臭氧的性质

一、  臭氧的物理性质

　　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。

共振杂化分子的四种典型形

一种简化的分子轨道图

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

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

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)

    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)

    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

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。

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