L'ozone (de l'allemand ozon, dérivé du grec ozô « exhaler une odeur »), ou trioxygène, est une substance de formule chimique O3 : ses molécules sont triatomiques, formées de trois atomes d'oxygène. L'ozone est ainsi une variété allotropique de l'oxygène, mais bien moins stable que le dioxygène O2, en lequel il tend naturellement à se décomposer. Il se liquéfie à 161,3 K (−111,9 °C) sous forme d'un liquide bleu foncé et se solidifie à 80,7 K (−192,5 °C) en un solide pourpre. À température ambiante, c'est un gaz bleu pâle, voire incolore, qui se démarque par son odeur. L'ozone atteint son point critique à 5 460 kPa et −12,05 °C.

Son instabilité se manifeste à l'état condensé par une tendance à l'explosion lorsque sa concentration est significative. L'ozone se décompose en dioxygène O2 à température ambiante : la rapidité de la réaction dépend de la température, de l'humidité de l'air, de la présence de catalyseurs (hydrogène, fer, cuivre, chrome, etc.) ou du contact avec une surface solide.

Contrairement au dioxygène inodore, l'ozone est perçu par l'odorat humain (décelable dès la concentration de 0,01 ppm) ; son odeur caractéristique qui rappelle l'eau de Javel est perceptible dans les endroits confinés où règne un champ électrique important (transformateur haute tension, échelle de Jacob, tubes UV, allume-gaz). Respiré en grande quantité, il est toxique et provoque la toux.

L'ozone est naturellement présent dans l'atmosphère terrestre, formant dans la stratosphère une couche d'ozone entre 13 et 40 km d'altitude qui intercepte plus de 97 % des rayons ultraviolets du Soleil, mais est un polluant dans les basses couches de l'atmosphère (la troposphère) où il agresse le système respiratoire des animaux et peut brûler les végétaux les plus sensibles. Cet oxydant énergique agresse les cellules vivantes et peut être responsable de phénomènes de corrosion accélérée de polymères (« craquelage d'élastomères par l'ozone »).

Historique

Ozomètre à ozone gazeux datant de 1865

L'ozone a été découvert en 1789 par le chimiste Hollandais Martin van Marum en faisant passer un courant électrique à travers de l'oxygène enfermé dans une éprouvette. Il relève une odeur spécifique comparable à celle de l'acide sulfureux ou du phosphore. L'éprouvette trempée dans le mercure lui permet d'observer que le volume d'oxygène diminue presque de moitié et que le mercure est très rapidement oxydé. Sans savoir ce que révélait son travail, il définit cette odeur comme étant celle de l'électricité et l'élément créé comme de l'acide azotique.

Cette étude est reprise en 1840 par le chimiste allemand Christian Friedrich Schönbein qui, en approfondissant les recherches de Van Marum, parvient à isoler la molécule. Il la dénomma ainsi en se référant à la racine grecque ozein (exhaler une odeur, sentir). La formule de l'ozone, O3, n'a été déterminée qu'en 1865 par Jacques-Louis Soret puis confirmée en 1867 par Christian Friedrich Schönbein. Par la suite, de nombreuses recherches sur le mécanisme de désinfection par l'ozone suivirent. Werner von Siemens fabriqua le tout premier générateur d'ozone. Ce fabricant écrivit d’ailleurs un livre sur l'application de l'ozone dans l'eau, ce qui entraînera une multitude de projets de recherches sur la désinfection par l'ozone.

En 1907, le chimiste Français Marius-Paul Otto, qui reçut un doctorat pour ses travaux sur l'ozone, créa une entreprise appelée Compagnie des Eaux et de l'Ozone.

La relation entre l’ozone et les oxydes d’azote a été mise en évidence dans les années 1970 par Paul Josef Crutzen, prix Nobel de chimie 1995.

Physico-chimie

Le potentiel d'oxydoréduction de l'ozone est 2,07.

