Озон

Озон

Имена
Название ИЮПАК Озон
Систематическое название ИЮПАК Trioxygen
Другие имена 2λ 4 -триоксидиен; катена -триоксиген
Идентификаторы
Количество CAS	10028-15-6 Y
3D модель ( JSmol )	Интерактивное изображение
ЧЭБИ	ЧЕБИ: 25812 Y
ChemSpider	23208 Y
ECHA InfoCard	100.030.051
Номер ЕС	233–069–2
Ссылка на Гмелин	1101
IUPHAR / BPS	6297
MeSH	Озон
PubChem CID	24823
Номер RTECS	RS8225000
UNII	66H7ZZK23N Y
Панель управления CompTox ( EPA )	DTXSID0021098
ИнЧИ InChI = 1S / O3 / c1-3-2 Y Ключ: CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Y InChI = 1 / O3 / c1-3-2 Ключ: CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYAY
Улыбки [O-] [O +] = O
Характеристики
Химическая формула	O 3
Молярная масса	47,997  г · моль -1
Внешность	Бесцветный до бледно-голубого газа [1]
Запах	Острый [1]
Плотность	2,144 мг см -3 (при 0 ° C)
Температура плавления	-192,2 ° С; -313,9 ° F; 81.0 К
Точка кипения	-112 ° С; -170 ° F; 161 К
Растворимость в воде	1,05 г л -1 (при 0 ° С)
Растворимость в других растворителях	Хорошо растворим в CCl 4 , серной кислоте.
Давление газа	55,7 атм [2] (-12,15 ° C или 10,13 ° F или 261,00 K) [a]
Магнитная восприимчивость (χ)	+ 6,7 · 10 −6 см 3 / моль
Показатель преломления ( n D )	1,2226 (жидкость), 1.00052 (газ, стандартное давление, 546 нм - обратите внимание на высокую дисперсию) [3]
Структура
Космическая группа	C 2v
Координационная геометрия	Дигональный
Молекулярная форма	Двугранный
Гибридизация	sp 2 для O1
Дипольный момент	0,53 D
Термохимия
Стандартная мольная энтропия ( S o 298 )	238,92 Дж -1 моль -1
Std энтальпия формации (Δ F H ⦵ 298 )	142,67 кДж моль -1
Опасности
Пиктограммы GHS
Сигнальное слово GHS	Опасность
Положения об опасности GHS	H270 , H314 , H318
NFPA 704 (огненный алмаз)	4 0 4 OX
Смертельная доза или концентрация (LD, LC):
LC Lo ( самый низкий опубликованный )	12,6 частей на миллион (мышь, 3 часа) 50 частей на миллион (человек, 30 мин) 36 частей на миллион (кролик, 3 часа) 21 частей на миллион (мышь, 3 часа) 21,8 частей на миллион (крыса, 3 часа) 24,8 частей на миллион (морская свинка, 3 часа) 4,8 частей на миллион (крыса, 4 часа) [4]
NIOSH (пределы воздействия на здоровье в США):
PEL (Допустимо)	TWA 0,1 ppm (0,2 мг / м 3 ) [1]
REL (рекомендуется)	C 0,1 частей на миллион (0,2 мг / м 3 ) [1]
IDLH (Непосредственная опасность)	5 частей на миллион [1]
Родственные соединения
Родственные соединения	Диоксид серы Трисера Монооксид серы Циклический озон
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа).
Y проверить  ( что есть   ?)YN
Ссылки на инфобоксы

Озон ( / oʊ г oʊ п / ), или trioxygen , представляет собой неорганическую молекулу , с химической формулой O
₃. Это бледно-голубой газ с ярко выраженным резким запахом. Это аллотроп из кислорода , что гораздо менее стабилен , чем двухатомная аллотроп O
₂, распадаясь в нижних слоях атмосферы до O
₂( диоксид кислорода ). Озон образуется из двуокиси кислорода под действием ультрафиолетового (УФ) света и электрических разрядов в атмосфере Земли . Он присутствует в очень низких концентрациях на протяжении последних, с самой высокой высокой концентрации в озоновом слое в стратосфере , который поглощает большую часть солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения «ы.

Запах озона напоминает запах хлора , и многие люди его обнаруживают при концентрациях всего лишь0,1  ppm в воздухе. Структура O ₃ озона была определена в 1865 году. Позднее было доказано, что эта молекула имеет изогнутую структуру и слабо парамагнитна . В стандартных условиях озон представляет собой бледно-голубой газ, который при криогенных температурах конденсируется в темно-синюю жидкость и, наконец, в фиолетово-черное твердое вещество . Нестабильность озона по отношению к более распространенному дикислоду такова, что как концентрированный газ, так и жидкий озон могут взрывоопасно разлагаться при повышенных температурах или быстром нагревании до точки кипения. ^[5] Поэтому он используется в коммерческих целях только в низких концентрациях.

Озон является мощным окислителем (в гораздо большей степени, чем дикислород ) и имеет множество промышленных и бытовых применений, связанных с окислением. Однако такой же высокий окислительный потенциал приводит к повреждению озоном слизистых и дыхательных тканей животных, а также тканей растений при концентрациях выше примерно0,1 частей на миллион . Хотя это делает озон потенциально опасным для дыхательных путей и загрязняющим веществом вблизи уровня земли, более высокая концентрация в озоновом слое (от двух до восьми частей на миллион) является полезной, предотвращая попадание вредного ультрафиолетового света на поверхность Земли.

Номенклатура [ править ]

Тривиальное название озон является наиболее широко используемым и предпочтительным названием ИЮПАКА . Систематические названия 2λ ⁴ -триоксидиен ^{[ сомнительно - обсудить ]} и катена-триоксиген , действительные названия IUPAC , построены в соответствии с замещающей и аддитивной номенклатурой, соответственно. Название озон происходит от ozein (ὄζειν), греческого глагола для обозначения запаха, обозначающего характерный запах озона.

В соответствующих контекстах озон можно рассматривать как триоксидан с удаленными двумя атомами водорода, и, как таковой, триоксиданилиден может использоваться в качестве систематического названия в соответствии с номенклатурой заместителей. По умолчанию в этих названиях не учитывается радикальность молекулы озона. В еще более конкретном контексте это также можно назвать нерадикальным синглетным основным состоянием, тогда как бирадикальное состояние называется триоксидандиилом .

Триоксидандиил (или озонид ) используется несистематически для обозначения группы заместителя (-OOO-). Следует проявлять осторожность, чтобы не путать название группы с контекстным названием озона, указанным выше.

История [ править ]

В 1785 году голландский химик Мартинус ван Марум проводил эксперименты по искровому разряду над водой, когда он заметил необычный запах, который он приписал электрическим реакциям, не понимая, что он действительно создал озон. ^[6]

Полвека спустя Кристиан Фридрих Шёнбейн заметил такой же резкий запах и узнал в нем запах, часто исходящий от молнии . В 1839 году ему удалось выделить газообразное химическое вещество и назвать его «озон» от греческого слова ozein ( ὄζειν ), означающего «нюхать». ^{[7] [8]} По этой причине Шенбейну обычно приписывают открытие озона. ^{[9] [10] [11] [6]} Формула для озона, O ₃ , не была определена до 1865 года Жаком-Луи Соре ^[12] и подтверждена Шенбейном в 1867 году. ^{[7] [13]}

На протяжении большей части второй половины девятнадцатого века и вплоть до двадцатого века натуралисты и любители здоровья считали озон здоровым компонентом окружающей среды. Официальный слоган Бомонта , Калифорния, «Бомонт: Зона озона» подтверждается открытками и фирменными бланками Торговой палаты. ^[14] Натуралисты, работающие на открытом воздухе, часто считали, что возвышенности полезны из-за содержания в них озона. «Здесь совершенно другая атмосфера [на большой высоте] с достаточным количеством озона для поддержания необходимой энергии [для работы]», - писал натуралист Генри Хеншоу , работающий на Гавайях. ^[15]Приморский воздух считался здоровым из-за содержания в нем озона; но на самом деле запах, вызывающий это убеждение, - это запах галогенированных метаболитов морских водорослей. ^[16]

Похоже, что озон во многом привлекателен благодаря его «свежему» запаху, который вызывал ассоциации с очищающими свойствами. Ученые, однако, отметили его вредное воздействие. В 1873 году Джеймс Дьюар и Джон Грей Маккендрик задокументировали, что лягушки становились вялыми, птицы задыхались, а в крови кроликов наблюдалось снижение уровня кислорода после воздействия «озонированного воздуха», который «оказывал разрушительное действие». ^{[17] [9]} Сам Шенбейн сообщил, что боли в груди, раздражение слизистых оболочек и затрудненное дыхание возникли в результате вдыхания озона, и мелкие млекопитающие погибли. ^[18] В 1911 году Леонард Хилл и Мартин Флэк заявили вТруды Королевского общества В о том, что полезные для здоровья эффекты озона «в результате простого повторения стали неотъемлемой частью всеобщего убеждения; тем не менее, до сих пор почти полностью отсутствовали точные физиологические доказательства в пользу его положительного воздействия ... Установленные знания о физиологическом эффекте озона, достигнутые к настоящему времени, заключаются в том, что он вызывает раздражение и «отек легких, а также смерть при вдыхании в относительно сильной концентрации в течение любого времени». ^{[9] [19]}

Во время Первой мировой войны озон испытывался в военном госпитале королевы Александры в Лондоне в качестве возможного дезинфицирующего средства для ран. Газ применяли непосредственно к ранам на срок до 15 минут. Это привело к повреждению как бактериальных клеток, так и тканей человека. Другие методы дезинфекции, такие как орошение антисептиками , были признаны предпочтительнее. ^{[9] [20]}

Физические свойства [ править ]

Озон - это бесцветный или бледно-голубой газ, слабо растворимый в воде и гораздо более растворимый в инертных неполярных растворителях, таких как четыреххлористый углерод или фторуглероды, в которых он образует голубой раствор. При 161 К (-112 ° C; -170 ° F) он конденсируется с образованием темно-синей жидкости . Давать этой жидкости нагреваться до точки кипения опасно, поскольку как концентрированный газообразный озон, так и жидкий озон могут взорваться. При температуре ниже 80 К (-193,2 ° C; -315,7 ° F) он образует фиолетово-черное твердое вещество . ^[21]

Большинство людей может обнаружить около 0,01 мкмоль / моль озона в воздухе, где он имеет очень специфический резкий запах, несколько напоминающий хлорный отбеливатель . Воздействие от 0,1 до 1 мкмоль / моль вызывает головные боли, жжение в глазах и раздражение дыхательных путей. ^[22] Даже низкие концентрации озона в воздухе очень разрушительны для органических материалов, таких как латекс, пластмассы и ткани легких животных.

