TECHNICAL OZONE
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오존의 특성 및 구조
오존 은 끓는점이 -112oC인 푸른색 가스입니다. 대기압에서 오존은 물에 부분적으로 용해될 수 있습니다. 표준 압력과 온도에서 오존의 용해도는 산소 의 13배
입니다 . 2.07 볼트의 산화 전위는 오존이 강력한 산화제임을 증명하며, 사실 오존은 수처리 에 사용할 수 있는 가장 강력한 산화제 중 하나입니다 . 20% 이상의
오존을 함유한 오존과 산소의 농축 혼합물은 유체와 가스 모두에서 폭발성이 될 수 있습니다. 상업용 오존 발생기 에서는 이러한 농도가 발생하지 않습니다.
오존은 물 용액에서 상당히 불안정하며 물에서의 반감기는 약 20분입니다. 공기 중에서 오존의 반감기는 12시간으로 공기 중 오존의 안정성이 우수합니다.
오존의 구조는 다음과 같습니다.
기호 δ+와 δ-는 오존 분자가 이러한 기호가 나타나는 위치에 전자가 부족하다는 것을 보여줍니다. 즉, 오존은 쌍극자 분자입니다.
이로 인해 오존은 특징적인 특성을 갖게 됩니다. 오존은 매우 선택적으로 반응하며 친전자성입니다.
오존 데이터시트
상징 | O3 |
원자량 | 48 |
녹는점 | -192.5 °C |
비등점 | -119.5 °C |
임계 온도 | -12.1 °C |
임계 압력 | 5460kPa |
밀도 | 0°C에서 2.14kg O 3 /m 3 1013mbar |
상대 밀도(공기 중) | 1,7kg/m3 |
용해도 | 20°C에서 570mg/l |
에너지 | 142.3 KJ/mol(34.15 kcal/mol) |
바인딩 정도 | 116 ° |
전기화학적 전위 | 2.07 |
발생 | 푸른색 가스, 진한 파란색 액체 |
오존이 생성 되면 오존은 반감기가 비교적 짧은 불안정한 화합물이기 때문에 빠르게 분해됩니다. 물 속의 오존 반감기는 공기 속의 오존 반감기보다 훨씬 짧습니
다. 오존은 음용수 조건(pH: 6-8.5)에서 물 속에서 분해되며, 부분적으로는 반응성 OH 라디칼에서 분해됩니다. 따라서 오존 공정을 평가하려면 항상 오존과 OH
라디칼이라는 두 가지 종의 반응이 필요합니다. 이러한 OH 라디칼이 용액의 지배적인 입자에 있는 경우 고급 산화 공정(AOP)이라고 합니다. 자연수에서 OH 라
디칼의 오존 분해는 오존이 빠르게 초기 감소한 다음, 1차 반응 속도에 따라 오존이 감소하는 2차 단계로 특징지어집니다. 물의 품질에 따라 오존의 반감기는 몇
초에서 몇 시간 범위입니다. 물 속의 오존 분해에 영향을 미치는 요인은 온도, pH, 환경, 용해된 물질의 농도와 자외선입니다. 여기서는 오존 분해에 대한 주요 영
향 요인에 대해 논의합니다.
영향 요인
1. 온도
온도는 오존의 반감기에 중요한 영향을 미칩니다. 표 1은 공기와 물에서 오존의 반감기를 보여줍니다. 물에서 오존의 반감기는 공기보다 훨씬 짧습니다.
즉, 오존은 물에서 더 빨리 분해됩니다. 오존의 용해도는 고온에서 감소하고 덜 안정적입니다. 반면에 반응 속도는 10°C당 2 또는 3배 증가합니다.
원칙적으로 물에 용해된 오존은 온도가 40°C 이상일 때는 적용할 수 없습니다. 이 온도에서는 오존의 반감기가 매우 짧기 때문입니다.
(다른 온도에서 가스와 물 속의 오존의 반감기)
공기
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2. pH
위에서 언급했듯이 오존은 OH 라디칼에서 부분적으로 분해됩니다. pH 값이 증가하면 OH 라디칼의 형성이 증가합니다. pH 값이 높은 용액에서는 더 많은 수
산화물 이온이 존재합니다. 아래 공식을 참조하세요. 이러한 수산화물 이온은 오존의 붕괴를 위한 개시제 역할을 합니다.
O3+OH- → HO2-+O2
O3+HO2- → OH+O2+O2
반응하는 동안 생성된 라디칼은 오존과 다른 반응을 일으켜 더 많은 OH 라디칼이 형성되도록 할 수 있습니다. 또한 pH는 일부 화합물의 산/염기 평형과
오존 의 반응 속도에 영향을 미칩니다.이것은 또한 pH에 따라 달라지는(Pka HCO32- /CO32-=10,3 ) 스캐빈저 CO32- 와의 반응에도 적용됩니다 .
