臭氧技术与应用

精品文档 1欢迎下载 臭氧技术应用文集 臭氧知识 臭氧 一词因 保护大气层 宣传而广为人知 由于臭氧冰箱除臭器 臭氧消毒碗柜等家 电产品上市 人们对臭氧应用也逐渐熟悉 臭氧具有独特的腥味 最初人们正是根据这种气味发现这种新物质的 1840 年 德国科学 家舒贝因 Schonbein 向慕尼黑科学院提出的报告里宣布发现了臭氧 他根据电解与火花放电 实验产生的气味与雷电之后空气中的腥臭气味相同 判定这种气味是由一种新物质产生的 并 对此新物质命名为 OZONE 臭氧 该词依据希腊语 Ozein 臭气 一词音译的 臭氧被正式发现后的六十年里 各国科学家研究确定了臭氧为三个氧原子的结构及其物理 化学特性参数 并进行了人工产生臭氧的装置 臭氧发生器的研制与臭氧应用实验 1904 年 德 拉 库克斯 de la coux 出版了长达 557 页的臭氧技术与应用的参考书 臭氧的性质 臭氧的性质 臭氧 O3 是氧气 O2 的同素异形体 组成元素相同 构成形态相异 性质差异很大 表表 1 1 氧和臭氧的主要性质氧和臭氧的主要性质 氧 臭氧 分子式 O2 O3 分子量 32 48 一般情况下的形态 气态 气态 气味 无 腥臭味 气体颜色 无色 淡蓝色 液体颜色 淡蓝色 暗蓝色 1 大气压 00C 时的溶解度 ml L 水 49 1 640 稳定性 稳定 易分解 1 大气压 00C 时的密度 1 429 2 144 以空气为基准时的密度 1 103 1 658 臭氧的化学性质是它的氧化能力很强 其氧化还原电位仅次于 F2 这可从表 2 中看出 精品文档 2欢迎下载 表表 2 2 氧化还原电位比较氧化还原电位比较 名称 分子式 标准电极电位 伏 氟 F2 2 87 臭氧 O32 07 过氧化氢 H2O21 78 高锰酸离子 MnO41 67 二氧化氯 CLO21 50 氯 CL21 36 氧 O2 1 23 臭氧应用按用途分为水处理 化学氧化 食品加工与医疗四个领域 各领域应用研究与适用 设备开发都达到了很高的水平 世界已形成了独立的臭氧技术产业部门 1973 年建立了国际臭 氧协会 IOA 该协会两年举办一次国际会议交流各国发展臭氧技术的论文 报告 IOA 的各地 区组织也分别组织技术交流活动 1 1 水处理水处理 臭氧在水中对细菌 病毒等微生物杀灭率高 速度快 对有机化合物等污染物质去除彻底而 又不产生二次污染 因此饮用水杀菌消毒是臭氧应用的最主要部门 自来水行业是臭氧的最大 市场 氯消毒在自来水厂应用是很普遍的 但臭氧对细菌的杀灭率更高 杀灭速度更快 氯消毒对 水质 pH 值改变特别敏感 pH 值由 7 5 变到 8 0 氯的投加量要加大 2 5 倍 而臭氧投加量改变 不大 目前使用臭氧代替氯消毒最主要的因素 也是传统使用氯消毒的美国 日本等国家都在 快速发展采用臭氧处理自来水的主要原因 在于随着水源受有机化学工业产物污染 氯消毒后 会产生氯仿 溴二氯甲烷 四氯化碳等氯化有机物 THM 这些物质具有致癌性 而臭氧处理 中氧化作用不产生二次污染化合物 我国瓶装水采用臭氧杀菌净化工艺最为普遍 积极 粗略估算 矿泉水 纯水 洁净水厂一 千多家 约 60 已采用臭氧杀菌工艺 由于技术监督 防疫部门已形成共识 没有臭氧设备的 瓶装水厂很难在市场上竞争 随着瓶装水市场的发展 国内发展了一大批臭氧设备生产企业 