Озон слабо парамагнитен .

Структура [ править ]

Согласно экспериментальным данным микроволновой спектроскопии , озон представляет собой изогнутую молекулу с симметрией C _2v (подобную молекуле воды ). Расстояния O - O составляют 127,2  пм (1,272  Å ). Угол O - O - O составляет 116,78 °. ^[23] Центральный атом sp ² гибридизован с одной неподеленной парой. Озон является полярной молекулой с дипольным моментом 0,53 D . ^[24] Молекула может быть представлена ​​как резонансный гибрид с двумя участвующими структурами, каждая с одинарной связью с одной стороны и двойной связью.с другой. Расположение имеет общий порядок скрепления 1,5 для обеих сторон. Это изоэлектронный с нитрит - аниона . Озон может состоять из замещенных изотопов ( ¹⁶ O, ¹⁷ O, ¹⁸ O).

Реакции [ править ]

Озон - один из самых сильных известных окислителей , намного более сильный, чем О ₂ . Он также нестабилен при высоких концентрациях, разлагаясь на обычный кислород. Его период полураспада зависит от атмосферных условий, таких как температура, влажность и движение воздуха. В лабораторных условиях период полураспада (HLT) составляет в среднем ~ 1500 минут (25 часов) в неподвижном воздухе при комнатной температуре (24 ° C), нулевой влажности с нулевыми изменениями воздуха в час (ACH). ^[25] Таким образом , в типичном офисе или в домашних условиях, когда изменения воздуха в час варьируют от 5 до 8 ACH, ^{[ править ]} озона имеет период полураспада , равный максимально коротким тридцать минут.^{[ необходима цитата ]}

2 O
₃→ 3 O
₂

Эта реакция протекает быстрее с повышением температуры. Дефлаграция озона может быть вызвана искрой и может происходить при концентрациях озона 10 мас.% И выше. ^[26]

Озон также может производиться из кислорода на аноде электрохимической ячейки. Эта реакция может создавать меньшие количества озона для исследовательских целей. ^[27]

О
₃(г) + 2H ⁺ + 2e ^- ⇌ O
₂(г) + H
₂O E ° = 2,075 В ^[28] 

Это можно наблюдать как нежелательную реакцию в газовом аппарате Хоффмана во время электролиза воды, когда напряжение устанавливается выше необходимого.

Металлами [ править ]

Озон окисляет большинство металлов (кроме золота , платины и иридия ) до оксидов металлов в их самой высокой степени окисления . Например:

Cu + O
₃→ CuO + O
₂

Ag + O
₃→ AgO + O
₂

С соединениями азота и углерода [ править ]

Озон также окисляет оксид азота до диоксида азота :

НЕТ + О
₃→ НЕТ
₂+ O
₂

Эта реакция сопровождается хемилюминесценцией . НЕТ
₂может быть дополнительно окислен до нитратного радикала :

НЕТ
₂+ O
₃→ НЕТ
₃+ O
₂

НЕТ
₃образованный может реагировать с NO
₂образовать N2О5.

Твердый перхлорат нитрония может быть получен из NO ₂ , ClO ₂ и O.
₃ газы:

НЕТ
₂+ ClO
₂+ 2 O
₃→ НЕТ
₂ClO
₄+ 2 O
₂

Озон не реагирует с солями аммония , но окисляет аммиак до нитрата аммония :

2 NH
₃+ 4 O
₃→ NH
₄НЕТ
₃+ 4 O
₂+ H
₂О

Озон реагирует с углеродом с образованием диоксида углерода даже при комнатной температуре:

С + 2 О
₃→ CO
₂+ 2 O
₂

С соединениями серы [ править ]

Озон окисляет сульфиды до сульфатов . Например, сульфид свинца (II) окисляется до сульфата свинца (II) :

PbS + 4 O ₃ → PbSO ₄ + 4 O ₂

Серную кислоту можно получить из озона, воды и элементарной серы или диоксида серы :

S + H ₂ O + O ₃ → H ₂ SO ₄

3 SO ₂ + 3 H ₂ O + O ₃ → 3 H ₂ SO ₄

В газовой фазе озон реагирует с сероводородом с образованием диоксида серы:

H ₂ S + O ₃ → SO ₂ + H ₂ O

Однако в водном растворе одновременно протекают две конкурирующие реакции: одна с образованием элементарной серы, а другая с образованием серной кислоты :

Н ₂ S + O ₃ → S + O ₂ + Н ₂ О

3 H ₂ S + 4 O ₃ → 3 H ₂ SO ₄

С алкенами и алкинами [ править ]

Алкены могут быть окислительно расщеплены озоном в процессе, называемом озонолизом , с образованием спиртов, альдегидов, кетонов и карбоновых кислот, в зависимости от второго этапа обработки.

Озон также может расщеплять алкины с образованием ангидрида кислоты или дикетона . ^[29] Если реакция проводится в присутствии воды, ангидрид гидролизуется с образованием двух карбоновых кислот .

Обычно озонолиз проводят в растворе дихлорметана при температуре −78 ° C. После последовательности расщепления и перегруппировки образуется органический озонид. При восстановительной обработке (например, цинк в уксусной кислоте или диметилсульфиде ) будут образовываться кетоны и альдегиды, при окислительной обработке (например, водная или спиртовая перекись водорода ) будут образовываться карбоновые кислоты. ^[30]

Другие субстраты [ править ]

Все три атома озона также могут реагировать, как в реакции хлорида олова (II) с соляной кислотой и озоном:

${\ displaystyle {\ ce {3SnCl_2 + 6 HCl + O3 -> 3 SnCl4 + 3 H2O}}}$

Перхлорат йода можно получить, обработав йод, растворенный в холодной безводной хлорной кислоте, озоном:

${\ Displaystyle {\ ce {I2 + 6HClO4 + O3 -> 2I (ClO4) 3 + 3H2O}}}$

Озон также может реагировать с йодидом калия, давая кислород и газообразный йод:

${\ Displaystyle {\ ce {2KI + O3 + H2O -> 2KOH + O2 + I2}}}$

Сжигание [ править ]

Озон может быть использован для сгорания реакций и горючих газов; озон обеспечивает более высокие температуры, чем горение в кислороде (O ₂ ). Ниже приводится реакция сгорания субнитрида углерода, которая также может вызывать повышение температуры:

3 С
₄N
₂+ 4 O
₃→ 12 СО + 3 н.
₂

Озон может реагировать при криогенных температурах. При 77 К (-196,2 ° C; -321,1 ° F) атомарный водород реагирует с жидким озоном с образованием радикала супероксида водорода , который димеризуется : ^[31]

H + O
₃→ НО ₂ + О

2 НО ₂ → Н
₂О
₄

Разложение озона [ править ]

Типы разложения озона [ править ]

Озон - это токсичное вещество, которое обычно встречается или образуется в окружающей среде человека (кабины самолетов, офисы с копировальными аппаратами, лазерные принтеры, стерилизаторы…), и его каталитическое разложение очень важно для уменьшения загрязнения. Этот тип разложения является наиболее широко используемым, особенно с твердыми катализаторами, и имеет много преимуществ, таких как более высокая конверсия при более низкой температуре. Кроме того, продукт и катализатор могут быть мгновенно разделены, и таким образом катализатор может быть легко извлечен без использования какой-либо операции разделения. Более того, наиболее часто используемые материалы при каталитическом разложении озона в газовой фазе - это благородные металлы, такие как Pt, Rh или Pd, и переходные металлы, такие как Mn, Co, Cu, Fe, Ni или Ag.

Есть две другие возможности разложения озона в газовой фазе:

Первый - это термическое разложение, при котором озон может быть разложен только под действием тепла. Проблема в том, что этот тип разложения протекает очень медленно при температурах ниже 250 ° C. Однако скорость разложения можно увеличить, работая при более высоких температурах, но это потребует больших затрат энергии.

Второй - фотохимическое разложение, которое заключается в излучении озона ультрафиолетовым излучением (УФ) и образованием кислорода и радикальной перекиси. ^[32]

Кинетика разложения озона на молекулярный кислород [ править ]

Процесс разложения озона представляет собой сложную реакцию, включающую две элементарные реакции, которые в конечном итоге приводят к молекулярному кислороду, и это означает, что порядок реакции и закон скорости не могут быть определены стехиометрией подобранного уравнения.

Общая реакция: 2 O ₃ → 3 O ₂

Закон скорости (соблюдается): V = K · [O ₃ ] ² · [O ₂ ] ⁻¹

Было определено, что разложение озона следует кинетике первого порядка, и из приведенного выше закона скорости можно определить, что частичный порядок по молекулярному кислороду равен -1, а по отношению к озону равен 2, поэтому общий порядок реакции равен 1.

Разложение озона состоит из двух элементарных стадий: первая соответствует мономолекулярной реакции, потому что одна единственная молекула озона распадается на два продукта (молекулярный кислород и кислород). Затем кислород с первой стадии является промежуточным, потому что он участвует в качестве реагента на второй стадии, которая является бимолекулярной реакцией, потому что есть два разных реагента (озон и кислород), которые дают один продукт, который соответствует молекулярному кислороду. в газовой фазе.