Δ_fH_gaz = 142,67 kJ·mol

La première énergie d'ionisation est égale à 12,43 eV (gaz)

L'odeur associée à l'ozone provient de l'ionisation due à la destruction de l'ozone. Sa couleur est due à la diffusion de Rayleigh qui donne une teinte bleutée en présence de hautes concentrations de la molécule.

Structure de la molécule

La molécule d'ozone est une molécule coudée à symétrie moléculaire de type C2v (semblable à la molécule d'eau). L'angle entre les atomes d'oxygène est 116,78°. L'ozone est une molécule polaire avec un moment dipolaire de 0,53373 D.

Réactions

L'ozone est un oxydant très puissant, plus puissant que l'oxygène ou le chlore. Étant très instable, il se dégrade en O2 assez rapidement :

2 O₃ → 3 O₂

Réactions avec les métaux

En présence d'humidité, l'ozone oxyde tous les métaux à l’exception de l'or, du platine et de l'iridium. Ci-dessous, l'oxydation du cuivre par exemple :

2 Cu + 2 H₃O + O₃ → 2 Cu + 3 H₂O + O₂

Réactions avec les métaux alcalins

L'ozone réagit avec les métaux alcalins et métaux alcalino-terreux pour former des ozonides (M + O3 → MO3), instables et réagissant avec l’eau pour former du dioxygène. Cette succession de réactions chimiques explique pour la plus grande part le caractère de polluant qui est attribué à l’ozone quand celui-ci est présent dans l’atmosphère près du sol.

Réactions avec des composés azotés

L'ozone oxyde le monoxyde d'azote (NO) en dioxyde d'azote (NO2) :

NO + O₃ → NO₂ + O₂

Le dioxyde d'azote (NO2) peut à son tour être oxydé en nitrate (NO3) :

NO₂ + O₃ → NO₃ + O₂

L'ozone peut oxyder l'ammoniac (NH3) en nitrate d'ammonium (NH4NO3) :

2 NH₃ + 4 O₃ → NH₄NO₃ + 4 O₂ + H₂O

Réactions avec des composés carbonés

L'ozone réagit avec le carbone pour former du dioxyde de carbone :

C + 2 O₃ → CO₂ + 2 O₂

Réactions avec les composés soufrés

L'ozone oxyde les sulfures (S) en sulfates (SO4). Exemple avec le sulfure de plomb(II) :

PbS + 4 O₃ → PbSO₄ + 4 O₂

L'acide sulfurique (H2SO4) peut être produit avec de l'ozone, de l'eau et du soufre ou du dioxyde de soufre :

S + H₂O + O₃ → H₂SO₄ ou 3 SO₂ + 3 H₂O + O₃ → 3 H₂SO₄

En phase gazeuse, l'ozone réagit avec le sulfure d'hydrogène pour former du dioxyde de soufre :

H₂S + O₃ → SO₂ + H₂O

En solution aqueuse, deux réactions simultanées se produisent. La première produit du soufre, la deuxième produit de l'acide sulfurique :

H₂S + O₃ → S + O₂ + H₂O et 3 H₂S + 4 O₃ → 3 H₂SO₄

Matières résistantes à l'ozone

Matériaux résistants à l'ozone en phase gazeuse Verre Téflon (PTFE, PVDF, PFA) Aciers inox 316L Silicone Titane Polyuréthane Polycarbonate Matériaux résistants à l'ozone dissous dans l'eau Verre Téflon (PTFE, PVDF, PFA) Aciers inox 316L PVC Plexiglas Béton Silicone Aluminium Polysulfure Matériaux pour les joints d'étanchéité Téflon (PTFE, PVDF, PFA) Kynar, Viton, etc.

Matières non-résistantes à l'ozone (gazeux ou dissous dans l'eau)

Polypropylène Acier, Zinc, Fer, Cuivre et autres métaux oxydables Nylon Magnésium Caoutchouc Néoprène Polyamide

Décomposition

L'ozone possède une demi-vie assez courte, encore plus dans l'eau (où il se décompose en radicaux -OH) que dans l'air. Différents facteurs influencent la vitesse de décomposition de l'ozone:

La température

Le facteur qui influence le plus la demi-vie de l'ozone est sans aucun doute la température (voir tableau ci-dessous). De plus, l'ozone est moins soluble dans l'eau (et moins stable) lorsque la température augmente.

