Озон, фізико-хімічні властивості, застосування

Озон - О3, аллотропная форма кисню, що є потужним окислювачем хімічних і інших забруднюючих речовин, які руйнуються при контакті. На відміну від молекули кисню, молекула озону складається з трьох атомів і має довші зв'язку між атомами кисню. За своєю реакційної здатності озон займає друге місце, поступаючись лише фтору.

Фізичні властивості озону.
Озон може існувати у всіх трьох агрегатних станах. При нормальних умовах озон - газ блакитного кольору. Температура кипіння озону - 1120С, а температура плавлення становить - 1920С.
Завдяки своїй хімічній активності озон має дуже низьку гранично-допустиму концентрацію в повітрі (порівнянну з ГДК бойових отруйних речовин) 5 · 10-8% або 0,1 мг / м3, що в 10 разів більше нюхового порога для людини.

Хімічні властивості озону.
Слід зазначити насамперед дві основні властивості озону:

Озон на відміну від атомарного кисню є відносно стійким з'єднанням. Він мимоволі розкладається при високих концентраціях, при цьому чим вище концентрація, тим вище швидкість реакції розкладання. При концентраціях озону 12-15% озон може розкладатися з вибухом. Слід також зазначити, що процес розкладання озону прискорюється з ростом температури, а сама реакція розкладання 2О3> 3О2 + 68 ккал екзотермічна і супроводжується виділенням великої кількості тепла.

O3 -> Про + Про 2
О3 + О -> 2 О2
О2 + E- -> О2

Озон є одним з найсильніших природних окислювачів. Окислювальний потенціал озону становить 2,07 В (для порівняння у фтору 2,4 В, а у хлору 1,7 В).

Озон окисляє всі метали за винятком золота і групи платини, доокісляет оксиди сірки і азоту, окисляє аміак з утворенням нітриту амонію.
Озон активно вступає в реакцію з ароматичними сполуками з руйнуванням ароматичного ядра. Зокрема озон реагує з фенолом з руйнуванням ядра. Озон активно взаємодіє з насиченими вуглеводнями з руйнуванням подвійних вуглецевих зв'язків.
Взаємодія озону з органічними сполуками знаходить широке застосування в хімічній промисловості і в суміжних галузях. Реакції озону з ароматичними сполуками лягли в основу технологій дезодорації різних середовищ, приміщень і стічних вод.

Біологічні властивості озону.
Незважаючи на велику кількість досліджень механізм недостатньо розкритий. Відомо, що при високих концентраціях озону спостерігаються ураження дихальних шляхів, легенів і слизової оболонки. Тривала дія озону призводить до розвитку хронічних захворювань легень і верхніх дихальних шляхів.
Вплив малими дозами озону надає профілактичну і терапевтичну дію і починає активно використовуватися в медицині - в першу чергу для дерматології і косметології.
Крім великої здатності знищення бактерій озон має високу ефективність у знищенні суперечка, цист (щільні оболонки, що утворюються навколо одноклітинних організмів, наприклад, джгутикових і корненожек, при їх розмноженні, а також в несприятливих для них умовах) і багатьох інших патогенних мікробів.

Технологічне застосування озону
В останні 20 років області застосування озону значно розширилися і в усьому світі ведуться нові розробки. Настільки бурхливому розвитку технологій з використанням озону сприяє його екологічна чистота. На відміну від інших окислювачів озон в процесі реакцій розкладається на молекулярний та атомарний кисень і граничні оксиди. Всі ці продукти, як правило, не забруднюють навколишнє середовище і не призводять до утворення канцерогенних речовин як, наприклад, при окисленні хлором або фтором.