Шаг 1: Мономолекулярная реакция O ₃ → O ₂ + O

Шаг 2: Бимолекулярная реакция O ₃ + O → 2 O ₂

Эти две стадии имеют разные скорости реакции, первая более быстрая и обратимая, чем вторая реакция, которая протекает медленнее, поэтому это означает, что определяющим шагом является вторая реакция, и она используется для определения наблюдаемой скорости реакции. Законы скорости реакции для каждого шага следующие:

V ₁ = K ₁ · [O ₃ ] V ₂ = K ₂ · [O] · [O ₃ ]

Следующий механизм позволяет объяснить закон скорости разложения озона, наблюдаемый экспериментально, а также позволяет определить порядки реакций по отношению к озону и кислороду, с помощью которых будет определяться общий порядок реакции. Более медленная стадия, бимолекулярная реакция, определяет скорость образования продукта, и, учитывая, что на этой стадии образуются две молекулы кислорода, закон скорости имеет следующую форму:

V = 2 K ₂ · [O] · [O ₃ ]

Однако это уравнение зависит от концентрации кислорода (промежуточного звена), которую можно определить с учетом первого шага. Поскольку первый этап более быстрый и обратимый, а второй этап медленнее, реагенты и продукты с первого этапа находятся в равновесии, поэтому концентрацию промежуточного соединения можно определить следующим образом:

${\ Displaystyle K_ {1} = {K_ {1} \ над K _ {- 1}} = {[O_ {2}] \ cdot [O] \ over [O_ {3}]}}$

${\ displaystyle [O] = {K_ {1} \ cdot [O_ {3}] \ over K _ {- 1} \ cdot [O_ {2}]}}$

Затем, используя эти уравнения, скорость образования молекулярного кислорода будет такой, как показано ниже:

${\ displaystyle V = {2K_ {2} \ cdot K_ {1} \ cdot [O_ {3}] ^ {2} \ over K _ {- 1} \ cdot [O_ {2}]}}$

Наконец, представленный механизм позволяет установить скорость, наблюдаемую экспериментально с константой скорости (K _obs ) и соответствующую кинетике первого порядка, следующим образом: ^[33]

${\ displaystyle V = {K_ {obs} \ cdot [O_ {3}] ^ {2} \ over [O_ {2}]} = K_ {obs} \ cdot [O_ {3}] ^ {2} \ cdot [O_ {2}] ^ {- 1}}$

куда ${\ displaystyle K_ {obs} = {2K_ {2} \ cdot K_ {1} \ over K _ {- 1}}}$

Восстановление до озонидов [ править ]

Восстановление озона дает анион озонида , O^-
₃. Производные этого аниона взрывоопасны и должны храниться при криогенных температурах. Озониды для всех щелочных металлов известны. KO ₃ , RbO ₃ и CsO ₃ могут быть получены из их соответствующих супероксидов:

КО ₂ + О ₃ → КО ₃ + О ₂

Хотя KO ₃ может быть образован, как указано выше, он также может быть образован из гидроксида калия и озона: ^[34]

2 КОН + 5 О ₃ → 2 КО ₃ + 5 О ₂ + Н ₂ О

NaO ₃ и LiO ₃ должны быть получены действием CsO ₃ в жидком NH ₃ на ионообменную смолу, содержащую ионы Na ⁺ или Li ⁺ : ^[35]

CsO ₃ + Na ⁺ → Cs ⁺ + NaO ₃

Раствор кальция в аммиаке реагирует с озоном с образованием озонида аммония, а не озонида кальция: ^[31]

3 Ca + 10 NH ₃ + 6 O
₃→ Ca · 6NH ₃ + Ca (OH) ₂ + Ca (NO ₃ ) ₂ + 2 NH ₄ O ₃ + 2 O ₂ + H ₂

Приложения [ править ]

Озон можно использовать для удаления железа и марганца из воды с образованием осадка, который можно отфильтровать:

2 Fe ²⁺ + O ₃ + 5 H ₂ O → 2 Fe (OH) ₃ (т) + O ₂ + 4 H ⁺

2 Mn ²⁺ + 2 O ₃ + 4 H ₂ O → 2 MnO (OH) ₂ (т) + 2 O ₂ + 4 H ⁺

Озон также окисляет растворенный в воде сероводород до серной кислоты :

3 O
₃+ H ₂ S → H ₂ SO ₃ + 3 O ₂

Эти три реакции являются центральными при использовании озоновой обработки воды из колодцев.

Озон также выводит токсины из цианидов , превращая их в цианаты .

CN ^- + O ₃ → CNO^-
+ O ₂

Озон также полностью разлагает мочевину : ^[36]

(NH ₂ ) ₂ CO + O ₃ → N ₂ + CO ₂ + 2 H ₂ O

Спектроскопические свойства [ править ]

Озон представляет собой изогнутую трехатомную молекулу с тремя колебательными модами: симметричным растяжением (1103,157 см ^-1 ), изгибом (701,42 см ^-1 ) и антисимметричным растяжением (1042,096 см ^-1 ). ^[37] Симметричное растяжение и изгиб являются слабыми поглотителями, но антисимметричное растяжение является сильным и отвечает за то, что озон является важным второстепенным парниковым газом . Этот ИК-диапазон также используется для обнаружения окружающего и атмосферного озона, хотя измерения на основе УФ более распространены. ^[38]

Электронный спектр озона довольно сложен. Обзор можно увидеть в Атласе спектров газообразных молекул, представляющих интерес для атмосферы, MPI Mainz UV / VIS. ^[39]

Все полосы диссоциативны, что означает, что молекула распадается до O + O ₂ после поглощения фотона. Наиболее важным поглощением является полоса Хартли, простирающаяся от чуть более 300 нм до чуть более 200 нм. Именно эта полоса отвечает за поглощение УФ-С в стратосфере.

На стороне высоких длин волн полоса Хартли переходит в так называемую полосу Хаггинса, которая быстро спадает, пока не исчезнет на ~ 360 нм. Выше 400 нм, простираясь далеко в ближнюю инфракрасную область, находятся полосы Чаппиуса и Вульфа. Там неструктурированные полосы поглощения полезны для обнаружения высоких концентраций озона в окружающей среде, но они настолько слабы, что не имеют большого практического эффекта.

В дальнем УФ-диапазоне наблюдаются дополнительные полосы поглощения, которые медленно увеличиваются от 200 нм до максимума при ~ 120 нм.

Озон в атмосфере Земли [ править ]

Стандартный способ выразить общий уровень озона (количество озона в заданном вертикальном столбце) в атмосфере - использовать единицы Добсона . Точечные измерения представлены в виде мольных долей в нмоль / моль (частей на миллиард, ppb) или в виде концентраций в мкг / м ³ . Изучение концентрации озона в атмосфере началось в 1920-х годах. ^[40]

Озоновый слой [ править ]

Местоположение и производство [ править ]

Самые высокие уровни озона в атмосфере находятся в стратосфере , в регионе, также известном как озоновый слой, на высоте от 10 до 50 км над поверхностью (или от 6 до 31 миль). Однако даже в этом «слое» концентрация озона составляет всего от двух до восьми частей на миллион, поэтому большую часть кислорода там составляет двуокись кислорода, O ₂ , в количестве примерно 210 000 частей на миллион по объему. ^[41]

Озон в стратосфере в основном образуется из коротковолновых ультрафиолетовых лучей от 240 до 160 нм. Кислород начинает слабо поглощать при 240 нм в полосах Герцберга, но большая часть кислорода диссоциирует за счет поглощения в сильных полосах Шумана – Рунге между 200 и 160 нм, где озон не поглощает. В то время как более коротковолновый свет, простирающийся даже до предела рентгеновского излучения, достаточно энергичен, чтобы диссоциировать молекулярный кислород, его относительно мало, и сильное солнечное излучение на Лайман-альфа, 121 нм, попадает в точку, где молекулярный кислород абсорбция минимальная. ^[42]

Процесс создания и разрушения озона называется циклом Чепмена и начинается с фотолиза молекулярного кислорода.

${\ Displaystyle {\ ce {O2 -> [{\ ce {фотон}}] [({\ ce {радиация}} \ \ lambda \ <\ 240 \ {\ ce {нм}})] 2O}}}$

с последующей реакцией атома кислорода с другой молекулой кислорода с образованием озона.

О + О
₂+ M → O
₃ + M

где «М» обозначает третье тело, которое уносит избыточную энергию реакции. Затем молекула озона может поглотить фотон УФ-С и диссоциировать.

О
₃→ O + O
₂ + кинетическая энергия

Избыточная кинетическая энергия нагревает стратосферу, когда атомы O и молекулярный кислород разлетаются и сталкиваются с другими молекулами. Это преобразование ультрафиолетового света в кинетическую энергию нагревает стратосферу. Атомы кислорода, образующиеся при фотолизе озона, затем реагируют обратно с другой молекулой кислорода, как на предыдущем этапе, с образованием большего количества озона. В чистой атмосфере, содержащей только азот и кислород, озон может реагировать с атомарным кислородом с образованием двух молекул O _2.

О
₃+ O → 2 O
₂

Оценку скорости этого этапа прекращения круговорота атомарного кислорода обратно в озон можно найти, просто взяв отношения концентраций O ₂ к O ₃ . Реакция обрыва катализируется наличием определенных свободных радикалов, наиболее важными из которых являются гидроксил (ОН), оксид азота (NO) и атомарный хлор (Cl) и бром (Br). Во второй половине 20-го века было обнаружено, что количество озона в стратосфере уменьшается, в основном из-за увеличения концентрации хлорфторуглеродов (CFC) и подобных хлорированных и бромированных органических молекул . Обеспокоенность по поводу последствий для здоровья спада привела к Монреальскому протоколу 1987 г., запрет на производство многих озоноразрушающих химикатов и в первом и втором десятилетии 21 века начало восстановления концентраций стратосферного озона.

Важность жизни на поверхности Земли [ править ]

Озон в озоновом слое отфильтровывает солнечные лучи с длиной волны от около 200 нм до 315 нм, с пиком поглощения озона около 250 нм. ^[43]Это УФ-поглощение озона важно для жизни, поскольку оно расширяет поглощение УФ-излучения обычным кислородом и азотом в воздухе (которые поглощают все длины волн <200 нм) через нижний УФ-С (200–280 нм) и весь УФ-В. полоса (280–315 нм). Небольшая непоглощенная часть УФ-В, которая остается после прохождения через озон, вызывает солнечный ожог у людей и прямое повреждение ДНК в живых тканях как растений, так и животных. Влияние озона на УФ-В-лучи средней дальности проиллюстрировано его воздействием на УФ-В на длине волны 290 нм, которое имеет интенсивность излучения в 350 миллионов раз сильнее в верхней части атмосферы, чем на поверхности. Тем не менее, достаточное количество УФ-В-излучения с той же частотой достигает земли, чтобы вызвать солнечный ожог, и эти же длины волн также являются одними из тех, которые ответственны за выработку витамина D у людей.

Озоновый слой мало влияет на более длинные волны УФ-излучения, называемые УФ-А (315–400 нм), но это излучение не вызывает солнечных ожогов или прямого повреждения ДНК, и, хотя оно, вероятно, действительно вызывает долговременное повреждение кожи у некоторых людей, оно не так опасен для растений и для здоровья наземных организмов на Земле в целом (см. ультрафиолет для получения дополнительной информации о ближнем ультрафиолете).