臭氧发生器 投加混合设备品种繁多 质量参差不齐 甚至虚报假冒 使瓶装水质量得不到保 精品文档 3欢迎下载 证 其关键在于处理水应达到 0 3 0 5mg L 的臭氧溶解度值 这首先要求投加臭氧量应满足 1m3 水 2g 臭氧的条件 同时必须保证水 气充分接触并保持一定的时间 根据实践经验 臭 氧发生浓度高于 8mg L 时容易达到溶解度要求 污水处理包括城市污水 工业污水与医疗污水的处理 主要目的为杀菌消毒 去除污染物质 并脱色除味以达到排放标准 近几年由于水资源匾乏 行业主管部门制定了工业 生活污水回 用的法规 提高了处理标准 美国在本世纪七十年代初开始利用臭氧处理生活污水 其主要的目的为消毒并降低生物耗氧 量 BOD 和化学耗氧量 COD 去除亚硝酸盐 悬浮固体及脱色 已达到全面生产应用的水 平 日本则在缺水地区进行污水臭氧处理后作为非食用水 即中水 循环使用 工业污水臭氧用来对电镀含氰污水氧化 纺织印染污水脱色 精炼污水去酚 烷类物质等 美 日 德 法等国近年都建立了大规模的污水处理厂 我国炼油 印染行业也有试验性应用 臭氧在饮用水处理中的作用表臭氧在饮用水处理中的作用表 细菌消毒 溶解有机物的微凝聚作用 氧化 病毒灭活无机物氧化 可溶性铁和 或 锰的氧化氰化物 去络合有机结合锰 氧化 硫化物 除色 氧化 亚硝酸盐 除臭 除味 氧化 去除悬浮固体或浊度 氧化 除藻类生物过程预处理 氧化 有机物氧化砂 酚无烟煤 洗涤剂粒壮活性碳 农药 游泳池水臭氧消毒应用广泛 其处理效果和优点已被公认 国外应用极为普遍 我国广州 天河游泳馆 北京亚运村英东游泳馆等都采用臭氧消毒 池水清澈透明 彻底解决了氯消毒刺 激眼睛 皮肤及使头发变黄的问题 精品文档 4欢迎下载 目前美国冷却塔协会推荐臭氧处理冷却循环水技术 可以达到阻垢 除垢 杀菌除藻 防 腐蚀与稳定水质的目的 美国臭氧公司已有计算机控制检测的臭氧冷却循环水系统在运行 我 国很多单位在进行实验研究 总结经验 2 2 化学氧化化学氧化 臭氧作为氧化剂 催化剂和精制剂而应用于化工 石油 造纸 纺织和制药 香料行业 臭氧的强氧化能力很容易打断烯烃 炔烃类有机物的碳链结合键 使其部分氧化后组合成新的 化合物 新型材料炭素纤维经臭氧表面处理后品质提高 塑料薄膜臭氧处理后 提高了表面印刷着色 能力 纸浆漂白在挪威已发展到生产实验阶段 在生物 化学污染气体净化方面 臭氧发挥了重要作用 皮毛 肠衣与鱼类加工厂的恶臭 橡胶 化工厂的污染气体均可通过臭氧分解除味 臭氧可化解芥子气 沙林等化学毒剂 臭氧对农药的合成产生催化作用 对某些农药的残留又可以氧化分解 3 3 食品行业的应用食品行业的应用 臭氧的强杀菌能力及无残余污染优点使其在食品行业的消毒除味 防霉保鲜方面得到广泛 的应用 1904 年就有利用臭氧保存牛奶 肉制品 奶酪 蛋白等食品的报道 1909 年法国德波涅冷冻厂 正式使用臭氧对冷却肉表面杀菌 取得了微生物数量显著减少的效果 1928 年英国人在天津建 立 合记蛋厂 其打蛋车间就利用臭氧消毒 三十年代末 美国 80 的冷藏蛋库都装有臭氧 发生器 提高了鸡蛋的贮藏期 特别值得指出的是 美国食品与医药管理局 FDA 一九九七年 四月 修改了一直把臭氧作为 食品添加剂 限制使用的规定 允许不必申请即可在食品加工 贮藏中使用臭氧 这是臭氧技术发展的里程碑 