臭氧的化學(xué)分子式為O3，常溫、常壓下無色，有特臭的氣味，具有強(qiáng)氧化作用。氧氣的同素異形體，每個分子由三個氧原子組成。當(dāng)其存在于平流層時有助于保護(hù)地球上的生物免受紫外線的傷害，而當(dāng)其在地球表面附近時，是城市光化學(xué)煙霧的一種組分，對植被和人類有傷害作用。在常溫下，它是一種有特殊臭味的藍(lán)色氣體，主要存在于距地球表面20公里的同溫層下部的臭氧層中。
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氣態(tài)臭氧厚層帶藍(lán)色，有刺激性腥臭氣味，濃度高時與氯氣氣味相像；液態(tài)臭氧深藍(lán)色，固態(tài)臭氧紫黑色。臭氧極易分解，很不穩(wěn)定。它不溶于液態(tài)氧，四氯化碳等。有很強(qiáng)的氧化性，在常溫下可將銀氧化成氧化銀，將硫化鉛氧化成硫酸鉛。臭氧可使許多有機(jī)色素脫色，侵蝕橡膠，很容易氧化有機(jī)不飽和化合物。
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臭氧對生產(chǎn)生活有著很重要的意義，那臭氧是如何制備的呢？大氣中的臭氧主要來自于閃電或地面上某些有機(jī)物的氧化，實(shí)際應(yīng)用的臭氧主要是采用電暈放電法、電解法與紫外線法等制備。
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其中的紫外線法是最早使用的制備臭氧的方法，通過紫外線照射干燥的氧氣，一部分氧分子被激活離解成氧原子，進(jìn)而形成臭氧。在紫外線照射氧氣的過程中，既有使氧變成臭氧的波長，也有使臭氧分解的波長，因此臭氧的產(chǎn)量將取決于產(chǎn)生臭氧的波長與分解臭氧的波長量的比值。紫外線照射法重復(fù)性好，對溫度不敏感，易通過光源控制改變臭氧產(chǎn)量，但無法用于大量生產(chǎn)臭氧，因此，對實(shí)驗(yàn)用以及其他少量低濃度要求的情況，如空氣消毒、滅菌、除臭等還是合適的。
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另一個是電解法，它可以生產(chǎn)高濃度臭氧，但其能耗大，設(shè)備復(fù)雜，電解液均為水內(nèi)填加酸、鹽類電解質(zhì)，對設(shè)備耐腐蝕程度要求高。其反應(yīng)原理如下：SO42-→SO4+2?e ⑸ 3SO4+H2O→3H2SO4+O3? ⑹ 近年來，經(jīng)過人們對極板材料、機(jī)理、電解過程等方面的大量研究，電解法制臭氧技術(shù)有了很大提高。此外，臭氧的制備還有放射法、等離子流法等，但現(xiàn)在工業(yè)上應(yīng)用最常見的還是介質(zhì)阻擋放電法。
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相對各種制備方法而言，電暈放電法較為經(jīng)濟(jì)，工業(yè)用臭氧大多由此產(chǎn)生。電暈放電法又可分為極問直接放電、無聲放電和沿面放電等形式。沿面電暈放電具有起始電壓低、擊穿電壓高，放電通道更有利于臭氧的形成及擴(kuò)散，產(chǎn)生臭氧的效率高，可控性好等優(yōu)點(diǎn)，是近年來臭氧生產(chǎn)研究的主要方向。電暈放電法臭氧發(fā)生器生產(chǎn)臭氧是一個極為復(fù)雜的過程，包括發(fā)生在放電通道中的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，可用三個步驟來概括：
①高能粒子的產(chǎn)生在強(qiáng)電場的作用下放電管中會產(chǎn)生具有一定能量的電子，電子能量分配與每次微放電發(fā)生時放電管兩端所加電場強(qiáng)度有關(guān)，電子的能量分配應(yīng)控制在適量的范圍內(nèi)將有利于臭氧的生成。資料表明，電子能量在2～8.4eV時，會加速臭氧的分解反應(yīng)的進(jìn)行，大大降低臭氧生產(chǎn)效率；當(dāng)電子的能量大于8.4eV時，有利于臭氧生成反應(yīng)，在放電區(qū)間內(nèi)應(yīng)盡可能提高這部分電子的含量；
