臭氧常用基础知识和常用数值

时间:2014-11-26 17:33:45
作者:佳环臭氧 来源于:佳环臭氧官网
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常用臭氧数据

  1、臭氧发生器的规格是按照臭氧产生量的多少划分的。臭氧产量的单位是mg/h或g/h(毫克/小时或克/小时),即臭氧发生器工作1小时能够产生多少重量单位的臭氧。

  2、臭氧在空气中的浓度单位是ppm或mg/m3;臭氧在水中的浓度单位是ppm或mg/L。换算方法:在空气中时1ppm﹦2 mg/m3;在水中时,1ppm﹦1mg/L。

  3、臭氧在大气中达到一定的浓度时就会造成环境污染。我国规定:在居住环境,臭氧浓度超过0.1mg/m3时就构成空气污染;在作业场所,臭氧浓度超过0.2mg/m3时就构成污染。

  4、空气中的臭氧浓度达到0.01-0.02mg/m3时,人即可嗅知。

  5、在对食品厂、化妆品厂、生产车间、库房等场所进行消毒时,空气中的臭氧浓度需达到10-20 mg/m3,并且要密闭作用30分钟的时间。消毒时人不可在现场。

  6、常压混合条件下,瓶装纯净水用臭氧消毒时,通常1m3/h水需使用3g臭氧,并且水中臭氧浓度需≥0.3mg/L;对瓶装矿泉水臭氧消毒时,通常1m3/h水需使用6g臭氧,并且水中臭氧浓度需≥0.5mg/L。

臭氧是一种具有刺激性特殊气味的不稳定气体,分子结构如图所示。它可在地球同温层内光化学合成,但是在地平面上仅以极低浓度存在。 

  1.1 一般物理性质 

  在常温下,臭氧为蓝色气体,不过在常温下,蓝色并不明显,除非是相当厚的气体。臭氧的主要物理性质列于表 1-1, 液体密度和蒸汽压列于表 1-2 。 

  1-1 纯臭氧的物理性质 

  熔点( 760mmHg)/℃ -192.5±0.4 气体密度( 0℃)/(g/L) 2.144

  沸点( 760mmHg)/℃ -111.9±0.3 蒸发热( -112℃)/(J/L) 316.8

  临界温度 /℃ -12.1 临界密度 /(g/ml) 0.437

  临界压力 /atm 54.6 固态臭氧密度( 77.4K)/(g/cm 3 ) 1.728

  临界体积( cm 3 /mol) 111 液态热容( 90~105K)/(cal/k) 0.425+0.0014×(T-9)

  液态臭氧的粘滞度 77.6K(Pa•s)

  90.2K(Pa•s) 0.00417

  0.00156 汽化热

  -111.9℃

  -183℃ 14277

  15282

  表面张力( cyn/cm)①

  77.2K

  90.2K 43.8

  38.4 生成热

  气体( 298.15k)

  液体( 90.15k)

  理想气体( 0k) 142.98

  125.60

  145.45

  等张比容( 90.2K) 75.7 生成自由能(气体, 298.15k) 162.82

  介电常数(液态 90.2k) 4.79 偶极距 /Debye(德拜) 0.55

  磁化率( cm-g-s单位)气体/液体 0.002×10 -6

  0.150 

  ①1dyn=10 -3 N/m;1atm=101.325Pa;1cal=4.18J 。 

  表 1-2 臭氧的液体密度和蒸气压 

  温度 /℃ 液体密度

  /(g/cm 3 ) 液体蒸气压

  /mmHg 温度 /℃ 液体密度 / ( g/cm3 ) 液体蒸气压

  /mmHg

  -183 1.574 0.11 -140 1.442 74.2

  -180 1.566 0.21 -130 1.410 190

  -170 1.535 1.41 -120 1.318 427

  -160 1.504 6.75 -110 1.347 865

  -150 1.473 24.3 -100 1.316 1605

  1.2 臭氧的溶解度 

  臭氧略溶于水,标准压力和温度下( STP ),其溶解度比氧大 13 倍(见表 1-3 ),比空气大 25 倍。 

  表 1-3 臭氧在水中的溶解度(气体分压为 10 5 Pa ) /(ml/L) 