Озон низкого уровня [ править ]

Озон низкого уровня (или тропосферный озон) является загрязнителем атмосферы. ^[44] Он не выбрасывается непосредственно автомобильными двигателями или промышленными предприятиями, а образуется в результате реакции солнечного света на воздух, содержащий углеводороды и оксиды азота, которые вступают в реакцию с образованием озона непосредственно у источника загрязнения или за много километров по ветру.

Озон непосредственно вступает в реакцию с некоторыми углеводородами, такими как альдегиды, и таким образом начинает их удаление из воздуха, но сами продукты являются ключевыми компонентами смога . Озон фотолиза УФ - светом приводит к производству гидроксильного радикала HO • и это играет определенную роль в удалении углеводородов из воздуха, но также является первым шагом в создании компонентов смога , таких как peroxyacyl нитратов , которые могут быть мощным раздражители глаз. Время жизни тропосферного озона в атмосфере составляет около 22 дней; его основные механизмы удаления - это осаждение на землю, в результате вышеупомянутой реакции с образованием HO •, а также посредством реакций с OH и пероксирадикалом HO ₂ •. ^[45]

Имеются данные о значительном снижении урожайности сельскохозяйственных культур из-за повышения уровня приземного озона и загрязнения, которое препятствует фотосинтезу и тормозит общий рост некоторых видов растений. ^{[46] [47]} Агентство США по охране окружающей среды предлагает вторичное регулирование , чтобы уменьшить ущерб урожая, в дополнении к основной регуляции , предназначенной для защиты здоровья человека.

Озон низкого уровня в городских районах [ править ]

Некоторыми примерами городов с повышенными показателями озона являются Денвер, Колорадо , Хьюстон, Техас , и Мехико , Мексика . Хьюстон имеет показатель около 41 нмоль / моль, в то время как Мехико гораздо более опасен, с показателем около 125 нмоль / моль. ^[47]

Озон низкого уровня, или тропосферный озон, является наиболее опасным видом озонового загрязнения в городских районах и в целом увеличивается. ^[48] Загрязнение озоном в городских районах влияет на более плотные слои населения и ухудшается из-за большого количества транспортных средств, которые выбрасывают загрязняющие вещества NO ₂ и ЛОС, которые являются основными источниками проблемных уровней озона. ^[49] Загрязнение озоном в городских районах вызывает особую озабоченность в связи с повышением температуры, повышая смертность от жары во время волн жары. ^[50] Во время периодов сильной жары в городских районах загрязнение приземным озоном может быть на 20% выше, чем обычно. ^[51] Загрязнение озоном в городских районах достигает более высоких уровней летом и осенью, что может быть объяснено погодными условиями и режимами движения. ^[49] Необходимо провести дополнительные исследования, конкретно касающиеся того, какие группы населения в городских районах больше всего страдают от озона, поскольку цветные и люди, живущие в бедности, в большей степени страдают от загрязнения в целом, даже несмотря на то, что эти группы населения с меньшей вероятностью способствуют загрязнению. уровни. ^[52]

Как упоминалось выше, Денвер, штат Колорадо, - один из многих городов США с высоким содержанием озона. По данным Американской ассоциации легких, район Денвер-Аврора занимает 14-е место в США по уровню загрязнения озоном. ^[53] Проблема высоких уровней озона не нова для этой области. В 2004 году «Агентство по охране окружающей среды США определило район Денверского метро / Северного фронта (Адамс, Арапахо, Боулдер, Брумфилд, Денвер, Дуглас, Джефферсон и части округов Лаример и Велд) как недостижимый для 8-часового стандарта озона 1997 года» , ^[54]но позже отложил этот статус недостижения до 2007 года. Стандарт недостижения указывает на то, что территория не соответствует стандартам качества воздуха Агентства по охране окружающей среды. План действий по озону штата Колорадо был создан в ответ, и в него были внесены многочисленные изменения. Первым серьезным изменением было то, что испытания на выбросы автомобилей были расширены по всему штату и охватили большее количество округов, которые ранее не требовали проведения испытаний на выбросы, таких как области Лаример и округ Уэлд. Также были внесены изменения для уменьшения выбросов оксидов азота (NOx) и летучих органических соединений (ЛОС), что должно помочь снизить уровень озона.

Одним из основных источников высоких уровней озона в этом районе является нефтегазовая промышленность, расположенная в бассейне Денвер-Джулесбург (DJB), который пересекается с большинством городских районов Колорадо. Озон создается естественным образом в стратосфере Земли, но также создается в тропосфере в результате усилий человека. Кратко упоминалось выше, NOx и ЛОС реагируют с солнечным светом с образованием озона посредством процесса, называемого фотохимией. События с повышением содержания озона в течение часа (<75 частей на миллиард) «происходят в течение июня – августа, указывая на то, что повышенные уровни озона являются следствием региональной фотохимии». ^[55] Согласно статье из Университета Колорадо-Боулдер, «Выбросы ЛОС из нефти и природного газа играют важную роль в производстве озона и могут способствовать увеличению содержания O _3.уровни в Северном Колорадском Фронт-хребте (NCFR) ». ^[55]  Используя комплексный анализ для исследования характера ветра и выбросов от крупных нефтегазовых операций, авторы пришли к выводу, что« повышенные уровни O ₃ в NCFR преимущественно связаны с воздушным транспортом. от северо-востока до востока, которые являются противветренными секторами, где расположены нефтедобывающие и нефтегазовые месторождения в районе месторождения Ваттенберг в районе DJB ». ^[55]

Содержащиеся в Плане действий по озону штата Колорадо, разработанном в 2008 году, существуют планы по оценке «мер по контролю выбросов для крупных промышленных источников NOx» и «требований по контролю в масштабе штата для новых резервуаров для нефти и газового конденсата и пневматических клапанов». ^[56] В 2011 году был выпущен Региональный план по борьбе с дымкой, который включал более конкретный план по сокращению выбросов NOx. Осуществить эти усилия становится все труднее, и для их реализации потребуются годы. Конечно, есть и другие причины, по которым уровень озона остается высоким. К ним относятся: рост населения, означающий увеличение выбросов автомобилей, и горы вдоль NCFR, которые могут улавливать выбросы. Если интересно, ежедневные показания качества воздуха можно найти на веб-сайте Министерства здравоохранения и окружающей среды штата Колорадо. ^[57]Как отмечалось ранее, в Денвере и по сей день сохраняется высокий уровень озона. Для борьбы с проблемой высоких уровней озона в Переднем хребте Колорадо потребуется много лет и системный подход.

Растрескивание озона [ править ]

Газообразный озон атакует любой полимер, имеющий олефиновые или двойные связи в своей цепной структуре, например натуральный каучук , нитрильный каучук и стирол-бутадиеновый каучук. Изделия, изготовленные с использованием этих полимеров, особенно подвержены разрушению, которое со временем приводит к тому, что трещины становятся длиннее и глубже, причем скорость роста трещин зависит от нагрузки, переносимой резиновым компонентом, и концентрации озона в атмосфере. Такие материалы можно защитить, добавив антиозонанты , такие как воски, которые связываются с поверхностью, создавая защитную пленку или смешиваясь с материалом и обеспечивающие долгосрочную защиту. Растрескивание озонараньше было серьезной проблемой для автомобильных шин ^[58], например, но это не проблема для современных шин. С другой стороны, многие важные продукты, такие как прокладки и уплотнительные кольца , могут подвергаться воздействию озона, образующегося в системах сжатого воздуха. Топливопроводы, сделанные из армированной резины, также подвержены атакам, особенно в моторном отсеке, где некоторое количество озона вырабатывается электрическими компонентами. Хранение резиновых изделий в непосредственной близости от электродвигателя постоянного тока может ускорить растрескивание озона. Коммутатор двигателя генерирует искры , которые в свою очередь , производят озон.

Озон как парниковый газ [ править ]

Хотя озон присутствовал на уровне земли до промышленной революции , пиковые концентрации в настоящее время намного выше, чем доиндустриальные уровни, и даже фоновые концентрации вдали от источников загрязнения значительно выше. ^{[59] [60]} Озон действует как парниковый газ , поглощая часть инфракрасной энергии, излучаемой Землей. Количественно определить парниковый эффект озона сложно, потому что он не присутствует в однородных концентрациях по всему миру. Однако наиболее широко признанные научные оценки, касающиеся изменения климата (например, Третий доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата ) ^[61]предполагают, что радиационное воздействие тропосферного озона составляет около 25% от воздействия углекислого газа .

Годовой потенциал глобального потепления тропосферного озона составляет 918–1022 тонны эквивалента углекислого газа на тонну тропосферного озона. Это означает, что в расчете на одну молекулу озон в тропосфере оказывает радиационное воздействие примерно в 1000 раз сильнее, чем углекислый газ . Однако тропосферный озон - это парниковый газ с коротким периодом жизни , который распадается в атмосфере намного быстрее, чем углекислый газ . Это означает, что за 20-летний период потенциал тропосферного озона к глобальному потеплению будет намного меньше, примерно от 62 до 69 тонн эквивалента углекислого газа на тонну тропосферного озона. ^[62]

Из-за своего недолговечного характера тропосферный озон не оказывает сильного глобального воздействия, но имеет очень сильное радиационное воздействие в региональном масштабе. Фактически, есть регионы мира, где тропосферный озон имеет радиационное воздействие до 150% углекислого газа . ^[63]

Воздействие на здоровье [ править ]

В течение последних нескольких десятилетий ученые изучали влияние острого и хронического воздействия озона на здоровье человека. Сотни исследований показывают, что озон вреден для людей на уровнях, которые в настоящее время наблюдаются в городских районах. ^{[64] [65]} Было показано, что озон влияет на дыхательную, сердечно-сосудистую и центральную нервную систему. Доказано, что ранняя смерть и проблемы репродуктивного здоровья и развития также связаны с воздействием озона. ^[66]

Уязвимые группы [ править ]

Американская ассоциация легких определила пять групп населения, которые особенно уязвимы к воздействию вдыхания озона: ^[67]

1. Дети и подростки
2. Люди 65 лет и старше
3. Люди, которые работают или занимаются спортом на открытом воздухе
4. Люди с существующими заболеваниями легких, такими как астма и хроническая обструктивная болезнь легких (также известная как ХОБЛ, которая включает эмфизему и хронический бронхит)
5. Людям с сердечно-сосудистыми заболеваниями

