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知识丨顾老专题——臭氧的发现与消毒研究

admin59分钟前大健康产品6

1785年,德国人在使用电机时,发现在电机放电时产生一种异味。1840年法国科学家(schonbein)将此异味确定为o3,而命名为ozone(臭氧)。自此以后,欧洲的科学家率先开始研究臭氧的特性和功用,发现广谱的灭菌效果后,开始工业生产应用,其中瑞典一家牛肉公司用于臭氧对牛肉存储的保鲜,自1870年开始,一直沿用至今。

1、自然界中的臭氧

人类科学家在不懈地对臭氧技术投入研究,现在对臭氧的特性及应用已非常明确。其实在自然界中,臭氧是广泛存在的,只是不同条件下浓度差别很大,不易被人察觉而已。现在人们普遍了解的大气臭氧层,是阻挡太阳紫外线的天然屏障,它是由太阳光的一种特定波长光谱的光照射空气后产生的;雷雨过后人们会呼吸到一种特殊的清新味道,实际就是空气中的臭氧浓度提高(一般在0.04ppm左右),容易被人们察觉,臭氧浓度之所以提高,是因为闪电(高压放电)电离空气中的氧气形成臭氧;森林中,旅游地带,空气格外清新,是因植物在吸收co2过程中制造了[o],氧原子在形成过程中,部分形成o2(我们呼吸的氧气),一部分形成o3(臭氧)。自然界中细菌无处不在,在适合的条件下繁殖迅速,人类在发现细菌后,甚至谈虎色变,生怕人类被细菌吃掉。自然界的一切都处在平衡状态,人们没有必要忧虑,现在我们可以断定,正是自然界中无处不在的臭氧和太阳光中的紫外线,在控制着细菌的生存平衡,保护着人类健康。

2、臭氧的基本性质研究

人类通过对臭氧的研究发现,臭氧具有不稳定特性和很强的氧化能力。臭氧是由一个氧分子(o2)携带一个氧原子(o)组成,所以它是氧气的同素异形体。臭氧和氧气的不同之处自表一一目了然。

表一:氧和臭氧的主要性质

表一不难看出,与氧气相比,臭氧比重大、有味、有色、易溶于水、易分解。由于臭氧(o3)是由氧分子携带一个氧原子组成,决定了它只是一种暂存形态,携带的氧原子除氧化用掉外,剩余的又组合为氧气(o2)进入稳定状态。所以臭氧工作中没有二次污染产生,给人类的环保需求雪中送炭,这是臭氧技术应用的最大优越性。

臭氧的应用主要在人为的灭菌消毒。这主要是臭氧有很强的氧化能力,氧原子可以氧化细菌的细胞壁,直至穿透细胞壁与其体内的不饱和键化合而夺取细菌生命,它的作用是即刻完成的,臭氧的迅速灭菌效果决定于它的高还原电位,表二列出了人们常用的消毒物质还原电位与臭氧的比较。

表二:氧化还原电位比较

臭氧在灭菌消毒中名列榜首,成就了它的四大功用:灭菌、氧化、脱色、除味。

3、臭氧的应用研究

早在19世纪,人们就认识到了臭氧的强氧化作用,发现臭氧对木材、稻草、淀粉、植物色素、天然橡胶、脂肪、动植物油与酒精等物质都有氧化作用。1868年,德·格贝斯(de·gebeth)获得了臭氧应用技术的第一项专利,用臭氧将煤焦油混合物氧化为适于涂料、油漆使用的产品。1873年,欧洲将臭氧在食糖精制和亚麻漂白方面投入使用。一百多年来臭氧应用已深入到多个领域,对人类的生产技术发展做出了重大贡献。臭氧应用按用途分为水质处理、化学氧化、食品加工保鲜和医疗四个领域,各个领域的应用研究与设备开发都已达到相当高的水平。世界已经形成了独立的臭氧技术产业和部门,1973年建立的国际臭氧协会(ioa)设在加拿大。该协会每两年一次举办国际会议交流各国发展臭氧技术的论文、报告,发达国家都普遍建立了ioa地区性组织,进行学术交流。

