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關(guān)于臭氧那些事兒
11月15日，成都市氣象學(xué)會聯(lián)合中共成都市氣象局機關(guān)委員會組織了2022年第四屆“初心杯"氣象科普講解大賽！大賽以“深入落實20大精神，筑牢防災(zāi)減災(zāi)第一道防線"為主題，為大家傳遞氣象知識。內(nèi)容包括了：臭氧的自白、山間轟鳴的“巨獸"、傳說中的不詳?shù)鹊?#8230;…，今天小編也借著東風(fēng)，給大家普及一下臭氧的知識：
什么是臭氧？
臭氧，是氧氣的一種同素異形體，化學(xué)式是O3，式量47.998，淡藍色氣體，液態(tài)為深藍色，固態(tài)為紫黑色。氣味類似魚腥味但當(dāng)濃度過高時，氣味類似于氯氣。比重比氧大，易溶于水，易分解。
由于臭氧是由氧分子攜帶一個氧原子構(gòu)成，決定了它只是一種暫存狀態(tài)，攜帶的氧原子除氧化用掉外，剩余的又組合為氧氣進入穩(wěn)定狀態(tài)，所以臭氧沒有二次污染。臭氧主要是由氮氧化物(NOx)和揮發(fā)性有機物(VOCs)經(jīng)過一系列復(fù)雜的非線性光化學(xué)反應(yīng)生成的。臭氧可使大多數(shù)有機色素褪色。可緩慢侵蝕橡膠、軟木，使有機不飽和化合物被氧化。
臭氧的應(yīng)用
常用于：飲料的消毒和殺菌、空氣凈化、漂白、水處理及飲水消毒、糧倉殺滅霉菌及蟲卵；與有機不飽和物反應(yīng)，可生成臭氧化物，這些臭氧化物在水的存在下可分解，原來的不飽和鍵開鏈，生成醛、酮和羧酸等。由于產(chǎn)生臭氧分解，故可用作合成手段及確定有機物結(jié)構(gòu)。
臭氧具有氧化性和殺菌性能，在水中氧化還原電位僅次于氟而居第二位。同時，臭氧反應(yīng)后的產(chǎn)物是氧氣，所以臭氧是高效的無二次污染的氧化劑。作為強氧化劑，其特點如下 ：
①可用作選擇氧化、主產(chǎn)品得率高；
②氧化溫度低，在常壓下氧化能力也較強，且對敏感物質(zhì)的氧化有利；
③反應(yīng)速度快，可定量氧化；
④使用與制造方便。
臭氧的應(yīng)用基礎(chǔ)是其氧化能力與殺菌能力。臭氧的應(yīng)用按其作用分類，可分為：殺菌、脫色、脫臭、脫味及氧化分解。按其應(yīng)用領(lǐng)域分，主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域：水處理；食品加工、存儲、保鮮；家用電器；醫(yī)療衛(wèi)生；化學(xué)氧化。
在化工生產(chǎn)中，臭氧可用做催化氧化或高溫氧化的催化劑，簡化生產(chǎn)工藝并提高生產(chǎn)率。液態(tài)臭氧還可用作火箭燃料的氧化劑。存在于大氣中，靠近地球表面濃度為0.001～0.03ppm，是由大氣中氧氣吸收了太陽的波長小于185nm紫外線后生成的，此臭氧層可吸收太陽光中對人體有害的短波（30nm以下）光線，防止這種短波光線射到地面，使生物免受紫外線的傷害。
臭氧發(fā)展史
早在1785年，德國物理學(xué)家馮·馬魯姆用大功率電機進行實驗時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣流過一串火花時，會產(chǎn)生一種特殊氣味，但并未深究。此后，舒貝因于1840年也發(fā)現(xiàn)在電解和電火花放電實驗過程中有一種氣味，并斷定它是由一種新氣體產(chǎn)生的，從而宣告了臭氧的發(fā)現(xiàn)。
第一次****期間，一些德國士兵最早將臭氧應(yīng)用于治療厭氧菌感染所致的皮膚壞疽；1936 年，法國醫(yī)生P.Aubourg最早提倡將臭氧注入直腸治療結(jié)腸炎。臭氧在國外，尤其是在歐洲臨床上應(yīng)用已有50 余年的歷史，九十年代后，臭氧應(yīng)用進入我國，主要將臭氧應(yīng)用于治療腰間盤突出、清除自由基抗衰老等方面，之后臭氧在臨床的應(yīng)用迅速發(fā)展起來，正式成為一種應(yīng)用廣泛，作用強大的新藥物、新方法。
我國從20世紀(jì)80年代初期，已開始對采用臭氧對飲用水消毒和工業(yè)廢水深度處理予以注意，但發(fā)展較慢。在我國目前的城市供水中，絕大多數(shù)水廠均采用混凝、沉淀、過濾、消毒的處理工藝，其中消毒工藝主要采用氯氣和漂白粉，使用臭氧的比例很低。同時，將臭氧應(yīng)用于冷卻水處理方面的實踐，也還剛剛開始。但由于臭氧法處理的經(jīng)濟性、可靠性及無毒、無二次污染等一系列優(yōu)點，可以預(yù)言，臭氧在我國也將得到普及。