对美国及许多国家的食品加工技术进步 提高 食品质量 具有重大作用 4 4 医疗应用医疗应用 精品文档 5欢迎下载 对病房 手术室空气进行消毒在我国是推广臭氧的主要方向 而国外则开展了很多治疗的 应用研究实验 德国 瑞士 俄罗斯 法国及意大利的内科和牙科医生 多年来都在运用臭氧 进行治疗 如口腔手术和锒牙用臭氧水保持口腔无菌 采用臭氧与放射治疗合用治疗癌症 喝 臭氧水治疗妇女病 注射臭氧气体治疗瘘痔 静脉曲张等 正确使用臭氧安全无害正确使用臭氧安全无害 臭氧在我国许多行业应用已取得良好效果 逐渐为人们所了解 接受 但在使用安全性与 生理损害方面还有的人心存疑虑 应以科学的态度回答这些问题 1 1 臭氧是安全气体臭氧是安全气体 在介绍臭氧性质的资料中常提到低温凝聚的臭氧和 20 浓度臭氧与氧气混合气体存在爆炸 的可能性 在实际应用中臭氧浓度很低 如作水处理应用的高浓度臭氧发生器浓度目前最高为 70mg L 氧气源 5 浓度 作为空气处理应用的发生器浓度只有 200mg m3 都比爆炸危险浓度 低的多 因此说我们应用的臭氧为安全气体 值得注意的是使用氧气源的大型臭氧系统应该严格按照氧气安全标准设计与运行 目前在 供气管路中安装烃类检测仪作为检测报警仪器 以防止氧气爆炸危险事故 在百年的臭氧应用历史中 还没有报道过臭氧爆炸的事例 2 2 卫生标准与健康保护卫生标准与健康保护 臭氧作为气体杀菌剂 依靠其氧化性产生对病毒 细菌及霉菌等微生物的强杀灭作用 同 任何消毒剂一样 对动物与人造成一定的生理反应甚至损害 但臭氧比常用消毒剂要小的多 防保也容易得多 各国科学界对臭氧产生的生理损害作用进行了长时间深入的研究 并制定了相应的卫生标 准 以保证应用人员的健康 臭氧工业卫生标准 臭氧工业卫生标准 国际臭氧协会 0 1 接触 10 小时 美国 0 1 接触 8 小时 精品文档 6欢迎下载 德国 法国 日本 0 1 中国 0 15 研究实验是多方面的 从 1950 年开始了包括按年龄分组进行臭氧接触以确定人的生理反应的研 究 在大量实验数据的基础上众多研究者按照 K c 浓度 t 时间 公式建立了人的生理反应与 健康防护对臭氧浓度关系的线图 此图清楚地表明人们在臭氧环境里的生理反应与损害程度为 浓度同时间的乘积 说明较高浓度下接触时间短不会产生明显影响 而随浓度低但时间长则可 能影响明显 图中刺激作用区以下范围为无损害区 即离开臭氧环境就很快得以恢复的影响区 图内缩 指 感觉 为嗅到臭氧的特异性气味 刺激 是呼吸道黏膜有反应 感到口干 咳嗽 较强刺 激有嗓子痛 疲乏等感觉 需要几个小时得以恢复 文献明确指出刺激作用区以上部分 中毒 区 为推测值 至今世界上无一例因臭氧中毒死亡事故 由于人们的嗅觉可感受的臭氧浓度低于卫生安全标准 这样臭氧工作区内任何人员在明显 感受到臭氧的刺激作用后会自动回避或采取技术措施消除泄露故障 而不会产生 乘积 积累 损害 臭氧作为消毒剂 杀菌能力强 使用浓度低 能自行分解无残余污染 接触后的不适感离 开现场立即消失等优点 是甲醛 福尔马林 过氧乙酸 高锰酸钾等常用消毒剂无法比拟的 要求工作人员在场时直接消毒是不合理的 正确应用臭氧即可保证健康不受损害 臭氧不是万能的 也不是完美无缺的 应以科学的态度和方法宣传 推广与应用臭氧 提 精品文档 7欢迎下载 高与发展我国的臭氧技术水平 