  气体 密度( g/L) 温度 /℃

  0 10 20 30

  O 2 1.492 49.3 38.4 31.4 26.7

  O 3 2.143 641 520 368 233

  空气 1.2928 28.8 23.6 18.7 16.1

  将臭氧通入蒸馏水中,可以测出不同温度、不同压力下臭氧在水中的溶解度。图 2-2 是在压力为 1atm 时,纯臭氧在水中的溶解度和温度的关系曲线。从图2-2 知,当温度为 0℃ 时,纯臭氧在水中的溶解度可达 2.858×10 -2 mol/L(1372mg/L). 

  臭氧和其他气体一样,在水中的溶解度符合亨利定律,即在一定温度下,任何气体溶解于已知液体中的质量,将与该气体作用在液体上的分压成正比,而亨利常数的大小只是温度的函数,与浓度无关。 

  C=K H P (1-1) 

  式中 C -臭氧在水中的溶解度, mg/L ; 

  P -臭氧化空气中臭氧的分压, kPa ; 

  K H -亨利常数, mg/ ( L•kPa )。 

  从式( 1-1 )知,由于实际生产中采用的多是臭氧化空气,其臭氧的分压很小,故臭氧的溶解度远远小于表 1-3 中的数据。例如,用空气为原料的臭氧发生器生产的臭氧化空气,臭氧只占 0.6 %~ 1.2 %(体积)。根据气态方程及道尔顿分压定律知,臭氧的分压也只有臭氧化空气压力的 0.6 %~ 1.2 %。因此,当水温为 25℃ 时,将这种臭氧化空气加入水中,臭氧的溶解度只有( 0.625 ~ 1.458 ) ×10 -4 mol/L(3 ~ 7mg/L) 。 

  表 1-4 低浓度臭氧在水中的溶解度 /(mg/L)

  气体质量百分比含量 /% 温度 /℃

  0 5 10 15 20 25 30

  1 8.31 7.39 6.5 5.6 4.29 3.53 2.7

  1.5 12.47 11.09 9.75 8.4 6.43 5.09 4.04

  2 16.64 17.79 13 11.19 8.57 7.05 5.39

  3 24.92 22.18 19.5 16.79 12.86 10.58 8.09

  在一般水处理中,臭氧浓度较低,所以在水中的溶解度并不大。在较低浓度下,臭氧在水中的溶解度基本满足亨利定律。低浓度臭氧在水中的溶解度见表 1-4 。 

  二、臭氧的化学性质 

  1. 臭氧的化学性质极不稳定,在空气和水中都会慢慢分解成氧气,其反应式为: 

  2O3 →3O2 + 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。但一般臭氧化空气中臭氧的含量很难超过 10 %,在臭氧用于饮用水处理的较长历史过程中,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的多。在含有杂质的水溶液中臭氧迅速回复到形成它的氧气。如水中臭氧浓度为 6.25×10 -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。 

  臭氧在水中的分解速度随水温和 PH 值的提高而加快,图 1-3 为 PH=7 时,水温和分解速度的关系,图 1-4 为 20℃ , PH 和分解速度的关系。 

  为提高臭氧利用率,水处理过程中要求臭氧分解得慢一些,而为了减轻臭氧对环境的污染,则要求处理后尾气中的臭氧分解快一些。 

  2. 臭氧的氧化能力 

  臭氧得氧化能力极强,其氧化还原电位仅次于 F 2 ,在其应用中主要用这一特性。从表 1-5 中看出。 

  从表 1-5 可知,臭氧的标准电极电位除比氟低之外,比氧、氯、二氧化氯及高锰酸钾等氧化剂都高。说明臭氧是常用氧化剂中氧化能力最强的。同时,臭氧反应后的生成物是氧气,所以臭氧是高效的无二次污染的氧化剂。 