Дополнительные данные свидетельствуют о том, что женщины, люди с ожирением и люди с низким доходом также могут сталкиваться с повышенным риском воздействия озона, хотя необходимы дополнительные исследования. ^[67]

Резкое воздействие озона [ править ]

Острое воздействие озона колеблется от нескольких часов до нескольких дней. Поскольку озон является газом, он напрямую влияет на легкие и всю дыхательную систему. Вдыхаемый озон вызывает воспаление и острые, но обратимые, изменения функции легких, а также гиперчувствительность дыхательных путей. ^[68] Эти изменения приводят к одышке, хрипу и кашлю, которые могут усугубить заболевания легких, такие как астма или хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), что приводит к необходимости лечения. ^{[69] [70]} Было показано, что острое и хроническое воздействие озона вызывает повышенный риск респираторных инфекций из-за следующего механизма. ^[71]

Было проведено множество исследований для определения механизма вредного воздействия озона, особенно на легкие. Эти исследования показали, что воздействие озона вызывает изменения иммунного ответа в легочной ткани, что приводит к нарушению как врожденного, так и адаптивного иммунного ответа, а также к изменению защитной функции эпителиальных клеток легких. ^[72] Считается, что эти изменения иммунного ответа и связанная с ним воспалительная реакция являются факторами, которые, вероятно, способствуют повышенному риску инфекций легких, а также ухудшению или запуску астмы и реактивных дыхательных путей после воздействия приземного озонового загрязнения. ^{[72] [73]}

Врожденная (клеточная) иммунная система состоит из различных химических сигналов и типов клеток, которые действуют широко и против нескольких типов патогенов, обычно бактерий или инородных тел / веществ в организме хозяина. ^{[73] [74]} Клетки врожденной системы включают фагоциты, нейтрофилы ^{[74], которые,} как считается, вносят вклад в механизм озоновой патологии в легких, поскольку было показано, что функционирование этих типов клеток изменяется после воздействия озона. . ^[73] Макрофаги, клетки, которые служат для уничтожения патогенов или чужеродных материалов в процессе «фагоцитоза», ^[74]было показано, что они изменяют уровень воспалительных сигналов, которые они выделяют в ответ на озон, либо активируя и приводя к воспалительной реакции в легких, либо подавляя и снижая иммунную защиту. ^[72] Нейтрофилы, еще один важный тип клеток врожденной иммунной системы, который в первую очередь нацелен на бактериальные патогены, ^[74] обнаруживаются в дыхательных путях в течение 6 часов после воздействия высоких уровней озона. Однако, несмотря на высокие уровни в тканях легких, их способность уничтожать бактерии, по-видимому, ухудшается из-за воздействия озона. ^[72]

Адаптивная иммунная система - это ветвь иммунитета, которая обеспечивает долгосрочную защиту за счет выработки антител, нацеленных на определенные патогены, а также подвержена влиянию сильного воздействия озона. ^{[73] [74]} Лимфоциты, клеточный компонент адаптивного иммунного ответа, после воздействия озона вырабатывают повышенное количество воспалительных химических веществ, называемых «цитокинами», что может способствовать гиперреактивности дыхательных путей и ухудшению симптомов астмы. ^[72]

Эпителиальные клетки дыхательных путей также играют важную роль в защите людей от патогенов. В нормальной ткани эпителиальный слой образует защитный барьер, а также содержит специализированные ресничные структуры, которые очищают легкие от инородных тел, слизи и патогенов. Под воздействием озона реснички повреждаются, и мукоцилиарный клиренс патогенов снижается. Кроме того, эпителиальный барьер ослабевает, позволяя патогенам преодолевать барьер, размножаться и распространяться в более глубокие ткани. Вместе эти изменения эпителиального барьера делают людей более восприимчивыми к легочным инфекциям. ^[72]

Вдыхание озона влияет не только на иммунную систему и легкие, но также может повлиять на сердце. Озон вызывает кратковременный вегетативный дисбаланс, приводящий к изменениям частоты сердечных сокращений и уменьшению вариабельности сердечного ритма; ^[75] и воздействие высоких доз в течение всего одного часа приводит к наджелудочковой аритмии у пожилых людей ^[76], оба повышают риск преждевременной смерти и инсульта. Озон также может вызывать сужение сосудов, что приводит к повышению системного артериального давления, что способствует увеличению риска сердечных заболеваний и смертности у пациентов с ранее существовавшими сердечными заболеваниями. ^{[77] [78]}

Хроническое воздействие озона [ править ]

Вдыхание озона в течение периодов более восьми часов в течение недель, месяцев или лет определяет хроническое воздействие. Многочисленные исследования показывают серьезное влияние этого воздействия на здоровье различных групп населения.

Одно исследование обнаруживает значительную положительную связь между хроническим озоном и смертностью от всех причин, циркулирующей и респираторной смертностью с увеличением риска на 2%, 3% и 12% на 10 частей на миллиард ^[79], и сообщается об ассоциации (95% ДИ) годового содержания озона. и смертность от всех причин с коэффициентом риска 1,02 (1,01–1,04) и смертностью от сердечно-сосудистых заболеваний 1,03 (1,01–1,05). Аналогичное исследование обнаруживает аналогичные ассоциации со смертностью от всех причин и даже более сильные эффекты для смертности от сердечно-сосудистых заболеваний. ^[80] Повышенный риск смерти от респираторных заболеваний связан с длительным хроническим воздействием озона. ^[81]

Хронический озон пагубно влияет на детей, особенно на детей, страдающих астмой. Риск госпитализации детей с астмой увеличивается при хроническом воздействии озона; Еще большему риску подвергаются дети младшего возраста и дети с низким доходом. ^[82]

Взрослые, страдающие респираторными заболеваниями (астма, ^[83] ХОБЛ, ^[84] рак легких ^[85] ), подвержены более высокому риску смертности и заболеваемости, а тяжелобольные пациенты имеют повышенный риск развития острого респираторного дистресс-синдрома при хроническом воздействии озона, поскольку Что ж. ^[86]

Озон, производимый воздухоочистителями [ править ]

У Калифорнийского совета по воздушным ресурсам есть страница со списком воздухоочистителей (многие из которых с ионизаторами ), которые соответствуют их пределу содержания озона в помещении в 0,050 частей на миллион. ^[87] Из этой статьи:

Загрязнение воздуха озоном [ править ]

Прекурсоры озона - это группа загрязняющих веществ, преимущественно выбрасываемых при сжигании ископаемого топлива . Загрязнение приземным озоном ( тропосферный озон ) создается вблизи поверхности Земли под действием дневных ультрафиолетовых лучей на эти прекурсоры. Озон на приземном уровне в основном образуется из прекурсоров ископаемого топлива, но метан является естественным прекурсором, и очень низкий естественный фоновый уровень озона на уровне земли считается безопасным. В этом разделе исследуется влияние сжигания ископаемого топлива на здоровье, которое поднимает приземный уровень озона намного выше фонового уровня.

Существует множество доказательств того, что приземный озон может нанести вред функции легких и вызвать раздражение дыхательной системы . ^{[44] [89]} Воздействие озона (и загрязняющих веществ, которые его производят) связано с преждевременной смертью , астмой , бронхитом , сердечным приступом и другими сердечно-легочными проблемами. ^{[90] [91]}

Было показано, что длительное воздействие озона увеличивает риск смерти от респираторных заболеваний . Исследование 450 000 человек, проживающих в городах США, показало значительную корреляцию между уровнем озона и респираторными заболеваниями в течение 18-летнего периода наблюдения. Исследование показало, что люди, живущие в городах с высоким уровнем озона, таких как Хьюстон или Лос-Анджелес, имеют более чем 30% повышенный риск смерти от болезней легких. ^{[92] [93]}

Руководства по качеству воздуха, такие как рекомендации Всемирной организации здравоохранения , Агентства по охране окружающей среды США (EPA) и Европейского союза , основаны на подробных исследованиях, разработанных для определения уровней, которые могут вызвать ощутимые последствия для здоровья .

По словам ученых из Агентства по охране окружающей среды США, на восприимчивых людей может негативно повлиять уровень озона до 40 нмоль / моль. ^{[91] [94] [95]} В ЕС текущее целевое значение концентрации озона составляет 120 мкг / м ^3, что составляет около 60 нмоль / моль. Эта цель применяется ко всем странам-членам в соответствии с Директивой 2008/50 / EC. ^[96] Концентрация озона измеряется как максимальное среднесуточное значение из 8-часовых средних значений, и целевой показатель не должен превышаться более 25 календарных дней в году, начиная с января 2010 года. Хотя директива требует в будущем строгого соблюдения нормы 120 мкг / м ³предел (т.е. средняя концентрация озона, которая не должна быть превышена в любой день года), дата для этого требования не установлена, и это рассматривается как долгосрочная цель. ^[97]

В США Закон о чистом воздухе предписывает Агентству по охране окружающей среды установить национальные стандарты качества окружающего воздуха для нескольких загрязнителей, включая приземный озон, и округа, не соблюдающие эти стандарты, должны предпринять шаги по снижению их уровней. В мае 2008 года по решению суда EPA снизило стандарт озона с 80 нмоль / моль до 75 нмоль / моль. Этот шаг оказался спорным, поскольку собственные ученые и консультативный совет Агентства рекомендовали снизить стандарт до 60 нмоль / моль. ^[91] Многие общественные организации здравоохранения и окружающей среды также поддержали стандарт 60 нмоль / моль ^[98], а Всемирная организация здравоохранения рекомендует 100 мкг / м ³ (51 нмоль / моль). ^[99]

7 января 2010 года Агентство по охране окружающей среды США (EPA) объявило о предлагаемых изменениях в Национальном стандарте качества окружающего воздуха (NAAQS) для загрязняющего вещества озона, основного компонента смога:

... EPA предлагает, чтобы уровень 8-часового первичного стандарта, который был установлен на уровне 0,075 мкмоль / моль в окончательном правиле 2008 г., вместо этого должен быть установлен на более низком уровне в диапазоне от 0,060 до 0,070 мкмоль / моль, чтобы обеспечивают повышенную защиту детей и других групп риска от множества O
₃- связанные с этим неблагоприятные последствия для здоровья, которые варьируются от снижения функции легких и усиления респираторных симптомов до серьезных показателей респираторной заболеваемости, включая посещения отделений неотложной помощи и госпитализацию по респираторным причинам, и, возможно, сердечно-сосудистые заболевания, а также общую неаварийную и сердечно-легочную смертность. . ^[100]

