现有臭氧存在时释放的热量总要大一些。由于知道 O3 /O2 混合气体浓度（ 1 ％～ 2 ％质量）以及臭氧存在时放出的热量，就能计算出每克臭氧变成氧气所放出的热量。

他求出分解臭氧产生 17.064kcal/mol(1kcal=4.18kJ ，下同 ) 。这大约是目前采用值的一半。此后1876 年伯塞乐测定得出值为29.6kcal/mol 。 1908 年杨（ Jahn ）求出的值为 34.0kcal/mol 。由于臭氧是一种吸热化合物，使人们试图用热工艺来设计臭氧发生器，但这一设想由于臭氧在高温下快速分解而告失败。

气态臭氧的自然分解在室温下需要数小时，然而当臭氧溶于水时将以较快速度分解，分解时间一般以分钟计。在水中臭氧的稳定性受水质的影响很大。蒸馏水中臭氧的半衰期大约为 25min ，但在二次蒸馏水中，即使在 20℃下，经过 80min 也只有 10 ％的臭氧分解，若在水温接近 0℃臭氧变得很稳定。

由于臭氧在水溶液中分解率的差异，有关臭氧在水中溶解度值亦逐步确定。 1873 年舍内（ Schone) 得出溶解度值为 0.366L/L （ 18℃）。 1874 年卡里乌斯（ Carius) 得出值是 0.834 （ 1℃）， 1894

以上溶解度值大约为氧气的 10 ～ 15 倍。

因低温对臭氧稳定性的影响很大，所以在低温条件下产生臭氧的工艺研究引起人们的重视。豪特福伊勒（ Hautefeuille) 和夏皮斯（ Chappuis) 在极低温度下通过氧气放电得到高浓度臭氧，在 0℃下得到含量为 14.9 ％（质量）的臭氧，在 -23℃下臭氧浓度为 21.4 ％。后

来通过 -100℃下对富臭氧氧气气体施加 125atm （ 1atm=0.1MPa) 压力，成功地生产出液态臭氧，为深靛蓝色液体。气态臭氧必须在持续冷却地条件下慢慢加压，否则会发生爆炸。

1887 年奥尔左斯基（ Olszeuski) 测定了臭氧的沸点，在 -106 ～ -109℃范围内， 1898 年鲁斯特（ Troost) 测定为 -111.9℃。现在臭氧沸点值采用的是 -111.9℃。

臭氧的制备

由于臭氧是一种不稳定的气体，不能储存运输，因而臭氧必须在使用现场发生制备。根据工作原理和原料的不同，生产臭氧的方法有好多，主要的臭氧技术有：电解法、核辐射法、紫外线、等离子体及电晕放电法等几种。应用比较广泛的是臭氧发生器放电氧化空气或纯氧气成臭氧。最近几年来，电解水产生臭氧在某些领域内得到逐渐的发展。臭氧发生器的基本类型、工作原理及应用范围如表1所示。

放电式臭氧发生器也叫无声放电，应用高能量交互式电流作用气体使氧气分子电离。原料是氧气或空气，操作压力可以是大气压也可以高一点（P=100-600Pa）。

目前，可应用于工业规模的放电式臭氧发生器种类繁多，其主要差别是：电晕元件几何形状、电源形式、散热工艺和运行条件等。放电式臭氧发生器的分类及特点如表2所示。

表2：放电式臭氧发生器的分类及特点