  表 1-5 氧化还原电位比较

  名称 分子式 标准电极电位 /mv 名称 分子式 标准电极电位 /mv

  氟 F2 2.87 二氧化氯 ClO 2 1.50

  臭氧 O3 2.07 氯 Cl 2 1.36

  过氧化氢 H2O2 1.78 氧 O 2 1.23

  高锰酸钾 MnO4 - 1.67 

  3. 臭氧的氧化反应 

  a 、与无机物的氧化反应 

  ⑴ 臭氧与亚铁的反应 

  ⑵ 臭氧与 Mn2+ 的反应 

  ⑶ 臭氧与硫化物的反应 

  ⑷ 臭氧与硫氰化物的反应 

  ⑸ 臭氧与氰化物的反应 

  总反应为: 

  ⑹ 臭氧与氯的反应 

  b 、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,下面仅以大家公认的几种反应式列出以供参考。 

  ⑴ 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,反应历程描述如下: 

  式中 G 代表 OH 、 OCH3 、 OCCH3 等基。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。 

  ⑵ 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<蒽中,其反应速度常数逐渐增大。其 

  ⑶ 对核蛋白(氨基酸)系的反应 

  ⑷ 对有机氨的氧化 

  臭氧在下列混合物的氧化顺序为 

  链烯烃>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 6.25×10 -6 mol/L(0.3mg/m3 ) 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 3.125×10 -4 ~ 1.25×10 -3 mol/L(15 ~ 60mg/m 3 ) 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 1.748×10 -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 4.46×10 -9 mol/L(0.1ppm)8h. 由于臭氧的臭味很浓,浓度为 4.46×10 -9 mol/L(0.1ppm) 时,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。

  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1-1。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。

  表1:臭氧的主要物理性质

  项目 数值 项目 数值

  分子量 47.99828 粘度(液态),Mpa•S在90.2时 1.56

  熔点,°C -192.7+(-)0.2 表面张力,Mn/m在77.2K时 43.8

  沸点,°C -111.9+(-)0.3 表面张力,Mn/m在90.2K时 38.4

  临界状态 (温度)/°C -12.1+(-)0.1 等张比容(90.2K) 75.7

  临界状态 (压力)/Mpa 5.46 介电常数(液态,90.2K),F/m 4.79

  临界状态 (体积)/(cm3/mol) 147.1 偶极距,C•m(D) 1.84*10 (0.55)

  临界状态 (密)/(g/cm3) 0.437 热容(液态,90-150K),F/m 1.778+0.0059(T-90)

  密度 气态(0°C,0.1Mpa)/(g/l) 2.144 摩尔气化热,在161.1K时 14277

  密度 液态(90K)/(g/cm3) 1.571 摩尔气化热,在90K时 15282

  密度 固态(77.4K)/(g/cm3) 1.728 摩尔生成热,KJ/mol -144

  粘度(液态),Mpa•S在77.6K时 4.17 

  表2:臭氧在水中的溶解度

  温度,°C 溶解度,g/l

  0 1.13

  10 0.78

  20 0.57

  30 0.41

  40 0.28

  50 0.19

  60 0.16

  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,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。

  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。

  臭氧与有机物反应

  臭氧与有机物以三种不同的方式反应:一是普通化学反应;二是生成过氧化物;三是发生臭氧分解或生成臭氧化物。如有害物质二甲苯与臭氧反应后,生成无毒的水及二氧化碳。所谓臭氧分解是指臭氧在与极性有机化合物的反应,是在有机化合物原来的双键的位置上发生反应,把其分子分裂为二。由于臭氧的氧化力极强,不但可以杀菌,而且还可以除去水中的色味等有机物,这是它的优点,然而它的自发性分解性、性能不稳,只能随用随生产,不适于储存和输送,这是它的缺点。当然,如果从净化水和净化空气的角度来看,由于其分解快而没有残留物质存在,又可以说成是臭氧的一大优点。