臭氧灭活细菌病毒的机理臭氧灭活细菌病毒的机理 臭氧灭活的机理可以认为是一种氧化反应 臭氧灭活的机理可以认为是一种氧化反应 1 1 臭氧对细菌灭活的机理 臭氧对细菌灭活的机理 臭氧对细菌的灭活反应总是进行的很迅速 与其它杀菌剂不同的是 臭氧能与细菌细胞壁脂类 双键反应 穿入菌体内部 作用于蛋白和脂多糖 改变细胞的通透性 从而导致细菌死亡 臭 氧还作用于细胞内的核物质 如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏 DNA 2 2 臭氧对病毒的灭活机理 臭氧对病毒的灭活机理 臭氧对病毒的作用首先是病毒的衣体壳蛋白的四条多肽链 并使 RNA 受到损伤 特别是形成它 的蛋白质 噬菌体被臭氧氧化后 电镜观察可见其表皮被破碎成许多碎片 从中释放出许多核 糖核酸 干扰其吸附到寄存体上 臭氧杀菌的彻底性是不容怀疑的 臭氧杀菌的彻底性是不容怀疑的 臭氧作用机理 一 杀灭微生物的机理一 杀灭微生物的机理 科学界以 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 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 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 嘌吟和嘧啶经臭氧作用后紫外吸 收发生改变 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 二 除臭机理二 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 精品文档 8欢迎下载 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 三 水果保鲜机理三 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 O3 CO2 H2O 乙烯中间产物 C2H4O 也具有对霉菌等微生物的抑制作用 四 臭氧水处理灭菌净化原理四 臭氧水处理灭菌净化原理 臭氧在水中时刻发生还原反应 产生氧化能力极强的单原子氧 O 和羟基 OH 瞬间分 解水中的有机物质 细菌和微生物 羟基 OH 是强氧化剂 催化剂 使有机物发生连锁反应 反应十分迅速 单原子氧 O 和羟基 OH 对各种致病微生物均有极强的杀灭作用 羟的氧 化还原位为 2 80V 与氟的氧化能力相当 臭氧可以对水中的硫化物 氨 氰化物进行降解 有毒的硫化物 氨 氰化物通过与臭氧 反应后 产生了无霉的 H2SO4 CO2 N2等物质 从而达到净化水的目的 五 臭氧的特性及净化原理五 臭氧的特性及净化原理 臭氧 O3 是氧 O2 的同素异构体 在水中的氧化还原电位为 2 07V 高于氯 1 36v 二 氧化氯 1 50 它能破坏或分解细菌的细胞壁 迅速扩散透入细胞里 氧化破坏了细胞内的酶 而致死病原菌 臭氧在水中分解的中间产物氢氧基 OH 具有很强的氧化性 可以分解一般氧化剂难以 破坏的有机物 而且反应完全速度快 臭氧可以对水中的硫化物 氨 氰化物进行降解 进而达到净化的目的 臭氧浓度与作用 根据清华大学编的 臭氧技术应用文集 一书 将有关臭氧应用浓度按安全浓度空气 应用 精品文档 9欢迎下载 浓度 