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关于臭氧那些事儿

发布时间:2022-11-18      点击次数:93

11月15日,成都市气象学会联合中共成都市气象局机关委员会组织了2022年第四届“初心杯”气象科普讲解大赛!大赛以“深入落实20大精神,筑牢防灾减灾第一道防线”为主题,为大家传递气象知识。内容包括了:臭氧的自白、山间轰鸣的“巨兽”、传说中的不详等等……,今天小编也借着东风,给大家普及一下臭氧的知识:

 

什么是臭氧?



 

臭氧,是氧气的一种同素异形体,化学式是O3,式量47.998,淡蓝色气体,液态为深蓝色,固态为紫黑色。气味类似鱼腥味但当浓度过高时,气味类似于氯气。比重比氧大,易溶于水,易分解。

 

 

由于臭氧是由氧分子携带一个氧原子构成,决定了它只是一种暂存状态,携带的氧原子除氧化用掉外,剩余的又组合为氧气进入稳定状态,所以臭氧没有二次污染。臭氧主要是由氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)经过一系列复杂的非线性光化学反应生成的。臭氧可使大多数有机色素褪色。可缓慢侵蚀橡胶、软木,使有机不饱和化合物被氧化。


臭氧的应用




常用于:饮料的消毒和杀菌、空气净化、漂白、水处理及饮水消毒、粮仓杀灭霉菌及虫卵;与有机不饱和物反应,可生成臭氧化物,这些臭氧化物在水的存在下可分解,原来的不饱和键开链,生成醛、酮和羧酸等。由于产生臭氧分解,故可用作合成手段及确定有机物结构。



臭氧具有氧化性和杀菌性能,在水中氧化还原电位仅次于氟而居第二位。同时,臭氧反应后的产物是氧气,所以臭氧是高效的无二次污染的氧化剂。作为强氧化剂,其特点如下 :

①可用作选择氧化、主产品得率高;

②氧化温度低,在常压下氧化能力也较强,且对敏感物质的氧化有利;

③反应速度快,可定量氧化;

④使用与制造方便。

 



臭氧的应用基础是其氧化能力与杀菌能力。臭氧的应用按其作用分类,可分为:杀菌、脱色、脱臭、脱味及氧化分解。按其应用领域分,主要应用在以下领域:水处理;食品加工、存储、保鲜;家用电器;医疗卫生;化学氧化

 



在化工生产中,臭氧可用做催化氧化或高温氧化的催化剂,简化生产工艺并提高生产率。液态臭氧还可用作火箭燃料的氧化剂。存在于大气中,靠近地球表面浓度为0.001~0.03ppm,是由大气中氧气吸收了太阳的波长小于185nm紫外线后生成的,此臭氧层可吸收太阳光中对人体有害的短波(30nm以下)光线,防止这种短波光线射到地面,使生物免受紫外线的伤害

 



臭氧发展史

 


早在1785年,德国物理学家冯·马鲁姆用大功率电机进行实验时发现,当空气流过一串火花时,会产生一种特殊气味,但并未深究。此后,舒贝因于1840年也发现在电解和电火花放电实验过程中有一种气味,并断定它是由一种新气体产生的,从而宣告了臭氧的发现。


第一次****期间,一些德国士兵最早将臭氧应用于治疗厌氧菌感染所致的皮肤坏疽;1936 年,法国医生P.Aubourg最早提倡将臭氧注入直肠治疗结肠炎。臭氧在国外,尤其是在欧洲临床上应用已有50 余年的历史,九十年代后,臭氧应用进入我国,主要将臭氧应用于治疗腰间盘突出、清除自由基抗衰老等方面,之后臭氧在临床的应用迅速发展起来,正式成为一种应用广泛,作用强大的新药物、新方法。

 

 

我国从20世纪80年代初期,已开始对采用臭氧对饮用水消毒和工业废水深度处理予以注意,但发展较慢。在我国目前的城市供水中,绝大多数水厂均采用混凝、沉淀、过滤、消毒的处理工艺,其中消毒工艺主要采用氯气和漂白粉,使用臭氧的比例很低。同时,将臭氧应用于冷却水处理方面的实践,也还刚刚开始。但由于臭氧法处理的经济性、可靠性及无毒、无二次污染等一系列优点,可以预言,臭氧在我国也将得到普及。