  臭氧与水中腐殖质反应

  腐殖酸的结构含有很多孔穴,它们能截留或固定有机分子。如腐殖质能与金属和杀虫剂相互作用。他们还可能含有被截留在聚合的网络中的挥发星芳香族化合物。这些化合物可能在化学氧化过程中释放出来,导致TOC的增加或毒性的增加。所以为达到供应人们清洁、安全饮水的目的,去除原水中腐殖质是十分必要和重要的。

  4.臭氧的用途

  臭氧的应用

  随着水源污染的加剧和水质标准的提高,针对常规处理工艺的不足,臭氧技术正逐渐引起人们的关注,并逐步得到应用。臭氧的主要作用有:消毒、氧化有机物、去除气味和颜色、去除颗粒。各方面资料表明,目前我国使用臭氧技术主要应用在饮用水消毒、游泳池水消毒、医疗业,还未得到广泛的应用。

  臭氧的主要应用领域 

  行业 应用

  饮用水 自来水杀菌消毒;瓶装、桶装纯净水、矿泉水等饮用水消毒;高楼屋顶水箱的水质处理

  城市污水处理 城市污水处理厂的深度处理

  娱乐业 游泳池水质消毒;营业场所空气净化、环境的消毒

  医疗业 病房、手术间的空气消毒,医疗器械消毒,医疗废水灭菌消毒处理、衣物的消毒

  化工业 工业废水、废气处理;能迅速分解废水中的氰铬盐、酚等;有机染料的脱色

家电业 臭氧消毒洗涤器、臭氧洗衣机、臭氧消毒碗柜、臭氧洗碗机等




在标准温度与压力下,臭氧是氧溶解度的13倍。

  从亨利定律可以得出结论:要提高臭氧在水中的溶解度,必须提高臭氧气在整个气源中分压,即提高臭氧源的浓度,如果臭氧源的浓度不够,处理时间再长,水中臭氧浓度也提不高(因已达到浓度平衡)。

  从以上论述,可以得到结论:

  1、为保证杀菌效果,必须保证水中臭氧的一定浓度与处理时间。

  2、为保证水中臭氧的一定浓度就需保证:

  a.臭氧源的浓度。

  b.一定的气温。

  c.水温不能过高。

  d.投入水中臭氧气的比表面积尽量大,使臭氧与水的接触机会更多。

  根据国内外应用经验一般水质的饮用水消毒处理参数推荐为:水溶臭氧浓度O.4mg/L,接触时间为4分钟,即CT值为1.6。臭氧投加量1-2mg/L,水温最好在25℃以下。前苏联标准规定饮用水中臭氧浓度不低于O.3mg/L。我国瓶装水行业推荐灌装时瓶内水臭氧浓度0.3mg/L. 二、目前常用的三种接触装置与其效果 前节已提到接触装置的根本目的是保证臭氧在水中有尽量大的溶解度,为此,就需使臭氧气与水的接触面尽量大,有足够的接触时间,因而对接触装置的基本要求是:

  1、能保证最优化的臭氧吸收效果。

  2、接触装置工作时,工艺参数控制容易,工作稳定,安全性好。

  3、能耗(搅拌或输送水、气所需动力)最低。

  4、最小的体积下有最大的生产能力。

  5、结构简单,用料便宜,制造与维修成本低。

  一般常用的接触装置有三种:鼓泡塔或池:水射器(文丘里管)与固定螺旋混合器(单用或合用):搅拌器或螺旋泵:也有两种以上串联使用的,简介如下: l、鼓泡法:大型水处理用鼓泡池,小型水处理则常用鼓泡塔,它要求鼓泡器有小(几个微米到几十微米孔径)的孔径以增加臭氧的比表面积,而且要求孔径布气均匀,以使水、气全面接触,尤其是在鼓泡池中用多个布气器时,同时一般要求从水面到布气器表面,水深不小于4-5m,以利于气、水充分接触。


( 责任编辑:向洪 )
 
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