臭氧的原理

臭氧的原理

一、自然界中臭氧的形成

自然界中的臭氧，大多分布在距地面20Km--50Km的大气中，我们称之为臭氧层。臭氧层中的臭氧主要是紫外线制造出来的。大家知道，太阳光线中

的紫外线分为长波和短波两种，当大气中（含有21%）的氧气分子受到短波紫外线照射时，氧分子会分解成原子状态。氧原子的不稳定性极强，极易与其他物

质发生反应。如与氢（H2）反应生成水（H2O)，与碳（C）反应生成二氧化碳（C02）。同样的，与氧分子（O2）反应时，就形成了臭氧（O3）。臭氧形成后，由于其

比重大于氧气，会逐渐的向臭氧层的底层降落，在降落过程中随着温度的变化（上升），臭氧不稳定性愈趋明显，再受到长波紫外线的照射，再度还原为氧。臭氧层就是保持了这种氧气与臭氧相互转换的动态平衡。

在这么广大的区域内到底有多少臭氧呢？估计小于大气的十万分之一。如

果把大气中所有的臭氧集中在一起，仅仅有三公分薄的一层。那么，地球表面

是否有臭氧存在呢？回答是肯定的。太阳的紫外线大概有近1%部分可达地面。

尤其是在大气污染较轻的森林、山间、海岸周围的紫外线较多，存在比较丰富

的臭氧。

二、臭氧的物理性质

在常温常压下，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，在常温常压下臭氧在水中的溶解度比氧气高约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气。在纯水中分解较慢。

臭氧的密度是2.14g·l（0°C,0.1MP），沸点是-111°C，熔点是-192°C。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。臭氧虽然在水中的溶解度比氧大10倍，但是在实用上它的溶解度甚小，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。

三、臭氧的化学性质

臭氧很不稳定，在常温下即可分解为氧气。臭氧、氯和二氧化氢的氧化势（还原电位）分别是2.07、1.36、1.28伏特。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

四、臭氧与无机物反应

除铂、金、铱、氟以外，臭氧几乎可与元素周期表中的所有元素反应。臭氧可与K、Na反应生成氧化物或过氧化物，在臭氧化物中的阴离子O3实质上是游离基。臭氧可以将过渡金属元素氧化到较高或最高氧化态，形成更难溶的氧化物，人们常利用此性质把污水中的Fe2+、Mn2+及Pb、Ag、Cd、Hg、Ni等

重金属离子除去。此外，可燃物在臭氧中燃烧比在氧气中燃烧更加猛烈，可获得更高的温度。

五、臭氧的基本应用

1、杀菌消毒

研究表明，臭氧是广谱、高效、快速杀菌剂，它可迅速杀灭使人和动物致病的各种病菌、病毒及微生物。臭氧是一种氧化性非常强的物质，其氧化还原电位仅次于F2 。利用它的氧化性，可以在较短时间内破坏细菌、病毒和其他微生物的生物结构，使之失去生存能力。利用氧化性来杀死微生物以达到灭菌效果的化合物还有很多，比如常见的氯气、漂白粉、高锰酸钾等。但是，这些杀菌剂不但比臭氧杀菌速度慢，而且一般的杀菌剂对人体有害。臭氧与一般杀菌剂有不同，因为多余的臭氧可以很快分解成氧气，而氧气对人体有益无害。

臭氧的杀菌效果与氧乙酸相当，强于甲醛、杀菌力比氯高一倍。与一般杀菌剂进行性、积累性的杀菌消毒功能不同的是臭氧的杀菌作用是急速的，当其浓度超过一定阈值后，消毒杀菌甚至可以瞬间完成。湿度的提高及温度的降低可增强臭氧的消毒作用。

利用臭氧杀菌消毒没有二次污染，在处理过的水、空气、食品、器具中不残存任何有害物质，这也是其他杀菌剂无法比拟的优点。

2、除臭、除异味

自然界引起臭味与腐败味的主要成分是氨、硫化氢、甲硫醇、二甲硫化物、二甲二硫化物等，臭氧可以与它们发生化学反应将其氧化分解为无毒、无臭的

物质，从而达到除臭的效果。

3、解毒

臭氧能通过氧化反应有效去除有毒气体如CO、NO、SO2、芥子气等。溶

于水中的臭氧可氧化、分解从而有效去除水中的有毒物质如重金属离子、有机

毒物、氰化物、硫化物以及敌敌畏、氧化乐果、马拉硫酸等农药。臭氧用于水

消毒可以大大降低自来水中卤代烃等有机致癌物质。

4、防腐保鲜

由于其对细菌、微生物强烈的杀灭作用，用臭氧水处理鱼肉类及其他食品

可以达到防腐、消除异味、保鲜的功效。在臭氧产生的同时还可以产生大量负

离子氧，在空气中有些负离子可有效抑制果蔬的呼吸作用，延缓其代谢过程。

同时，臭氧可以杀灭引起果蔬腐烂的病原菌，分解果蔬贮藏过程中产生的具有

催熟作用的代谢废物如乙烯、醇类、醛类、芳香类等物质。这样，在臭氧与负

离子的作用下抑制了果蔬的新陈代谢及微生物病原菌的滋生蔓延从而延缓其后

熟衰老、防止其腐烂变质，达到保鲜的效果。有研究表明，臭氧可使食品、饮

料和果蔬的贮藏期延长3-10倍。

六、臭氧作用机理

1、杀灭微生物的机理

Roy等以PV1作为模型病毒，研究了臭氧对肠道病毒的灭活机理。结果证明，臭氧可破坏病毒衣壳蛋白的四条多肽链，并使RNA受到损伤。Mudd报道，臭氧和对其敏感的氨基酸娥基（半胱氨酸残基、色氨酸残基、蛋氨酸残基）发生反应可直接破坏蛋白质。Kim等报告，臭氧作用过程中,可使噬菌体中RNA被释

放出来，电镜观察还可见噬菌体被断裂成小的碎片。Christensen等报告,嘌吟和

嘧啶经臭氧作用后紫外吸收发生改变。有人还认为臭氧可与细菌细胞壁脂类双

键反应，穿入菌体内部，作用于脂蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导

致细胞溶解、死亡。

2、除臭机理

臭氧去除异味性能极好。依靠其强氧化性能可快速分解产生臭味及其它气

味的有机或无机物质，臭味的主要成分是胺R3N、硫化氢H2S，甲硫醇CH3SH等。臭氧对其氧化分解，生成物没有气味。反应式如下：

R3N+O3→R3N-O+O2 H2O+O3→S+H2O+O2 →SO2+H2O

CH3SH+O3→[CH3-S-S-CH3] ---→CH3-SO3H+O2

3、水果保鲜机理

臭氧在蔬菜水果储藏中的应用除了具有杀灭或抑制霉菌生长防止腐烂作用

之外，还具有防止老化保鲜作用，其机理是臭氧可以氧化分解果蔬生理代谢作用呼吸出的催熟剂——乙烯气体C2H4。其反应过程如下：

H2C-CH2+O2→CO2+H2O

乙烯中间产物C2H2O 也具有对霉菌等微生物的抑制作用。