臭氧產(chǎn)生方法
產(chǎn)生臭氧的方法主要有紫外照射法、電解法、放射化學(xué)法和介質(zhì)阻擋放電法。
紫外照射法
紫外照射法是利用紫外線照射干燥的氧氣，使一部分氧分子被激活離解成氧原子，進而形成臭氧。紫外照射法產(chǎn)生臭氧的特點是臭氧濃度低，優(yōu)點是不易產(chǎn)生氧化物，不需要復(fù)雜轉(zhuǎn)換設(shè)備。但是紫外照射法不適合于大量生產(chǎn)臭氧，只適合于少量、低濃度要求的各種試驗，如空氣消毒、滅菌、除臭等。
電 解 法
電解法制備臭氧主要通過采用低壓直流電對水進行電解，使水在陽極-溶液界面上發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生臭氧。該臭氧制備裝置由電解質(zhì)溶液和陰陽兩極構(gòu)成。臭氧在陽極析出，陰極可分為兩種，分別為析氫陰極和氧還原陰極。電解法產(chǎn)生臭氧具有濃度較高、成份純凈、水中溶解度高 、對進料空氣無須進行預(yù)處理且不會產(chǎn)生氮氧化物；此外，該臭氧生產(chǎn)設(shè)備小且輕便，結(jié)構(gòu)簡單，無噪聲、便攜，因此其應(yīng)用前景非常廣闊。 其主要缺點是能耗較大，經(jīng)過進一步改進，設(shè)法降低成本和電耗后，有可能與目前廣泛使用的介質(zhì)阻擋放電法相競爭。
放射化學(xué)法
放射化學(xué)法是利用各種放射源核輻射離解氧分子生成臭氧。該法已有兩種工藝用于工業(yè)型臭氧生產(chǎn)，一是氧同裂變產(chǎn)物接觸，由輻射氧同裂變產(chǎn)物及二次輻射的熱碰撞產(chǎn)生臭氧。二是僅在輻射下生成臭氧，該方法因采用放射源，其成本高、安全性差，只適用于某些特殊情況，不適合于工業(yè)大量生產(chǎn)。
介質(zhì)阻擋放電法
介質(zhì)阻擋放電法也稱無聲放電法（簡稱DBD法）。通過交變高壓電場在氣體中產(chǎn)生電暈，電暈中的自由高能電子離解氧氣分子，經(jīng)碰撞聚合為臭氧分子。介質(zhì)阻擋放電法具有能耗相對較低、單機臭氧產(chǎn)量大，氣源可用干燥空氣、氧氣或含氧濃度較高的富氧氣體等優(yōu)點，因此工業(yè)上合成臭氧大多采用此法。
臭氧檢測分析
臭氧分析主要有光譜分析和電化學(xué)分析。常用檢測方法主要為碘量法、靛藍二磺酸鈉分光光度法、紫外吸收法和化學(xué)發(fā)光法。實驗室常用的是碘量法。將臭氧通入碘化鉀溶液中，可使碘游離出來，這一反應(yīng)可用作臭氧的定量分析。 碘量法利用臭氧與KI生成 I2，以淀粉為指示劑，用硫代硫酸鈉滴定，也可用淀粉試劑顯色后，根據(jù)顏色深淺，在550nm處比色測定。專用檢測儀器推薦：
光譜分析法-Model 106M
電化學(xué)分析法-MP100
電化學(xué)分析法-MP400S
臭氧的危害
對人體的危害
國際環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（National Ambient Air Quality Standards，NAAQS）提出，人在一個小時內(nèi)可接受臭氧的極限濃度是260μg/m3。在320μg/m3臭氧環(huán)境中活動1h就會引起咳嗽、呼吸困難及肺功能下降。臭氧還能參與生物體中的不飽和脂肪酸、氨基及其他蛋白質(zhì)反應(yīng)，使長時間直接接觸高濃度臭氧的人出現(xiàn)疲乏、咳嗽、胸悶胸痛、皮膚起皺、頭痛、脈搏加速、記憶力衰退、視力下降等癥狀。
其他危害
臭氧也會使植物葉子變黃甚至枯萎，對植物造成損害，甚至造成農(nóng)林植物的減產(chǎn)、經(jīng)濟效益下降等。臭氧能夠較快地與室內(nèi)的建筑材料（如乳膠涂料等表面涂層）、居家用品（如軟木器具、地毯等）、絲、棉花、醋酸纖維素、 尼龍和聚酯的制成品中含不飽和碳碳鍵的有機化合物（包括橡膠、 苯乙烯、不飽和脂肪酸及其酯類）發(fā)生反應(yīng)，從而造成染料褪色、照片圖像層脫色、輪胎老化等。
臭氧污染防治
臭氧污染來源
臭氧的來源分為自然源和人為源 。自然源的臭氧主要指平流層的下傳。1962年，Junge研究認(rèn)為，在波長小于240nm 紫外線的輻射條件下，平流層中的臭氧會分解，產(chǎn)生的氧原子與氧分子結(jié)合產(chǎn)生臭氧，平流層臭氧向下傳輸?shù)綄α鲗?，成為對流層中臭氧的源?/span>