②氧原子的產(chǎn)生具有一定能量的電子與氧分子碰撞引起氧氣分子解離，產(chǎn)生氧原子：e+o2—2O+?(1)；
③臭氧的生成具有一定能量的氧原子和氧氣分子碰撞，反應(yīng)生臭氧：O+0?+M一03+M?(2)其中：M表示參與反應(yīng)的中間物質(zhì)。在臭氧生產(chǎn)過程中還存在著一些副反應(yīng)，如：臭氧分子和其他粒子發(fā)生碰撞、發(fā)生分解反應(yīng)或和其他物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。0+03—202?(3)??03+e一一O+O?+e一(4)e+O+M一0+M?(5)上面的反應(yīng)僅為臭氧生產(chǎn)過程中的幾個典型的代表，實(shí)際臭氧生產(chǎn)中過程都包含很多復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)。
在(1)式中，電源的選取會直接影響到放電通道的特性，決定著放電通道中粒子問的能量分配。電源的選取還會影響到后面發(fā)生的一系列復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的條件，從而在一定程度上影響臭氧生產(chǎn)的效率，電源的頻率和電壓是影響臭氧發(fā)生器生產(chǎn)效率非常重要的因素。臭氧的產(chǎn)生效率在一定范圍內(nèi)會隨著電源頻率的升高而增大，這是因放電的電能密度隨著頻率的升高而增大，而電能密度的增大有利于氧原子的解離，在一定的范圍內(nèi)有利于提高臭氧產(chǎn)生效率。放電通道中電子的能量分布還將影響到放電通道中氧原子濃度。由于氧原子不單參與與氧氣分子結(jié)合產(chǎn)生臭氧的反應(yīng)，還要和其他粒子碰撞發(fā)生副反應(yīng)，如與電子結(jié)合成負(fù)氧離子消耗能量、與臭氧分子碰撞引起其分解、與電極和介電體表面發(fā)生碰撞消耗能量，如式(3)至(5)等，所以，氧原子的相對濃度并非越高越好，而是有最優(yōu)值。氧原子濃度和放電通道的能量分布有直接的關(guān)系，為了提高臭氧生產(chǎn)效率應(yīng)該設(shè)計(jì)適合的放電強(qiáng)度。臭氧 分解反應(yīng)的激烈程度主要取決于溫度和微放電時的初始臭氧濃度。當(dāng)放電達(dá)到一定強(qiáng)度時，臭氧的分解反應(yīng)會十分活躍，很大程度上降低臭氧生產(chǎn)效率。一個理想的放電通道應(yīng)該具有較短的持續(xù)時問，合適的強(qiáng)度，每一次放電產(chǎn)生的臭氧應(yīng)能夠及時輸送到放電通道以外。放電通道的溫度也應(yīng)該控制在合理的范圍，以抑制臭氧的分解反應(yīng)。
臭氧可氧化重金屬元素為不溶于水的化合物如鐵、錳、鋁、銅、錫、金、銀，使其沉淀除去，因而臭氧在水處理領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
臭氧代替氯系作自來水消毒劑。氯能有效殺滅水中細(xì)菌，但氯也能與水中有機(jī)物形成致癌的三鹵甲烷及其他鹵化物。研究表明，臭氧不僅具有很強(qiáng)的消毒殺菌作用，還可以氧化去除水中的微污染物質(zhì)，氧化較為徹底，較少產(chǎn)生副產(chǎn)物，基于臭氧的強(qiáng)氧化性且可在水中短時間內(nèi)自行分解，沒有二次污染，因此，臭氧是理想的綠色氧化藥劑。臭氧無論在酸性或堿性條件下都具有強(qiáng)氧化性，能將水中的二價鐵、錳等及其他金屬離子氧化成三價鐵及高價錳等，使溶解性的鐵、錳變成固態(tài)物質(zhì)，以便通過沉淀和過濾除去。臭氧殺菌效果好，速度快，而且對消滅病毒非常有效。臭氧處理含氰廢水及其他工業(yè)廢水臭氧不僅在處理自來水方面有突出的優(yōu)點(diǎn)，在處理工業(yè)污水中也非常有效，如常規(guī)的水處理方法對氰化物的去除效果不大，而臭氧則能很容易地將氰化物氧化成毒性小100?的氰酸鹽。在降解污染物上，雖然臭氧能氧化降解大多數(shù)的無機(jī)、有機(jī)物，但也不是“萬能藥劑”，如臭氧能使一般的氰絡(luò)合鹽及氰化物快速分解，但處理鐵氰絡(luò)合鹽則比較困 難。臭氧能有效地氧化生物難降解的有機(jī)物，但當(dāng)臭氧濃度過低時，對這些生物難降解有機(jī)物的處理效果也不甚理想。