二战以后,国际上臭氧应用技术获到了长足发展。首先,1902年,德国帕德博恩建立了第一座用臭氧处理水质的大规模水厂,开创了臭氧水处理的先河,现在世界上已有数千座臭氧水厂,欧美、日本、加拿大等国家的自来水厂应用臭氧已达到普及程度。矿泉水、纯净水厂家几乎都装备了臭氧设备。美国七十年代初开始利用臭氧处理生活污水,主要是为了灭菌消毒、去除污染物、脱色等达到排放标准。日本则在缺水地区将污水用臭氧处理后作为中水使用。美、日、德、法等国家近年来都建立了大规模的臭氧污水处理厂。其次,工业应用臭氧也已非常普遍,主要用于化工、石油、造纸、纺织和制药、香料工业。食品行业的应用更为普及,1904年欧洲就利用臭氧对保存牛奶、肉制品、奶酪、蛋白等食品进行保鲜处理,三十年代末,美国80%的冷藏蛋库都安装了臭氧发生器。二战后,欧美、日在食品果品、蔬菜保鲜中将臭氧运用到储存、制造、运输等各个环节。在医疗方面,二战时日本就利用臭氧进行人体理疗,俄罗斯则用于强气(臭氧化空气)体育人应用。目前,国际上在医疗方面已有多种用途:如病房、手术室的空气消毒,利用臭氧水进行医用器械消毒,采用臭氧进行牙科疾病治疗(口腔手术及保持口腔无菌),采用臭氧与放射理疗结合治疗癌症,喝臭氧水治疗妇女病,注射臭氧气体治疗瘘痔、静脉曲张等。在保健方面,日本、台湾流行吸强气(含低浓度臭氧的空气)以强身,用臭氧化水淋浴身体杀体菌和美容。现在流行的高科技美容,事实上就是应用臭氧。

空气消毒型臭氧发生器在应用中有以下几个特点:

(1)放置高处,因为臭氧比重在空气中较大,易下降,放置高处的目的主要是有利于臭氧的散播。

(2)湿度适当。臭氧的灭菌效果在湿度为50-80%条件下效果最理想,这主要是病毒、细菌在高湿条件下细胞壁较疏松,易被臭氧穿透杀灭,在湿度低于30%时效果较差,所以一般使用中,特别是无菌室使用应注意,至于蔬菜、果品保鲜,在高湿度下重量损失小,是相得益彰的。

(3)臭氧浓度。浓度掌握是空气型臭氧发生器使用的关键,不同的用途应有不的浓度和时间来配合。比如一般的除味、除臭、吸臭氧化气以保健等,浓度掌握一般不超过0.05ppm。如果用于室内灭菌消毒则一般掌握在0.1-1ppm;如果用于食品保鲜或物体表面消毒则一般掌握在1-5ppm的浓度。当然这些浓度指标都是与时间量相关的,指的是整个空间传播的散播浓度,而不是局部浓度。物体表面或肉类保鲜一般需要浓度都较高,大多浓度适宜,应从试验报告中吸取知识,或在亲自实验中获得,切不可自以为是。浓度使用不当会对人体呼吸道和果蔬造成伤害,应该特别注意。

(4)空气消毒型臭氧发生器产品在设计制造时,都有发生量/小时的设计和标定,根据用途和空间需要,以最大需要量为依据,进行产品规格的选型,以利于经济核算。值得指出的是同样的发生器在不同空间的需求中,工作时数与效果是成正比的,特别是臭氧在高温下短期内就进入衰减期,必须依靠一边发生一边应用的原则,源源不断的臭氧供应才能达到完美效果,所以不要只指望短期、高浓度收效,以致进入误区。

臭氧的毒性解释

臭氧是无毒物质安全气体,谈到它的毒性主要是其强氧化能力,在浓度高于1.5ppm以上时,人员须离开现场,原因是臭氧刺激人的呼吸系统,严重会造成伤害,为此,臭氧工业协会制定卫生标准:

国际臭氧协会:0.1ppm,接触10小时

美国:0.1ppm,接触8小时

德、法、日等国:0.1ppm,接触10小时

中国:0.15ppm,接触8小时

以上是人在臭氧化气体环境下的安全卫生标准,其浓度与接触时间的乘积可视为基准点。

文献报告,臭氧浓度在0.02ppm时,嗅觉灵敏的人便可觉察,称为感觉临界值,浓度在0.15ppm时为嗅觉临界值,一般人都能嗅出,也是卫生标准点。当浓度达到1-10ppm时,称为刺激范围,10ppm以上时为中毒限。

