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臭氧的化学性质
 
慧聪网   2005年12月1日15时12分      

    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
F2
2.87
二氧化氯
ClO 2
1.50
臭氧
O3
2.07
Cl 2
1.36
过氧化氢
H2O2
1.78
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。
    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。、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。
 
作者:张学志 
 
 
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