26 октября 2015 года EPA опубликовало окончательное правило с датой вступления в силу 28 декабря 2015 года, в котором 8-часовой первичный NAAQS был изменен с 0,075 до 0,070 промилле. ^[101]

EPA разработало индекс качества воздуха (AQI), чтобы помочь широкой публике объяснить уровни загрязнения воздуха. В соответствии с действующими стандартами, средние мольные доли озона за восемь часов от 85 до 104 нмоль / моль описываются как «вредные для чувствительных групп», от 105 нмоль / моль до 124 нмоль / моль как «вредные для здоровья» и от 125 нмоль / моль / моль до 404. нмоль / моль как «очень вредно для здоровья». ^[102]

Озон также может присутствовать в загрязнении воздуха внутри помещений , отчасти в результате использования электронного оборудования, такого как копировальные аппараты. Известно также, что существует связь между увеличением количества пыльцы, грибковых спор и озона, вызванным грозой и госпитализацией больных астмой . ^[103]

В викторианскую эпоху один британский народный миф утверждал, что запах моря вызван озоном. Фактически, характерный «запах моря» вызван диметилсульфидом , химическим веществом, вырабатываемым фитопланктоном . Британцы викторианской эпохи считали полученный запах «бодрящим». ^[104]

Волны тепла [ править ]

Исследование по оценке совместного воздействия озона и тепла во время волн жары в Европе в 2003 году пришло к выводу, что они, по всей видимости, являются аддитивными. ^[105]

Физиология [ править ]

Озон, наряду с реактивными формами кислорода, такими как супероксид , синглетный кислород , перекись водорода и ионы гипохлорита , вырабатывается лейкоцитами и другими биологическими системами (такими как корни бархатцев ) как средство уничтожения инородных тел. Озон напрямую реагирует с органическими двойными связями. Кроме того, когда озон распадается на дикислород, он вызывает образование свободных радикалов кислорода , которые обладают высокой реакционной способностью и способны повредить многие органические молекулы . Более того, считается, что мощные окислительные свойства озона могут быть фактором воспаления.. Причинно-следственная связь того, как озон создается в организме и что он делает, все еще рассматривается и по-прежнему подлежит различным интерпретациям, поскольку другие химические процессы в организме могут запускать некоторые из тех же реакций. Команда, возглавляемая Полом Вентвортом-младшим из отдела химии Исследовательского института Скриппса , продемонстрировала доказательства связи катализируемого антителами пути окисления воды иммунного ответа человека с производством озона. В этой системе озон образуется в результате катализируемого антителами производства триоксидана из воды и синглетного кислорода, продуцируемого нейтрофилами. ^[106]

При вдыхании озон вступает в реакцию с соединениями, выстилающими легкие, с образованием специфических холестериновых метаболитов, которые, как считается, способствуют образованию и патогенезу атеросклеротических бляшек (форма сердечного заболевания ). Было подтверждено, что эти метаболиты естественным образом встречаются в атеросклеротических артериях человека и относятся к классу секостеринов, называемых атеронами , которые образуются в результате озонолиза двойной связи холестерина с образованием 5,6 секостерола ^[107], а также вторичного продукта конденсации в результате альдолизации. ^[108]

Предполагается, что озон оказывает неблагоприятное воздействие на рост растений: «... озон снижает общую концентрацию хлорофиллов, каротиноидов и углеводов, а также увеличивает содержание 1-аминоциклопропан-1-карбоновой кислоты (АСС) и производство этилена. Пул листьев аскорбата был уменьшен, в то время как перекисное окисление липидов и утечка растворенных веществ были значительно выше, чем в контроле без озона. Данные показали, что озон запускал защитные механизмы против окислительного стресса в цитрусовых ». ^[109] Исследования, в которых в качестве модели использовались растения перца, показали, что озон снижает урожайность плодов и изменяет их качество. ^{[110] [111]}Кроме того, также наблюдалось снижение уровня хлорофиллов и антиоксидантной защиты на листьях, а также повышение уровней активных форм кислорода (АФК) и повреждение липидов и белков. ^{[110] [111]}

Правила безопасности [ править ]

Из-за сильных окислительных свойств озона озон является основным раздражителем, особенно поражающим глаза и дыхательную систему, и может быть опасным даже при низких концентрациях. Канадский центр безопасности и гигиены труда сообщает, что:

Даже очень низкие концентрации озона могут быть вредными для верхних дыхательных путей и легких. Тяжесть травмы зависит как от концентрации озона, так и от продолжительности воздействия. Серьезное и необратимое повреждение легких или смерть может произойти даже в результате очень кратковременного воздействия относительно низких концентраций » ^[112].

Для защиты рабочих, потенциально подвергающихся воздействию озона, Управление по охране труда и здоровья США установило допустимый предел воздействия (PEL) 0,1 мкмоль / моль (29 CFR 1910.1000, таблица Z-1), рассчитанный как 8-часовое средневзвешенное значение по времени. Более высокие концентрации особенно опасны, и NIOSH установил предел немедленной опасности для жизни и здоровья (IDLH) в 5 мкмоль / моль. ^[113] Рабочие среды, в которых используется озон или где он может образовываться, должны иметь соответствующую вентиляцию, и разумно иметь прибор для измерения озона, который будет сигнализировать, если его концентрация превысит OSHA PEL. Непрерывные мониторы озона доступны от нескольких поставщиков.

Повышенное воздействие озона может происходить на пассажирских самолетах , причем уровни зависят от высоты и атмосферной турбулентности. ^[114] Соединенные Штаты Федеральный авиации правил установить предел 250 нмоль / моль с максимальным четырехчасовой среднем 100 нмоль / моль. ^[115] Некоторые самолеты оснащены преобразователями озона в системе вентиляции, чтобы уменьшить воздействие на пассажиров. ^[114]

Производство [ править ]

Генераторы озона , или озонаторы , ^[116] используются для производства озона для очистки воздуха или удаления дыма запахов в отсутствии людей в комнате. Эти генераторы озона могут производить более 3 г озона в час. Озон часто образуется в природе в условиях, когда O ₂ не вступает в реакцию. ^[22] Озон, используемый в промышленности, измеряется в мкмоль / моль (ppm, части на миллион), нмоль / моль (ppb, части на миллиард), мкг / м ³ , мг / ч (миллиграммы в час) или массовые проценты. Режим применяемых концентраций составляет от 1% до 5% (в воздухе) и от 6% до 14% (в кислороде) для методов старшего поколения. Новые электролитические методы позволяют достичь концентрации растворенного озона в выходной воде от 20% до 30%.

Температура и влажность играют большую роль в том, сколько озона производится с использованием традиционных методов генерации (таких как коронный разряд и ультрафиолетовый свет). Методы старого поколения будут производить менее 50% номинальной мощности при работе с влажным окружающим воздухом, а не с очень сухим воздухом. Новые генераторы, использующие электролитические методы, могут достичь более высокой чистоты и растворения за счет использования молекул воды в качестве источника производства озона.

Метод коронного разряда [ править ]

Это наиболее распространенный тип генератора озона для большинства промышленных и личных нужд. Хотя существуют разновидности метода получения озона с помощью коронального разряда с горячей искрой, включая генераторы озона медицинского и промышленного назначения, эти устройства обычно работают с помощью трубки коронного разряда или озоновой пластины. ^{[117] [118]} Обычно они экономичны и не требуют источника кислорода, кроме окружающего воздуха, для получения озона с концентрацией 3–6%. Колебания в окружающем воздухе из-за погоды или других условий окружающей среды вызывают колебания в производстве озона. Однако они также производят оксиды азота в качестве побочного продукта. Использование осушителя воздухаможет уменьшить или исключить образование азотной кислоты за счет удаления водяного пара и увеличения производства озона. При комнатной температуре азотная кислота образует пар, который опасен при вдыхании. Симптомы могут включать боль в груди, одышку, головные боли и сухость в носу и горле, вызывающую чувство жжения. Использование концентратора кислорода может дополнительно увеличить производство озона и дополнительно снизить риск образования азотной кислоты за счет удаления не только водяного пара, но и основной части азота.

Ультрафиолетовый свет [ править ]

Ультрафиолетовые генераторы озона или вакуумно-ультрафиолетовые (ВУФ) генераторы озона используют источник света, который генерирует узкополосный ультрафиолетовый свет, подмножество света, производимого Солнцем. Ультрафиолетовое излучение Солнца поддерживает озоновый слой в стратосфере Земли. ^[119]

УФ-генераторы озона используют окружающий воздух для производства озона, не используются системы подготовки воздуха (осушитель воздуха или концентратор кислорода), поэтому эти генераторы, как правило, дешевле. Однако УФ-генераторы озона обычно производят озон с концентрацией около 0,5% или ниже, что ограничивает потенциальную скорость образования озона. Другой недостаток этого метода заключается в том, что он требует, чтобы окружающий воздух (кислород) подвергался воздействию УФ-источника в течение более длительного периода времени, и любой газ, который не подвергается воздействию УФ-источника, не будет обрабатываться. Это делает УФ-генераторы непрактичными для использования в ситуациях, связанных с быстро движущимися потоками воздуха или воды ( например, стерилизация воздуха в воздуховоде ). Производство озона является одним из потенциальных опасностей от ультрафиолетового бактерицидного облучения. Генераторы озона VUV используются в бассейнах и спа- центрах с объемом воды до миллионов галлонов. Генераторы озона VUV, в отличие от генераторов коронного разряда, не производят вредных побочных продуктов азота, а также, в отличие от систем коронного разряда, генераторы озона VUV очень хорошо работают во влажной воздушной среде. Также обычно нет необходимости в дорогостоящих механизмах для отвода отходящих газов и в осушителях воздуха или концентраторах кислорода, которые требуют дополнительных затрат и технического обслуживания.

Холодная плазма [ править ]

В методе холодной плазмы чистый газообразный кислород подвергается воздействию плазмы, создаваемой диэлектрическим барьерным разрядом . Двухатомный кислород расщепляется на отдельные атомы, которые затем рекомбинируют в триплеты с образованием озона.

Установки холодной плазмы используют чистый кислород в качестве входного источника и производят озон с максимальной концентрацией около 5%. Они производят гораздо большее количество озона за определенный промежуток времени по сравнению с производством ультрафиолета. Однако, поскольку генераторы озона холодной плазмы очень дороги, они встречаются реже, чем два предыдущих типа.