 

臭氧产生方法

 

 

产生臭氧的方法主要有紫外照射法、电解法、放射化学法和介质阻挡放电法

 

紫外照射法



紫外照射法是利用紫外线照射干燥的氧气,使一部分氧分子被激活离解成氧原子,进而形成臭氧。紫外照射法产生臭氧的特点是臭氧浓度低,优点是不易产生氧化物,不需要复杂转换设备。但是紫外照射法不适合于大量生产臭氧,只适合于少量、低浓度要求的各种试验,如空气消毒、灭菌、除臭等。



 

电 解 法



电解法制备臭氧主要通过采用低压直流电对水进行电解,使水在阳极-溶液界面上发生氧化反应产生臭氧。该臭氧制备装置由电解质溶液和阴阳两极构成。臭氧在阳极析出,阴极可分为两种,分别为析氢阴极和氧还原阴极。电解法产生臭氧具有浓度较高、成份纯净、水中溶解度高 、对进料空气无须进行预处理且不会产生氮氧化物;此外,该臭氧生产设备小且轻便,结构简单,无噪声、便携,因此其应用前景非常广阔。 其主要缺点是能耗较大,经过进一步改进,设法降低成本和电耗后,有可能与目前广泛使用的介质阻挡放电法相竞争。

 



 

放射化学法



放射化学法是利用各种放射源核辐射离解氧分子生成臭氧。该法已有两种工艺用于工业型臭氧生产,一是氧同裂变产物接触,由辐射氧同裂变产物及二次辐射的热碰撞产生臭氧。二是仅在辐射下生成臭氧,该方法因采用放射源,其成本高、安全性差,只适用于某些特殊情况,不适合于工业大量生产。

 



 

介质阻挡放电法



介质阻挡放电法也称无声放电法(简称DBD法)。通过交变高压电场在气体中产生电晕,电晕中的自由高能电子离解氧气分子,经碰撞聚合为臭氧分子。介质阻挡放电法具有能耗相对较低、单机臭氧产量大,气源可用干燥空气、氧气或含氧浓度较高的富氧气体等优点,因此工业上合成臭氧大多采用此法。

臭氧检测分析



 


臭氧分析主要有光谱分析和电化学分析。常用检测方法主要为碘量法、靛蓝二磺酸钠分光光度法、紫外吸收法和化学发光法。实验室常用的是碘量法。将臭氧通入碘化钾溶液中,可使碘游离出来,这一反应可用作臭氧的定量分析。 碘量法利用臭氧与KI生成 I2,以淀粉为指示剂,用硫代硫酸钠滴定,也可用淀粉试剂显色后,根据颜色深浅,在550nm处比色测定。专用检测仪器推荐


 



光谱分析法-Model 106M


 

 



电化学分析法-MP100


 

 



电化学分析法-MP400S


 

 

臭氧的危害



 

对人体的危害


国际环境空气质量标准(National Ambient Air Quality StandardsNAAQS)提出,人在一个小时内可接受臭氧的极限浓度是260μg/m3。在320μg/m3臭氧环境中活动1h就会引起咳嗽、呼吸困难及肺功能下降。臭氧还能参与生物体中的不饱和脂肪酸、氨基及其他蛋白质反应,使长时间直接接触高浓度臭氧的人出现疲乏、咳嗽、胸闷胸痛、皮肤起皱、头痛、脉搏加速、记忆力衰退、视力下降等症状。

 

 

其他危害


臭氧也会使植物叶子变黄甚至枯萎,对植物造成损害,甚至造成农林植物的减产、经济效益下降等。臭氧能够较快地与室内的建筑材料(如乳胶涂料等表面涂层)、居家用品(如软木器具、地毯等)、丝、棉花、醋酸纤维素、 尼龙和聚酯的制成品中含不饱和碳碳键的有机化合物(包括橡胶、 苯乙烯、不饱和脂肪酸及其酯类)发生反应,从而造成染料褪色、照片图像层脱色、轮胎老化等。