вода:
У 1857 р за допомогою створеної Вернером фон Сіменсом "досконалої трубки магнітної індукції" вдалося побудувати першу технічну озонову установку. У 1901 р фірмою "Сіменс" побудована перша гідростанція з озонаторной установкою в Вісбанде.
Історично застосування озону почалося з установок з підготовки питної води, коли в 1898 році в місті Сан Мор (Франція) пройшли випробування першої дослідно-промислової установки. Вже в 1907 році був побудований перший завод по озонуванню води в місті Бон Вуаяж (Франція) для потреб міста Ніцци. У 1911 році була пущена в експлуатацію станція озонування питної води в Харкові.
В даний час 95% питної води в Європі проходить озону підготовку. У США йде процес перекладу з хлорування на озонування. ВУкаіни діють кілька великих станцій (в Москві, Нижньому Новгороді та інших містах).

повітря:
Застосування озону в системах очищення води доведено надзвичайно ефективним, проте до цих пір не створено таких же ефективних і доведено безпечних повітроочисних систем. Озонування вважається нехімічних способом очищення і тому популярно серед населення. Разом з тим, хронічний вплив мікро-концентрацій озону на організм людини достатньо не вивчено.
При дуже незначній концентрації озону повітря в приміщенні відчувається приємним і свіжим, а неприємні запахи відчуваються набагато слабкіше. На противагу поширеній думці про сприятливу дію цього газу, який приписують в деяких проспектах багатому озоном лісовому повітрю, в дійсності озон навіть при великому розведенні є дуже токсичний і небезпечний дратівливий газ. Навіть малі концентрації озону можуть надавати дратівливу дію на слизові оболонки і викликати порушення центральної нервової системи, що веде до появи бронхіту і головних болів.

ПРИНЦИП ДІЇ.
Озон утворюється з кисню. Існує кілька способів отримання озону, серед яких найбільш поширеними є: електролітичний, фотохімічний та електросинтез в плазмі газового розряду. Щоб уникнути небажаних окисів краще отримувати озон з чистого медичного кисню використовуючи електросинтез. Концентрацію одержуваної озоно-кисневої суміші в таких апаратах легко варіювати - або задаючи певну потужність електричного розряду, або регулюючи потік входить кисню (чим швидше кисень проходить через озонатор, тим менше озону утворюється).

Електролітичним методом синтезу озону здійснюється в спеціальних електролітичних осередках. В якості електролітів використовуються розчини різних кислот і їх солі (H2SO4, HClO4, NaClO4, KClO4). Освіта озону відбувається за рахунок розкладання води і освіти атомарного кисню, який приєднуючись до молекули кисню утворює озон і молекулу водню. Цей метод дозволяє отримати концентрований озон, однак він дуже енергоємний, і тому він не знайшов широкого поширення.
Фото-хімічний метод отримання озону представляє з себе найбільш поширений в природі спосіб. Освіта озону відбувається при дисоціації молекули кисню під дією короткохвильового УФ випромінювання. Цей метод не дозволяє отримувати озон високої концентрації. Прилади, засновані на цьому методі, набули поширення для лабораторних цілей, в медицині і харчовій промисловості.
Електросинтез озону набув найбільшого поширення. Цей метод поєднує в собі можливість отримання озону високих концентрацій з великою продуктивністю і відносно невисокими енерговитратами.
В результаті численних досліджень по використанню різних видів газового розряду для електросинтезу озону поширення набули апарати використовують три форми розряду:

Бар'єрний розряд - отримав найбільшого поширення, представляє з себе велику сукупність імпульсних мікророзрядів в газовому проміжку довжиною 1-3 мм між двома електродами, розділеними одним або двома діелектричними бар'єрами при харчуванні електродів змінною високою напругою частотою від 50 Гц до декількох кілогерц. Продуктивність однієї установки може становити від грамів до 150 кг озону на годину.
Поверхневий розряд - близький за формою до бар'єрного розряду, що набув поширення в останнє десятиліття завдяки своїй простоті і надійності. Так-таки являє собою сукупність мікророзрядів, що розвиваються уздовж поверхні твердого діелектрика при харчуванні електродів змінним напругою частотою від 50 Гц до 15-40 кГц.
Імпульсний розряд - як правило стримерний коронний розряд, що виникає в проміжку між двома електродами при харчуванні електродів імпульсною напругою тривалістю від сотень наносекунд до одиниць мікросекунд.