Разряды проявляются в виде нитевидного переноса электронов (микроразрядов) в зазоре между двумя электродами. Для равномерного распределения микроразрядов необходимо использовать диэлектрический изолятор для разделения металлических электродов и предотвращения образования дуги.

Некоторые установки холодной плазмы также способны производить короткоживущие аллотропы кислорода, которые включают O ₄ , O ₅ , O ₆ , O ₇ и т. Д. Эти частицы даже более реактивны, чем обычные O
₃. ^{[ необходима цитата ]}

Электролитический [ править ]

Генерация электролитического озона (ЭОГ) расщепляет молекулы воды на H ₂ , O ₂ и O ₃ . В большинстве методов EOG газообразный водород удаляется, чтобы кислород и озон оставались единственными продуктами реакции. Следовательно, EOG может достичь более высокого растворения в воде без других конкурирующих газов, обнаруживаемых в методе коронного разряда, таких как газы азота, присутствующие в окружающем воздухе. Этот метод генерации позволяет достичь концентрации 20–30% и не зависит от качества воздуха, поскольку в качестве исходного материала используется вода. Электролитическое производство озона обычно неблагоприятно из-за высокого перенапряжения.требуется для производства озона по сравнению с кислородом. Вот почему при обычном электролизе воды озон не образуется. Однако можно увеличить перенапряжение кислорода путем тщательного выбора катализатора, так что озон предпочтительно образуется при электролизе. Катализаторами, которые обычно выбирают для этого подхода, являются диоксид свинца ^[120] или легированный бором алмаз. ^[121]

Отношение озона к кислороду улучшается за счет увеличения плотности тока на аноде, охлаждения электролита вокруг анода до значения, близкого к 0 ° C, использования кислого электролита (такого как разбавленная серная кислота) вместо основного раствора и применения вместо него импульсного тока. DC. ^[122]

Особые соображения [ править ]

Озон нельзя хранить и транспортировать, как другие промышленные газы (потому что он быстро разлагается на двухатомный кислород), и поэтому он должен производиться на месте. Доступные генераторы озона различаются по расположению и конструкции высоковольтных электродов. При производительности более 20 кг в час трубчатый теплообменник газ / вода может использоваться в качестве заземляющего электрода и собираться с трубчатыми высоковольтными электродами со стороны газа. Типичный режим давления газа составляет около 2 бар (200  кПа ) абсолютного давления для кислорода и 3 бара (300 кПа) для воздуха. На крупных объектах может быть установлено несколько мегаватт электроэнергии , применяемой в качестве однофазного переменного тока с частотой от 50 до 8000 Гц и пиковыми напряжениями.от 3000 до 20 000 вольт. Приложенное напряжение обычно обратно пропорционально приложенной частоте.

Доминирующим параметром, влияющим на эффективность генерации озона, является температура газа, которая регулируется температурой охлаждающей воды и / или скоростью газа. Чем прохладнее вода, тем лучше синтез озона. Чем ниже скорость газа, тем выше его концентрация (но тем меньше чистый озон). В типичных промышленных условиях почти 90% эффективной мощности рассеивается в виде тепла, и его необходимо отводить за счет достаточного потока охлаждающей воды.

Из-за высокой реакционной способности озона можно использовать только некоторые материалы, такие как нержавеющая сталь (качество 316L), титан , алюминий (при отсутствии влаги), стекло , политетрафторэтилен или поливинилиденфторид . Витон можно использовать при ограничении постоянных механических сил и отсутствии влажности (ограничения по влажности применяются в зависимости от рецептуры). Hypalon можно использовать с ограничением, чтобы вода не контактировала с ним, за исключением нормального атмосферного уровня. Охрупчиваниеили усадка - это обычная причина разрушения эластомеров под воздействием озона. Озоновое растрескивание - это обычная причина выхода из строя эластомерных уплотнений, таких как уплотнительные кольца .

Силиконовые каучуки обычно подходят для использования в качестве прокладок при концентрациях озона ниже 1 мас.%, Например, в оборудовании для ускоренного старения образцов резины.

Случайное производство [ править ]

Озон может образовываться из O
₂электрическими разрядами и действием электромагнитного излучения высокой энергии . Неподавленная дуга в электрических контактах, щетках двигателя или механических переключателях разрушает химические связи атмосферного кислорода, окружающего контакты [ O
₂→ 2O]. Свободные радикалы кислорода внутри дуги и вокруг нее рекомбинируют с образованием озона [ O
₃]. ^[123] Определенное электрическое оборудование выделяет значительный уровень озона. Это особенно верно для устройств, использующих высокое напряжение , таких как ионные очистители воздуха , лазерные принтеры , копировальные аппараты , электрошокеры и аппараты для дуговой сварки . Электродвигатели, использующие щетки, могут генерировать озон из-за повторяющихся искр внутри устройства. Большие двигатели, в которых используются щетки, такие как используемые в лифтах или гидравлических насосах, будут генерировать больше озона, чем двигатели меньшего размера.

Озон аналогичным образом образуется во время грозы Кататумбо на реке Кататумбо в Венесуэле , хотя нестабильность озона делает сомнительным его влияние на озоносферу. ^[124] Это крупнейший в мире единственный природный генератор озона, что требует внесения его в список Всемирного наследия ЮНЕСКО . ^[125]

Лабораторное производство [ править ]

В лаборатории озон можно получить электролизом с использованием 9-вольтовой батареи , стержневого катода с графитовым карандашом , анода из платиновой проволоки и 3- молярного электролита серной кислоты . ^[126] В половине клеточные реакции, протекающие являются:

3 H ₂ O → O ₃ + 6 H ⁺ + 6 e ^- ( Δ E ° = −1,53 В )

6 H ⁺ + 6 e ^- → 3 H ₂ (Δ E ° = 0 В)

2 H ₂ O → O ₂ + 4 H ⁺ + 4 e ^- (Δ E ° = 1,23 В)

В чистой реакции три эквивалента воды превращаются в один эквивалент озона и три эквивалента водорода . Образование кислорода - это конкурирующая реакция.

Он также может быть вызван дугой высокого напряжения . В своей простейшей форме высоковольтный переменный ток, такой как выход трансформатора с неоновой вывеской, подключен к двум металлическим стержням, концы которых расположены достаточно близко друг к другу, чтобы образовалась дуга. Возникающая дуга преобразует кислород воздуха в озон.

Часто желательно содержать озон. Это можно сделать с помощью устройства, состоящего из двух концентрических стеклянных трубок, соединенных вместе вверху, с отверстиями для газа вверху и внизу внешней трубы. Внутренний сердечник должен иметь кусок металлической фольги, вставленный в него, подключенный к одной стороне источника питания. Другая сторона источника питания должна быть подключена к другому куску фольги, обернутому вокруг внешней трубки. Источник сухого O
₂применяется к нижнему порту. Когда к проводам из фольги прикладывается высокое напряжение, между сухим кислородом посередине разряжается электричество , образуя O
₃и O
₂который вытечет из верхнего порта. Это называется озонатором Симена. Реакцию можно резюмировать следующим образом: ^[22]

${\ displaystyle {\ ce {3O2 -> [электричество] 2O3}}}$

Приложения [ править ]

Промышленность [ править ]

В наибольшей степени озон используется в производстве фармацевтических препаратов , синтетических смазочных материалов и многих других коммерчески полезных органических соединений , где он используется для разрыва углерод- углеродных связей. ^[22] Он также может использоваться для отбеливания веществ и для уничтожения микроорганизмов в воздухе и источниках воды. ^[127] Многие муниципальные системы питьевой воды убивают бактерии с помощью озона вместо более обычного хлора . ^[128] Озон имеет очень высокий окислительный потенциал . ^[129] Озон не образует хлорорганические соединения.соединений и не остается в воде после обработки. Озон может образовывать предполагаемый канцерогенный бромат в исходной воде с высокими концентрациями бромида . Закон США о безопасной питьевой воде требует, чтобы эти системы вводили количество хлора для поддержания минимального уровня остаточного свободного хлора в трубах на уровне 0,2 мкмоль / моль на основании результатов регулярных испытаний. Там, где имеется много электроэнергии , озон является экономически эффективным методом очистки воды, поскольку он производится по запросу и не требует транспортировки и хранения опасных химикатов. После разложения питьевая вода не оставляет ни вкуса, ни запаха.

Хотя низкие уровни озона рекламируются как дезинфицирующие средства в жилых домах, концентрация озона в сухом воздухе, необходимая для быстрого и значительного воздействия на переносимые по воздуху патогены, превышает безопасные уровни, рекомендованные Управлением по охране труда и окружающей среды США. Агентство по охране . Контроль влажности может значительно улучшить как убивающую способность озона, так и скорость, с которой он снова превращается в кислород (чем больше влажность, тем выше эффективность). Споровые формы большинства патогенов очень устойчивы к атмосферному озону в концентрациях, при которых у пациентов с астмой возникают проблемы.

В промышленности озон используется для:

• Продезинфицируйте белье в больницах, на пищевых фабриках, домах престарелых и т. ^[130]
• Дезинфицируйте воду вместо хлора ^[22]
• Дезодорируйте воздух и предметы, например, после пожара. Этот процесс широко используется при реставрации тканей.
• Убивать бактерии на пище или контактирующих поверхностях; ^[131]
• Водоемкие отрасли, такие как пивоваренные и молочные заводы, могут эффективно использовать растворенный озон в качестве замены химических дезинфицирующих средств, таких как надуксусная кислота , гипохлорит или тепло.
• Дезинфицируйте градирни и контролируйте легионеллу с помощью снижения расхода химикатов, отвода воды и повышения производительности.
• Дезинфицируйте бассейны и спа
• Убивайте насекомых в хранящемся зерне ^[132]
• Очистите воздух от спор дрожжей и плесени на предприятиях пищевой промышленности;
• Мойте свежие фрукты и овощи, чтобы убить дрожжи, плесень и бактерии; ^[131]
• Химически воздействовать на загрязняющие вещества в воде ( железо , мышьяк , сероводород , нитриты и сложные органические вещества, объединенные в «цвет»);
• Способствует флокуляции (агломерации молекул, которая помогает в фильтрации, при которой удаляются железо и мышьяк);
• Производство химических соединений путем химического синтеза ^[133]
• Очистить и отбелить ткани ^{[ необходима ссылка ]} (первое использование используется для восстановления тканей; второе использование запатентовано); ^[134]
• Действовать как антихлор при отбеливании на основе хлора;
• Оказывать помощь в обработке пластмасс для обеспечения адгезии чернил;
• Возраст образцов резины для определения срока службы партии резины;
• Искорените паразитов, передающихся через воду, таких как Giardia lamblia и Cryptosporidium, на станциях очистки поверхностных вод.