人為源的臭氧主要是由人為排放的NOx、VOCs等污染物的光化學(xué)反應(yīng)生成。在晴天、紫外線輻射強的條件下，NO2等發(fā)生光解生成一氧化氮和氧原子，氧原子與氧反應(yīng)生成臭氧。臭氧是強氧化劑，在潔凈大氣中，臭氧與一氧化氮反應(yīng)生成為NO2，而臭氧分解為氧氣，上述反應(yīng)的存在使臭氧在大氣中達到一種平衡狀態(tài)，不會造成臭氧累積。當(dāng)空氣中存在大量VOCs等污染物時，VOCs等產(chǎn)生的自由基與一氧化氮反應(yīng)生成二氧化氮，此反應(yīng)與臭氧和一氧化氮的反應(yīng)形成競爭，不斷取代消耗二氧化氮光解產(chǎn)生的NO、HO2、H、OH引起了NO向NO2轉(zhuǎn)化，使上述動態(tài)平衡遭到破壞，導(dǎo)致臭氧逐漸累積，達到污染難度級別。NOx、VOCs、CO等臭氧前體物都是一次污染物，主要來源于交通工具的尾氣排放、石油化工和火力發(fā)電等工業(yè)污染源排放及飲食、印刷、房地產(chǎn)等行業(yè)的污染源排放等。秸稈等生物質(zhì)的大量燃燒，也會產(chǎn)生大量的VOCs和NOx等臭氧前體物。
臭氧污染檢測
我國2012年2月發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB3095-2012）規(guī)定，臭氧的日最大8小時平均值二級濃度限值為160μg/m3。作為空氣中六大污染物之一，臭氧污染監(jiān)測是臭氧污染預(yù)報和防治的重要內(nèi)容之一。
1929年Dobson分光光度計的研制成功，奠定了大氣臭氧地面觀測的基礎(chǔ)。我國在20世紀(jì)50年代開始對臭氧總含量進行觀測，先后建立了香河市臭氧觀測站和昆明臭氧觀測站，所用儀器均為Dobson臭氧分光光度計。測定臭氧的方法有試紙比色法、微分光譜法、庫侖法、極譜法、氣相色譜法、化學(xué)發(fā)光及熒光法等十幾種。
我國目前測定臭氧的標(biāo)準(zhǔn)方法主要有《環(huán)境空氣臭氧的測定 靛藍二磺酸鈉分光光度法》（HJ 504-2009）和《環(huán)境空氣臭氧的測定紫外光度法》（HJ 590-2010）兩種手工分析方法，自動監(jiān)測方法主要有紫外熒光法和差分吸收光譜分析法。
控制對策
我國對于臭氧污染的控制防治尚處于起步階段。臭氧污染與霧霾不同，其產(chǎn)生機制復(fù)雜，治理難度很大。在公眾層面，不僅要注意個人健康防護，而且應(yīng)積極參與到臭氧防治工作。臭氧污染時，戴口罩基本阻擋不了臭氧的吸入。因此，在臭氧污染嚴(yán)重時，兒童和老人等敏感人群應(yīng)盡量避免在午后日照強烈時外出，遠(yuǎn)離馬路邊、裝修污染嚴(yán)重的地方。在國家層面，目前主要要建立臭氧和PM2.5協(xié)同控制機制，制定行之有效的臭氧污染防治對策。
揮發(fā)性有機化合污染物和氮氧化物是臭氧形成的重要前體物，控制臭氧污染，就要協(xié)同控制好揮發(fā)性有機化合物和氮氧化物的排放。如：使用天然氣、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等清潔能源，整治各類散亂污企業(yè)，限制煤炭等的消費總量；優(yōu)化發(fā)展方式，改進工藝設(shè)計，在火電、鋼鐵、水泥建材、焦化、有色、石油煉制、化工、農(nóng)藥醫(yī)藥、包裝印刷等重點行業(yè)實施清潔生產(chǎn)，減少污染物排放；控制城市機動車數(shù)量，進一步嚴(yán)格尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵購買和使用清潔能源汽車，減少機動車尾氣排放量。
按《大氣污染防治行動計劃》，通過采取綜合防治措施，堅持政府調(diào)控與市場調(diào)節(jié)相結(jié)合、全面推進與重點突破相配合、區(qū)域協(xié)作與屬地管理相協(xié)調(diào)、總量減排與質(zhì)量改善相同步，形成政府統(tǒng)領(lǐng)、企業(yè)施治、市場驅(qū)動、公眾參與的大氣污染防治新機制。
關(guān)于臭氧的知識，
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