臭氧在醫(yī)藥工業(yè)中也有獨(dú)特的應(yīng)用價值。醫(yī)藥工業(yè)獲得無菌藥品生產(chǎn)環(huán)境的方法，大致可分為兩大類：滅菌和除菌。醫(yī)藥工業(yè)應(yīng)用的除菌、除塵方法往往不是單一的，而是滅、除兩者的結(jié)合。應(yīng)用臭氧消毒滅菌則是醫(yī)藥工業(yè)的優(yōu)選方法。臭氧具有消毒滅菌力強(qiáng)、不產(chǎn)生殘余污染的優(yōu)越性能，在發(fā)達(dá)國家已被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥、電子、化工、光學(xué)等工業(yè)和生物制品、遺傳工程、食品飲料生產(chǎn)、遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域（氧負(fù)離子發(fā)生器、雙氧水蒸發(fā)器、負(fù)氧機(jī)等設(shè)備）。制藥、生物制品、遺傳工程等行業(yè)可以利用臭氧對無菌生產(chǎn)環(huán)境消毒滅菌、凈化空氣；可以對生產(chǎn)設(shè)備、模具、工具、容器、反應(yīng)釜貯罐和輸液、輸料、輸氣管道進(jìn)行消毒；也可以對生產(chǎn)原輔材料、包裝材料、工作服等進(jìn)行消毒。
臭氧凈化空氣時，主要是殺滅空氣中細(xì)菌病毒、消除臭味。一般在20M2的室內(nèi)開臭氧機(jī)15分鐘或聞到臭氧氣味后停機(jī)，就可達(dá)到滅菌、消除異味的效果。新裝修的室內(nèi)散發(fā)的苯、甲醛、油漆等怪味；廚房中油煙味、泄漏的煤氣；舞廳、卡拉OK室、賓館客房、包廂、會議室、車廂內(nèi)等地方都可凈化，以便消除異味。醫(yī)院的病房用上臭氧消毒凈化器。不但消除雷素、福米林等化學(xué)消毒劑惱人的氣味，而且殺滅各種細(xì)菌病毒，避免交叉感染；改善空氣質(zhì)量，為病人創(chuàng)造健康的環(huán)境。
臭氧對水果蔬菜殺毒保鮮也有重要應(yīng)用。水果蔬菜保鮮、消除表面殘留農(nóng)藥將水果裝進(jìn)塑料袋，把膠管伸到袋中扎上袋囗，裝二三公斤的水果，充臭氧5～10分鐘，可大大地延長水果新鮮期。或者將水果蔬菜放在水里，把爆氣頭伸到底下爆臭氧5～10分鐘，消除表面殘留農(nóng)藥。還有室內(nèi)的觀賞花木、鮮花店中的鮮花用臭氧水噴灑或澆灌，枝葉更青翠、花朵更鮮艷、花期更長久。
臭氧還可以降解肉類食品中的激素、抗生素等對人體有危害的東西。豬、雞肉中激素及抗生素含量很高，可將肉類食品泡在水中，把爆氣頭放在下方爆臭氧5～20分鐘，經(jīng)臭氧降解后的肉即香又鮮。
臭氧氧化水處理技術(shù)在徹底去除水中無機(jī)和有機(jī)污染物、對環(huán)境不造成二次污染、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展上有著突出的優(yōu)點(diǎn)，特別是當(dāng)水中含有重金屬離子及其他技術(shù)難降解的有機(jī)物時，尤其我們現(xiàn)在重視自身環(huán)境，更重視微污染物的危害時，有著更明顯的優(yōu)勢。最近，材料技術(shù)的進(jìn)步，以及高濃度臭氧生產(chǎn)技術(shù)的開發(fā)，使臭氧氧化技術(shù)在水凈化領(lǐng)域及其他領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景和社會效益，人們正向環(huán)境時代的邁進(jìn)，而臭氧必將成為支撐的技術(shù)之一。