ЕФЕКТ СТЕРИЛІЗАЦІЇ.
До стерилізує достоїнств озону відносять широкий спектр його біоцидного дії при низькій концентрації, можливість використання для знезараження важкодоступних поверхонь, більш короткий період напіврозпаду в порівнянні з іншими газами, а також наявність дезодорирующего ефекту.
Механізм інактивації повітряної мікрофлори озоном дуже схожий на дію озону в воді. Спершу озон впливає на оболонку мікроорганізмів шляхом реакції з подвійними зв'язками липоидов. Потім, завдяки здатності руйнувати дегідрогенази клітини, озон впливає на її подих. В результаті порушення проникності оболонки і зміни розчинності білків клітина лізує. Виявлено проникнення озону всередину мікробної клітини, вступ його в реакцію з речовинами цитоплазми і перетворення замкнутого плазмида ДНК у відкриту ДНК, що знижує проліферацію бактерій.
Противірусну дію озону зв'язується з руйнуванням вірусних частинок, інактивацією зворотної транскриптази і впливом на здатність вірусу зв'язуватися з клітинними рецепторами. Капсульованих віруси більш чутливі до дії озону, ніж некапсулірованние. Це пояснюється тим, що капсула містить багато ліпідів, які легко взаємодіють з озоном.
Спостерігається певну відмінність між різними видами мікроорганізмів по їх опірності дії озону. Досить швидко гинуть збудники ангіни, дифтерії, різні цвілі. Як правило, найбільш стійкі мікроби, вкриті оболонкою, як наприклад туберкульозна паличка і мікробні спори.
Ефективність стерилізуючого дії озону залежить від його концентрації, експозиції, температури, вологості, виду мікроорганізму, pH і вихідної обсіменіння знезараженого повітря.
Озон в низьких концентраціях (близько 0,2 мг / м3) не дуже ефективний для знищення бактерій, тому що вони відновлюються через деякий час після обробки. У цих випадках озон надає лише поверхневу дію (контактуючи з зовнішньою оболонкою клітини) і незначно проникає вглиб. Для повної інактивації мікрофлори приміщення необхідна висока концентрація озону і тривалий час для контакту з мікроорганізмами.
Оксиди азоту (N2О, N2O5, NO і ін.) Підсилюють бактерицидні властивості озону, які в значній мірі залежать від вологості повітря. При відносній вологості повітря нижче 45% озон майже не робить бактерицидного дії, а оптимум його активності лежить між 60-80% вологості.
У професійних цілях для стерилізації повітря приміщення в присутності людей генератор озону служити не може, оскільки концентрація озону в кілька разів перевищує ГДК для людини. Висока концентрація виділяється озону призводить до деструкції полімерів і натуральної гуми, окислення металів і псування електронного обладнання.

Ефективні в очищенні повітря приміщень.
Чи не виробляють шкідливих побічних продуктів.
Полегшують умови для алергіків, астматиків і ін.

Недоліки озонаторів:
Будь-яка система стерилізації, яка використовує озон, вимагає ретельного контролю техніки безпеки, тестування константи концентрації озону газоаналізаторами, а також аварійного управління надмірною концентрацією озону.
Озонатор не розрахований для роботи в:

середовищі, насиченою електропровідний пилом і водяними парами,
місцях, що містять активні гази і пари, що руйнують метал,
місцях з відносною вологістю понад 95%,
у вибухо- і пожежонебезпечних приміщеннях.

Застосування озонаторів для стерилізації повітря в приміщеннях:

подовжує за часом процес стерилізації,
збільшує токсичність і окислення повітряного середовища,
призводить до небезпеки вибуху,
повернення людей в продезинфицированное приміщення можливо тільки після повного розкладання озону.

РЕЗЮМЕ.
Озонування високоефективно для стерилізації поверхонь і повітряного середовища приміщення, однак ефект очищення повітря від механічних домішок відсутня. Неможливість використання методу в присутності людей і необхідність проводити знезаражування в герметичному приміщенні серйозно обмежує сферу його професійного застосування.