臭氧化簡介
臭氧與有機化合物的反應。臭氧化可用來測定烯烴的分子結構,也可用於合成醛、 酮、酸、過氧酸和醇等。當烯烴與臭氧反應時,可得到不穩定的臭氧化物,它具有爆炸性,通常加還原劑(如鋅粉)催化分解為兩個羰基化合物,它們正好分別與原烯烴C=C雙鍵兩側的骨架相同:
分析測知兩羰基化合物的結構後,就可推知該烯烴的分子結構。由於現代光譜儀器分析測定分子結構方面的迅速進展,用臭氧化來測定烯烴結構的重要性已有所下降。
培安 Cube 臭氧化發展
自1785年由VanMarum發現臭氧後,1886年Meritens證實臭氧具有極強的殺菌能力,本世紀初,開始作為自來水的消毒淨化劑。隨後證明臭氧還可有效地去除水中的酚、氰、硫、鐵、錳,降低COD和BOD,並能脫色、除臭和殺藻。但由於臭氧設備費和運行費較高,未能廣泛套用。二次世界大戰後,臭氧發生器的研製取得很大進展,其規模和效率也有了大幅度提高,特別是進入20世紀70年代,臭氧化技術得到迅速發展,因此已成為水處理的重要手段之一。臭氧化技術套用以歐洲大陸最為普遍。法國和瑞士臭氧化工藝的套用有著悠久的歷史,臭氧化設備也居世界領先地位;德國全國85%的水廠採用了臭氧深度處理技術。目前這些國家在臭氧化技術發展的進程中仍處在世界前列。在70年代,世界上約有1039座水廠套用了臭氧消毒技術,而其中有近1000座位於歐洲。到90年代,套用臭氧技術的水廠在歐洲已達近2000家左右,成為世界上最集中的地區。與此同時,多種複合型臭氧水處理技術首先在這些國家得到開發和正式投入生產套用。
在美國、加拿大、澳大利亞等國家,臭氧技術的發展在60年代以來一直比較穩定,但其套用規模都比較小,到了80年代,這些國家在臭氧技術的開發和套用上明顯加快了步伐。以美國為例,1977年,全美只有2個小型水廠套用臭氧,進入八十年代以來,由於美國環保局提出了新的水質標準,對出廠水和管網水的消毒作了更加嚴格的規定,同時又對減少水中的消毒副產物作出進一步的限制,這雙重的壓力迫使國內的水廠不得不考慮採用臭氧化、強化混凝和生物過濾等技術來達到供水要求。因而臭氧化深度處理技術改造已在全國範圍內興起,。1989年,有55座採用臭氧化工藝的水廠投入運行,進入新千年,美國已有200餘座水廠已經套用了臭氧化技術,還有許多類似的水廠則正在設計或建設之中。
為了提高臭氧氧化的效果,近年來國內外逐漸開展了臭氧與H2O2、UV聯合氧化工藝的研究,發現在H2O2或UV存在下,一些與臭氧不能直接反應的有機物得以氧化,但氧化的效果則與有機物的種類和水的pH值等密切相關,因而這一工藝尚難以實際套用7。目前,解決飲用水微污染問題的有效途徑之一是在對原水進行臭氧化以後,再進行過濾吸附處理,特別是臭氧化與粒狀活性炭結合使用。
反應特點
臭氧是氧的同素異構體,由3個氧原子組成,常溫常壓下是一種不穩定的淡紫色氣體,並可自行分解為氧氣。它的密度是氧氣的1.5倍,在水中的溶解度是氧氣的10倍。臭氧具有極強的氧化能力,在水中氧化還原電位僅次於氟而居第二位。臭氧本身的特性決定了臭氧化技術具有以下特點:①臭氧由於其氧化能力極強,可去除其它水處理工藝難以去除的物質;
②臭氧化的反應速度較快,從而可以減小反應設備或構築物的體積;
③剩餘臭氧會迅速轉化為氧氣,既不產生二次污染,又能增加水中溶解氧;
④在殺菌和殺滅病毒的同時,可除嗅、除味;
⑤臭氧化有助於絮凝,可以改善沉澱效果。
套用
臭氧與無機化合物或有機化合物反應生成不穩定的臭氧化物的過程。如乾燥的氫氧化鉀與臭氧作用生成臭氧化鉀、水合氫氧化鉀並放出氧。
乙烯臭氧化生成環臭氧乙烷等。
使水、廢水或空氣與臭氧接觸,利用其強氧化作用,達到除臭、脫色、殺菌、去除有機物的目的。
有機化合物分子與臭氧發生的氧化反應。也稱臭氧化反應,可以測定烯烴的分子結構,也可以合成醛、酮、過氧酸等多種有機化合物。
另外,聚合物臭氧化指臭氧與不飽和化合物中的不飽和雙鍵起加成反應生成過氧化物的過程。過氧化物不穩定,進一步裂解生成小分子。如聚合物的臭氧化作用造成聚合物的降解。
操作
臭氧化反應是氧化反應,在有機合成過程中是非常重要的一類反應,是具有較高產率的快速反應,並且副反應少。但由於臭氧的高危險性,溫度難於控制,容易爆炸,目前在藥物合成中儘量避免其使用。因此,在操作過程中要格外小心,在這裡要注意幾點:
①要把反應瓶內的空氣置換乾淨,氮氣要多通入一段時間,充分排乾淨瓶內的氧氣;
②要時刻觀察反應的溫度,充分做好冷卻措施,避免發生彪溫。
③反應結束後,要用足夠多的氮氣排空反應體系內殘留的臭氧,再淬滅。
④淬滅過程中,淬滅劑(通常用二甲硫醚)要儘量慢的加到反應體系內,防止體系彪溫。
這一步是臭氧反應中最容易發生危險的步驟,要格外小心,通常要做好防護措施,兩個以上人員來操作。
不過,現在由於科學技術的發展,很多公司開始採用一些專門用來進行臭氧化反應的儀器。現在套用最為廣泛的是由匈牙利ThalesNano公司生產的O-Cube臭氧儀。它將流動化學和臭氧發生裝置結合在一起,從而實現了臭氧在實驗室的安全利用和便利使用。O-Cube由於微量反應體積、物料連續流動與臭氧反應,實現了-25-0℃安全的臭氧化反應,並且反應選擇性和收率比超低溫釜式反應大大提高。