Озон является реагентом во многих органических реакциях в лаборатории и на производстве. Озонолиз - это расщепление алкена на карбонильные соединения.

Многие больницы по всему миру используют большие генераторы озона для обеззараживания операционных между операциями. Помещения очищаются, а затем герметично закрываются перед заполнением озоном, который эффективно убивает или нейтрализует все оставшиеся бактерии. ^[135]

Озон используется как альтернатива хлору или диоксиду хлора при отбеливании древесной массы . ^[136] Его часто используют вместе с кислородом и перекисью водорода, чтобы исключить потребность в хлорсодержащих соединениях при производстве высококачественной белой бумаги . ^[137]

Озон может быть использован для нейтрализации цианистых отходов (например , из золота и серебро добычи ) путем окисления цианидов до цианата , и в конечном счете к двуокиси углерода . ^[138]

Обеззараживание воды [ править ]

С момента изобретения плазменных реакторов с диэлектрическим барьерным разрядом (DBD) они использовались для обработки воды озоном. ^[139] Однако с более дешевыми альтернативными дезинфицирующими средствами, такими как хлор, такие применения обеззараживания воды озоном DBD были ограничены высоким потреблением энергии и громоздким оборудованием. ^{[140] [141]} Несмотря на это, исследования показали отрицательное влияние обычных дезинфицирующих средств, таких как хлор, на токсичные остатки и неэффективность в уничтожении определенных микроорганизмов, ^[142]Плазменное обеззараживание озоном с помощью DBD представляет интерес в современных доступных технологиях. Хотя озонирование воды с высокой концентрацией бромида действительно приводит к образованию нежелательных бромированных побочных продуктов дезинфекции, если питьевая вода не производится путем опреснения, озонирование обычно может применяться без учета этих побочных продуктов. ^{[141] [143] [144] [145]} Преимущества озона включают высокий термодинамический окислительный потенциал, меньшую чувствительность к органическим материалам и лучшую устойчивость к колебаниям pH, сохраняя при этом способность убивать бактерии, грибы, вирусы, а также споры и цисты. . ^{[146] [147] [148]}Хотя озон был широко распространен в Европе на протяжении десятилетий, он редко используется для дезактивации в США из-за ограничений, связанных с высоким энергопотреблением, громоздкостью установки и клеймом токсичности озона. ^{[140] [149]} Учитывая это, недавние исследовательские усилия были направлены на изучение эффективных систем очистки воды озоном ^[150] Исследователи изучили легкие и компактные поверхностные реакторы DBD малой мощности, ^{[151] [152]} энергоэффективные объемные DBD реакторы ^[153] и микромасштабные реакторы DBD малой мощности. ^{[154] [155]} Такие исследования могут помочь проложить путь к повторному принятию технологии обеззараживания воды озоном с помощью плазменного DBD, особенно в США.

Потребители [ править ]

Устройства, вырабатывающие высокий уровень озона, некоторые из которых используют ионизацию, используются для дезинфекции и дезодорации нежилых зданий, комнат, воздуховодов, дров, лодок и других транспортных средств.

В США продаются очистители воздуха с низким уровнем озона. Иногда утверждают, что этот вид очистителя воздуха имитирует естественный способ очистки воздуха без фильтров и дезинфицирует как его, так и бытовые поверхности. Агентство по охране окружающей среды США (EPA) заявил , что есть «доказательства того , что при концентрациях, не превышающих санитарно - гигиеническим нормам, озон не эффективен при удалении многих вызывающих запах химических веществ» или «вирусы, бактерии, плесень, или другие биологические загрязнители ». Кроме того, в его отчете говорится, что «результаты некоторых контролируемых исследований показывают, что концентрации озона, значительно превышающие эти стандарты [безопасности человека], возможны даже тогда, когда пользователь следует инструкциям производителя по эксплуатации».^[156]

Озонированная вода используется для стирки одежды и дезинфекции продуктов питания, питьевой воды и поверхностей в доме. Согласно Управлению по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), оно «вносит поправки в правила пищевых добавок, чтобы обеспечить безопасное использование озона в газовой и водной фазах в качестве противомикробного агента в продуктах питания, включая мясо и птицу». Исследования в Калифорнийском политехническом университете показали, что уровень озона, растворенного в фильтрованной водопроводной воде, составляет 0,3 мкмоль / моль, может привести к снижению более чем на 99,99% таких пищевых микроорганизмов, как сальмонелла, E. coli 0157: H7 и Campylobacter . Это количество в 20 000 раз превышает рекомендованные ВОЗ пределы, указанные выше.^{[131] [157]} Озон можно использовать для удаленияостатков пестицидов из фруктов и овощей . ^{[158] [159]}

Озон используется в домах и гидромассажных ваннах для уничтожения бактерий в воде и уменьшения количества хлора или брома, необходимого для их восстановления до их свободного состояния. Поскольку озон не остается в воде достаточно долго, сам по себе озон неэффективен для предотвращения перекрестного загрязнения купающихся и должен использоваться вместе с галогенами . Газообразный озон, создаваемый ультрафиолетовым светом или коронным разрядом, вводится в воду. ^[160]

Озон также широко используется для обработки воды в аквариумах и прудах. Его использование может минимизировать рост бактерий, контролировать паразитов, исключить передачу некоторых заболеваний и уменьшить или устранить «пожелтение» воды. Озон не должен контактировать с жаберными структурами рыб. Природная соленая вода (с живыми формами) обеспечивает достаточную «мгновенную потребность», чтобы контролируемое количество озона активировало ионы бромида до бромистоводородной кислоты , и озон полностью распадается от нескольких секунд до минут. Если используется озон, насыщенный кислородом, в воде будет больше растворенного кислорода, и структуры жабр рыб атрофируются, что делает их зависимыми от воды, обогащенной кислородом.

Аквакультура [ править ]

Озонирование - процесс насыщения воды озоном - можно использовать в аквакультуре для облегчения разложения органических веществ. Озон также добавляется в рециркуляционные системы для снижения уровня нитритов ^{[161] за} счет преобразования в нитраты . Если уровень нитритов в воде высок, нитриты также будут накапливаться в крови и тканях рыб, где они мешают транспорту кислорода (вызывают окисление гемогруппы гемоглобина из железа ( Fe²⁺
) до железа ( Fe³⁺
), что делает гемоглобин неспособным связывать O
₂). ^[162] Несмотря на эти очевидные положительные эффекты, использование озона в системах рециркуляции было связано со снижением уровня биодоступного йода в системах с соленой водой, что привело к появлению таких симптомов дефицита йода, как зоб и снижение роста личинок сенегальской подошвы ( Solea senegalensis ). ^[163]

Морская озонатная вода используется для дезинфекции поверхности яиц пикши и атлантического палтуса против нодавируса. Нодавирус - это смертельный вирус, передающийся вертикально, вызывающий серьезную смертность рыб. Яйца пикши не следует обрабатывать высоким содержанием озона, поскольку обработанные таким образом яйца не вылупляются и погибают через 3-4 дня. ^[164]

Сельское хозяйство [ править ]

Обработка озоном свежесрезанных ананасов и бананов показывает увеличение содержания флавоноидов и общего фенола при воздействии до 20 минут. Наблюдается снижение содержания аскорбиновой кислоты (одной из форм витамина С ), но положительное влияние на общее содержание фенола и флавоноидов может преодолеть отрицательный эффект. ^[165] Помидоры после обработки озоном показывают повышение уровня β-каротина, лютеина и ликопина. ^[166] Однако обработка клубники озоном в предуборочный период показывает снижение содержания аскорбиновой кислоты. ^[167]

Озон облегчает извлечение некоторых тяжелых металлов из почвы с помощью ЭДТА . ЭДТА образует сильные водорастворимые координационные соединения с некоторыми тяжелыми металлами ( Pb , Zn ), что позволяет вывести их из загрязненной почвы. Если загрязненная почва предварительно обработана озоном, эффективность извлечения Pb , Am и Pu увеличивается на 11,0–28,9%, ^[168], 43,5% ^[169] и 50,7% ^[169] соответственно.

Альтернативная медицина [ править ]

Использование озона для лечения заболеваний не подтверждено доказательствами высокого качества и обычно считается альтернативной медициной . ^[170]

См. Также [ править ]

• Циклический озон
• Глобальный мониторинг озона по покрытию звезд (ГОМОС)
• Глобальное потепление
• Парниковый газ
• Поглощение Chappuis
• Международный день охраны озонового слоя (16 сентября)
• Оксиды азота
• День действия озона
• Истощение озонового слоя , включая явление, известное как озоновая дыра .
• Озонотерапия
• Озоневеб
• Озонолиз
• Деградация полимера
• Стерилизация (микробиология)

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
• Беккер, К. Х., У. Когельшац, К. Х. Шенбах, Р. Дж. Баркер (ред.). Неравновесная плазма воздуха при атмосферном давлении . Серия по физике плазмы. Бристоль и Филадельфия: Издательство «Институт физики»; ISBN 0-7503-0962-8 ; 2005 г. 
• Агентство по охране окружающей среды США. Группа рисков и выгод. (Август 2014 г.). Оценка риска для здоровья и воздействия озона: Заключительный отчет .

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме озона .

• Международная озоновая ассоциация
• Карта озона Европейского агентства по окружающей среде в режиме реального времени (ozoneweb)
• Страница ресурсов по озону НАСА
• Информация OSHA об озоне
• Интервью с Полом Крутценом - видео, на котором лауреат Нобелевской премии Пол Крутцен разговаривает с лауреатом Нобелевской премии Гарри Крото, предоставленный Vega Science Trust
• Статья НАСА об озоне в Обсерватории Земли
• Международная карта химической безопасности 0068
• Карманный справочник NIOSH по химической опасности
• Национальный институт наук об окружающей среде, информация об озоне
• Загрязнение воздуха озоном на уровне земли
• Исследование НАСА связывает «смог» с потеплением в Арктике - исследование Института космических исследований имени Годдарда (GISS) НАСА показывает эффект потепления озона в Арктике зимой и весной.
• В отчете Агентства по охране окружающей среды США ставится под сомнение эффективность или безопасность генераторов озона, продаваемых в качестве очистителей воздуха
• Информация об озоне на уровне земли от Американской ассоциации легких Новой Англии