事实上安全使用臭氧完全可以保证人的健康不受危害,相反,在呼吸0.1ppm以下浓度臭氧时,对人体会有保健作用,有人把臭氧比作美酒,是有其道理的。臭氧应用一百多年来,至今世界上无一例因臭氧中毒死亡事故发生。

臭氧发生时的衍生物

臭氧的发生用纯氧气源时,臭氧的纯正度较高,不会对人体健康产生危害。但是如果用普通空气发生臭氧,电介质材料或器件选用不当时会伴随产生NO2,NO2是有毒气体,切不易消除。汽车尾气中的毒性也主要是NO2。因为在高温下发生臭氧容易衍生NO2,这是研究制造者在设计中必须避免的。

臭氧发生器使用须知

臭氧发生一般采用高压电源供电,所以在有导电气体或爆炸性介质存在的环境中应杜绝使用,使用人员须按安全操作规程执行。

环境对臭氧发生器的影响

臭氧发生器件在高湿或杂质、油类含量较高的气体环境下工作时,器件上容易沾污或衍生斑垢,多了会影响发生量,应及时清洗(一般一年后)。

臭氧对水质的影响

水处理中使用臭氧,科学家对其产物已作过详细研究,比如细菌的型变异、醛类(脂肪醛)、脂肪酸、羧酸、aoc、酮类、烃类、醌、醇的产生,但这些物质的产生大多在特定条件下,而且量很小,至今科学家对此尚不能得出有害的结论。但如果水中溴离子含量较高(如某些矿泉水)时,臭氧会将其变为次溴酸、溴酸盐等,则为有害。

臭氧的广谱杀菌效果

人类自发现并使用臭氧以来,科学家一直对臭氧的灭菌性能进行试验,这方面的试验报告很多,以下从几个方面进行综述。

1、臭氧对细菌繁殖体

李怀恩等观察了臭氧气体对空气中绿脓杆菌的杀灭作用。在15℃,湿度73%,臭氧浓度0.08-0.6ppm时,30分钟内杀灭率达到99.9%以上;伍学洲等试验臭氧对大肠杆菌杀灭率为100%,对金黄色葡萄球菌杀灭率为95.9%,对绿脓杆菌杀灭率为89.8%,顾士圻等试验,臭氧对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌杀灭率分别为99.7%、99.9%。居喜娟等试验用臭氧可杀灭空气中的白色葡萄球菌99.99%;burleson(国外)等试验将臭氧气体通入染有金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、荧光假单胞菌、鼠伤寒沙门氏菌、福氏痢疾杆菌、霍乱弧菌的磷酸盐缓冲液中,作用15秒后,以上细菌全部杀灭;白希尧等发现臭氧水溶液杀菌作用强大,且速度极快,浓度为0.3mg/l的臭氧水溶液作用1分钟,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率均达100%。

2、臭氧对细菌芽胞

瞿发林等报告,以5.5mg/m3的臭氧作用下45分钟,可将100ml塑料瓶内滴染的枯草杆菌黑色变种芽胞100%杀灭;居喜娟等报道,在1m3试验柜内,开启500mg/h的臭氧发生器60分钟可对空气中的枯草杆菌黑色变种芽胞杀灭率达 99.95%;欧阳川等在动态试验条件下,将臭氧气体通入染菌井水中,臭氧浓度达3.8-4.6mg/l时,作用3-10分钟,水中枯草杆菌黑色变种芽孢杀灭率达99.999%。

3、臭氧对病毒

李绍忱等试验发现,经10.3mg/m3浓度臭氧作用30分钟后,乙型肝炎表面抗原(hbsag)的滴度从1:256降至1:64。史江等报告,臭氧浓度13.6mg/m3时使用30分钟,使hbsag破坏99.99%,使用甲型肝炎病毒抗原(haag)破坏100%;国外wolo等实验证明0.5ppm的臭氧可灭活空气中的甲型流感病毒99%;herbold等报告,在20℃水中,臭氧浓度为0.13mg/l时,可以100%的灭活脊髓灰质炎病毒i型(pvi)。臭氧灭活病毒速度极快,当臭氧浓度分别为0.09mg/l-0.8mg/l时,在反应最初5秒钟内,噬菌体t2即可被灭活5-7个对数值。finch发现水中含臭氧浓度40μg/l时,作用20秒钟,可使大肠杆菌噬菌体ms2灭活4个对数值。vaughn等在4℃条件下,对比了臭氧对猿轮状病毒sa-h和人轮状病毒2型的灭活效果,发现两种病毒均能被0.25mg/l的臭氧迅速灭活。crpend等检测了经臭氧处理后的血清中爱滋病毒(hiv)的灭活情况,证明当臭氧浓度为4mg/l时,可将滴度为106cid50/mlhiv全部灭活,病毒滴度下降6个对数值。