그림 1은 염기성 환경에서 오존의 붕괴가 산성 환경보다 훨씬 빠르다는 것을 보여줍니다.
(오존 붕괴에 대한 pH의 영향(T = 15 °C))
3. 용해 고형물 농도
용해 오존은 유기 화합물, 바이러스, 박테리아 등 다양한 물질과 반응할 수 있습니다. 결과적으로 오존은 다른 물질로 분해됩니다.
그림 2 참조. 이 그림은 증류수에서 오존의 반감기가 수돗물에 비해 훨씬 짧다는 것을 보여줍니다.
( 20 °C에서 다양한 유형의 물에서의 오존 분해. 1 = 이중 증류수; 2 = 증류수; 3 = 수돗물; 4 = 경도가 낮은 지하수; 5 = 취리히 호수(스위스)의 여과수; 6 = 보덴 호수(스위스)의 여과수
오존은 물 속에서 OH 라디칼로 분해됩니다. 용해된 물질의 특성에 따라 오존의 붕괴를 가속화(연쇄 반응)하거나 늦출 수 있습니다. 이 반응을 가속화하는 물질을
촉진제라고 합니다. 억제제는 반응을 늦추는 물질입니다. 물이 오존화될 때 종종 '소거 능력'이라는 용어를 사용합니다. 소거제는 OH 라디칼과 반응하여 연쇄 반
응을 늦추는 실체입니다. 소거 능력은 다음과 같이 정의할 수 있습니다. KOH-DOC[DOC]+KOH-HCO3-[HCO3]+KOH-CO32-[CO32-]
4. 탄산염 및 중탄산염
스캐빈저는 연쇄 반응을 늦춥니다. 이는 스캐빈저와 OH 라디칼의 반응 후 반응 생성물이 오존과 더 이상 반응하지 않기 때문입니다. 탄산염은 강력한 효과를
가진 스캐빈저입니다. 탄산염(CO32-)을 첨가하면 오존의 반감기를 늘릴 수 있습니다. 반응 속도에 미치는 영향은 낮은 농도에서 가장 큽니다. 오존화의 경우
2mmol -1 이상 , 고급 산화 공정(AOP)의 경우 3mmol l -1 이상에서 반응 속도 감소는 무시할 수 있습니다. 용액이 주로 간접 반응(OH 라디칼 사용)을 거치
는 경우, 예를 들어 pH 값이 높은 용액이나 AOP 공정에서 스캐빈저의 존재는 바람직하지 않습니다. 스캐빈저는 OH 라디칼과 매우 빠르게 반응하여 산화 용량
을 낮춥니다. 이런 종류의 공정에는 낮은 소거 용량이 필요합니다. 탄산염(CO32-) 이온은 중탄산염(HCO32-) 이온보다 훨씬 강력한 소거제입니다(반응 속도
CO32-: k = 4.2 * 108M-1-1, 반응 속도 HCO3-: k = 1.5 * 107M-1s-1). 이것이 음용수 조건에서 오존 공정에서 중탄산염 농도가 덜 중요한 이유입니다.
그림 3은 탄산염 비율, 중탄산염 비율 및 pH의 관계를 보여줍니다.
(평형 탄산염, 중탄산염 및 이산화탄소 )
5. 천연 유기 물질
천연 유기 물질(NOM)은 모든 종류의 천연수에 존재하며 종종 용존 유기 탄소(DOC)로 측정됩니다. NOM은 색상과 냄새와 관련하여 물의 품질을 저하시킵니다.
오존은 NOM 농도를 줄이기 위해 수처리 에 사용될 수 있습니다 . 천연수에서 NOM 농도는 0.2 ~ 10 mg l -1 에서 다양할 수 있습니다 .
NOM이 오존에 미치는 영향은 두 가지입니다. NOM의 유형에 따라 NOM에 의해 직접 산화될 수 있습니다. 이는 이중 결합, 활성화된 방향족 화합물, 탈양성자
화 아민 및 황화물과 같이 오존과 쉽게 반응하는 화합물의 경우입니다. 반면, OH 라디칼은 NOM과 반응(간접 반응)하여 촉진제 또는 소거제 역할을 할 수 있습
니다. 천연수에서는 NOM의 무한한 효과로 인해 오존의 안정성을 결정하기 어렵습니다. 즉, 반응을 가속화하거나 늦추는 비율을 추정하는 것은 불가능하다는
의미입니다.