水中应用浓度 环境浓度及感知浓度 分类摘录 以便在应用中查找 一 安全浓度 一 安全浓度 人们允许接触的臭氧浓度不大于 0 2mg m3 臭氧工业卫生标准 国际臭氧协会 0 1ppm 接触 10 小时 美 国 0 1ppm 接触 8 小时 德国 法国 日本 0 1ppm 中 国 0 15ppm 家用臭氧消毒柜外臭氧泄漏量不得超过 0 2mg m3 指 1 5 米以外 消毒一个周期后残留 浓度不得大于 0 2mg m3 动物试验表明 臭氧毒性的起点浓度为 0 3ppm 而人对空气中臭氧可嗅知的浓度为 0 02 0 04ppm 根据臭氧对肺功能毒性的试验结果 提出 1 5 2 0ppm 为臭氧允许浓度的上限 卫生部规定臭氧最高允许浓度为 0 20mg m3 0 1ppm 二 空气应用浓度 二 空气应用浓度 作为空气除味与杀菌 要求臭氧浓度较低 如 0 5ppm 1mg m3 而物品表面消毒 杀灭 微生物和去除化学污染 则要求提高几十倍的臭氧浓度 空气消毒应用臭氧浓度在 1mg m3 10mg m3 之间 温度低 湿度大则杀灭效果好 尤其是湿度 相对湿度小于 45 臭氧对空气中悬浮微生物 几乎没有杀灭作用 在 60 时才逐渐增强 在 95 时达到最大值 用臭氧消毒食品加工车间 0 5 1 0ppm 即可杀灭空气中的 80 的自然菌 冷库消毒要求臭 氧浓度 6 10ppm 停机后封库 24 小时以上细菌杀灭率 90 左右 霉菌杀灭率 80 左右 在水果贮藏期间 可用 2 3ppm 的臭氧可使霉菌的生长受到抑制 贮藏期可延长一倍 三 水中应用浓度 三 水中应用浓度 水应用中臭氧溶解度在 0 1mg L 10mg L 之间 低值作为水消毒净化要求的最低浓度 高值作 为臭氧水可达到的浓度值 自来水臭氧消毒净化 国际常规标准为 0 4mg L 的溶解度值 保持 4 分钟 即 CT 值为 1 6 水中余臭氧浓度保持在 0 1 0 5mg L 作用 5 10min 可达消毒目的 臭氧水消毒灭菌是急速的 消毒作用在瞬间发生 清水中臭氧浓度一旦达 0 15mg L 在 0 5 1 分钟内就杀死细菌 在浓度达 4mg L 在 1 分钟内乙肝病毒灭活率为 100 精品文档 10欢迎下载 Herbold 报道 20 条件下 水中臭氧浓度达 0 43mg L 时 可将大肠杆菌 100 杀灭 10 时 仅需 0 36mg L 即可全部杀灭 臭氧浓度为 0 25 38mg L 时 仅需几秒或几分钟完全灭活甲型肝炎病毒 HAV 矿泉水中臭氧溶解度在 0 4 0 5mg L 时 即可满足杀菌保质要求 合理的臭氧投放量为 1 5 2 0mg L 瓶装水处理应达 0 3 0 5mg L 的臭氧溶解度值 要求投加臭氧应满足 1m3 水 2go3 根据实践 经验 臭氧发生浓度高于 8mg L 时容易达到浓度要求 应用臭氧的水净化处理 由于气相臭氧向液相水的传质速率与臭氧浓度为止向相关关系 因 此臭氧发生器应具有 10mg L 量级的浓度水平 水净化臭氧装置 臭氧源应产生高浓度臭氧 500mg m3 混合器应完成水气充分混合 达 到水溶解臭氧浓度 0 1mg L 在不改变水量 气量与混合方式的条件下 臭氧气体由 450mg m3 提高为 1500mg m3 与 2500mg m3 后 水中臭氧浓度由 0 05mg L 提高到 0 1mg L