4.臭氧对真菌

汪华明等报道,臭氧浓度为9.6mg/l时,作用100分钟对杂色曲霉与桃色拟毒霉的杀灭率达100%,对蜡叶枝孢霉23mg/l30分钟、青黑霉在12.5mg/l作用35分钟、桔青霉在15.4mg/l作用30分钟,尖镰孢霉在15.5mg/l时作用20分钟,均可达100%灭活率。对于烟曲霉、细交链孢霉、爪哇毛霉等,在臭氧浓度为3.85-10.7mg/l时作用10-20分钟灭活率达96.4%。伍学洲等发现,臭氧在30分钟内对青霉菌的杀灭率为93.8%,对毛霉菌的杀灭率为100%;白希尧等报告,浓度为15mg/l的臭氧水溶液作用1分钟,可100%地杀灭试验中的黑曲霉和酵母。

5、臭氧对原虫

finch等比较了22℃时臭氧对兰氏贾弟鞭毛虫和鼠型贾弟鞭毛虫色曩的灭活效果,当ct值0.86mg.min/l时,可使鼠型贾弟鞭毛虫减少4个对数值,ct值为2.5mg.min/l时,使兰氏贾弟鞭毛虫减少4个对数值。korich等比较了臭氧、二氧化氯、氯对净化水中的微小隐孢子虫卵囊的灭活作用试验证明,1ppm的臭氧作用5分钟可以灭活90%的卵囊,1.3ppm的二氧化氯则需作用1小时,80ppm的氯则需作用1.5小时才能达到同样效果。

6、臭氧的广谱杀菌原理

以上报告说明,臭氧几乎对所有病菌、病毒、霉菌、真菌及原虫、卵囊都具有明显的灭活效果,且灭菌时间来说,迅速无比,是氯的300-600倍,紫外线的3000倍。臭氧的灭菌机理,roy等研究报告,臭氧可破坏病毒衣壳蛋白的四条多肽链并使rna受到损伤;kim等报告,臭氧作用过程中,可使噬菌体中rna被释放,电镜观察可见噬菌体被断裂成小的碎片。

臭氧分子极不稳定,能分解产生氧化能力极强的单原子氧(o)和羟基(oh),是独有的溶菌型制剂,可迅速溶入细胞壁,破坏细菌、病毒等微生物的内部结构,对各种致病微生物有极强的杀灭作用。臭氧水比臭氧气体具有更强的氧化能力,对细菌、孢囊、芽孢菌、病毒等有更强的杀灭能力,杀菌速度比氯快200~3000倍,甚至几秒钟内可以致死细菌。对单细胞的藻类植物杀灭更快。

当臭氧水中的臭氧浓度达到灭菌浓度0.30ppm时,消毒和灭菌作用瞬间发生,水中剩余臭氧浓度达0.30ppm时,在0.5~1分钟内就可以100%的致死细菌,剩余臭氧浓度达到0.40ppm时,1分钟内对病毒的灭活率达100%。hth系列产品配备专用气水混合器,可控产出臭氧浓度达7ppm以上的高浓度臭氧水(注:臭氧水浓度1ppm=1mg/l)。

臭氧氧化其它物质和有机质,最终生成无害的氧气、水和二氧化碳,剩余臭氧在常温下半衰期为20~50分钟,数小时后全部分解,还原为氧气。因而臭氧发生器也成为所有矿泉水、纯净水生产企业必选的先进杀菌消毒设备(水源过滤去除杂质后经气水混合处理成臭氧水直接无菌灌装,千家万户回收的5加仑水桶也都必用此臭氧水洗涤消毒,以快速彻底杀灭各种病菌,确保生产出完全达标的高品质桶装饮用水)。

表三:国内外公认的臭氧灭菌消毒的实验数据

苏州某公司生产的臭氧消毒净水机展示

苏州某公司臭氧消毒净水机生产车间

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来源/净水论坛

本期监制/王梦匙   主编/王梦匙  图片/王梦匙

©净水论坛

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