臭氧污染防治

 

臭氧污染来源



臭氧的来源分为自然源和人为源 。自然源的臭氧主要指平流层的下传。1962年,Junge研究认为,在波长小于240nm 紫外线的辐射条件下,平流层中的臭氧会分解,产生的氧原子与氧分子结合产生臭氧,平流层臭氧向下传输到对流层,成为对流层中臭氧的源。



人为源的臭氧主要是由人为排放的NOxVOCs等污染物的光化学反应生成。在晴天、紫外线辐射强的条件下,NO2等发生光解生成一氧化氮和氧原子,氧原子与氧反应生成臭氧。臭氧是强氧化剂,在洁净大气中,臭氧与一氧化氮反应生成为NO2,而臭氧分解为氧气,上述反应的存在使臭氧在大气中达到一种平衡状态,不会造成臭氧累积。当空气中存在大量VOCs等污染物时,VOCs等产生的自由基与一氧化氮反应生成二氧化氮,此反应与臭氧和一氧化氮的反应形成竞争,不断取代消耗二氧化氮光解产生的NOHO2HOH引起了NONO2转化,使上述动态平衡遭到破坏,导致臭氧逐渐累积,达到污染难度级别。NOxVOCsCO等臭氧前体物都是一次污染物,主要来源于交通工具的尾气排放、石油化工和火力发电等工业污染源排放及饮食、印刷、房地产等行业的污染源排放等。秸秆等生物质的大量燃烧,也会产生大量的VOCsNOx等臭氧前体物。

 



 

臭氧污染检测



我国20122月发布的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)规定,臭氧的日最大8小时平均值二级浓度限值为160μg/m3。作为空气中六大污染物之一,臭氧污染监测是臭氧污染预报和防治的重要内容之一。

 

1929Dobson分光光度计的研制成功,奠定了大气臭氧地面观测的基础。我国在20世纪50年代开始对臭氧总含量进行观测,先后建立了香河市臭氧观测站和昆明臭氧观测站,所用仪器均为Dobson臭氧分光光度计。测定臭氧的方法有试纸比色法、微分光谱法、库仑法、极谱法、气相色谱法、化学发光及荧光法等十几种。


我国目前测定臭氧的标准方法主要有《环境空气臭氧的测定 靛蓝二磺酸钠分光光度法》(HJ 504-2009)和《环境空气臭氧的测定紫外光度法》(HJ 590-2010)两种手工分析方法,自动监测方法主要有紫外荧光法差分吸收光谱分析法

 

控制对策



我国对于臭氧污染的控制防治尚处于起步阶段。臭氧污染与雾霾不同,其产生机制复杂,治理难度很大。在公众层面,不仅要注意个人健康防护,而且应积极参与到臭氧防治工作。臭氧污染时,戴口罩基本阻挡不了臭氧的吸入。因此,在臭氧污染严重时,儿童和老人等敏感人群应尽量避免在午后日照强烈时外出,远离马路边、装修污染严重的地方。在国家层面,目前主要要建立臭氧和PM2.5协同控制机制,制定行之有效的臭氧污染防治对策。

 

挥发性有机化合污染物和氮氧化物是臭氧形成的重要前体物,控制臭氧污染,就要协同控制好挥发性有机化合物和氮氧化物的排放。如:使用天然气、太阳能、风能、生物质能等清洁能源,整治各类散乱污企业,限制煤炭等的消费总量;优化发展方式,改进工艺设计,在火电、钢铁、水泥建材、焦化、有色、石油炼制、化工、农药医药、包装印刷等重点行业实施清洁生产,减少污染物排放;控制城市机动车数量,进一步严格尾气排放标准,鼓励购买和使用清洁能源汽车,减少机动车尾气排放量。


按《大气污染防治行动计划》,通过采取综合防治措施,坚持政府调控与市场调节相结合、全面推进与重点突破相配合、区域协作与属地管理相协调、总量减排与质量改善相同步,形成政府统领、企业施治、市场驱动、公众参与的大气污染防治新机制。

关于臭氧的知识,

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