Le pH

Dissous dans l'eau, l'ozone se décompose partiellement en radicaux -OH. Si le pH augmente alors la formation des radicaux -OH augmentera.

La concentration en solides dissous

L'ozone dissous dans l'eau réagit avec une grande variété de matière (composés organiques, virus, bactéries, etc.) par un phénomène d'oxydation de ces matières. L'ozone se décomposera alors en dioxygène (O2). C'est ainsi que l'ozone se décompose beaucoup moins vite dans de l'eau distillée que dans une simple eau de ville.

L'environnement

L'ozone gazeux possède une demi-vie théorique (voir tableau ci-dessus) plus longue que l'ozone dissous dans l'eau. Mais en pratique, l'ozone gazeux va oxyder tout ce qu'il y a autour de lui (métaux, machines, murs, personnel ou même odeurs) réduisant ainsi sa demi-vie à seulement quelques secondes.

Toxicité

L'ozone est extrêmement nocif pour les poumons, les reins, le cerveau et les yeux. À titre d'exemple, une concentration de 9 ppm d'ozone dans l'air entraînera des œdèmes pulmonaires. Entre cette valeur et le seuil moyen de perception olfactive (0,1 ppm en moyenne), on retrouve sécheresse buccale, toux, hypersécrétion bronchique, dyspnée, douleur rétro-sternale et anomalie du système respiratoire. Une simple concentration de 0,2 à 0,5 ppm d'ozone dans l'air peut déjà provoquer des troubles de la vision comme une diminution de la vision nocturne et une mauvaise adaptabilité à la lumière, une augmentation de la vision périphérique et une modification de la motricité oculaire. À cela s'ajoutent des troubles rénaux (néphrite aiguë) et neurologiques (vertiges, asthénies, altération du goût, trouble de la parole, mauvaise coordination du mouvement, etc.).

Ozone atmosphérique

Ozone dans la haute atmosphère - La « couche d'ozone »

Le trou dans la couche d’ozone le 22 septembre 2004

Dans la haute atmosphère terrestre, la couche d’ozone est une concentration d’ozone qui filtre une partie des rayons ultraviolets émis par le Soleil, ultraviolets notamment responsables du cancer de la peau. Cette couche protectrice est menacée par la pollution, en particulier par les émissions de gaz CFC (chlorofluorocarbure), qui montent dans la haute atmosphère et y catalysent la destruction de l’ozone en le transformant en dioxygène, étant ainsi à l’origine du trou dans la couche d’ozone. Comme instrument de mesure, on peut noter l’instrument GOMOS du satellite ENVISAT.

Répartition de l’ozone selon l’altitude dans l’atmosphère

Ozone dans la basse atmosphère - Pollution à l'ozone

Au-delà d'un certain seuil dans la basse atmosphère, l'ozone est l'un des polluants de l'air les plus dangereux pour la santé.

Causes naturelles :

les feux de forêt en sont une source importante, à partir des hydrocarbures et des oxydes d’azote qu'ils libèrent. Sous le vent de ces feux, sur de longues distances, les taux d'ozone peuvent tripler et dépasser les seuils recommandés ;

l'ozone est aussi produit avec les éclairs de l'orage ainsi que, plus généralement, à partir de toute étincelle ou arc électrique ;

lors de fortes températures, la dispersion de l'ozone vers les couches supérieures de l’atmosphère est freinée, induisant éventuellement des problèmes de santé chez les personnes fragiles. Ainsi, chaque été, en France, c'est la région Provence-Alpes-Côte d'Azur (et plus particulièrement les Bouches-du-Rhône), qui est la plus touchée par les pics de pollution à l’ozone ;

dans la nature, en cas de canicule ou forte insolation, les arbres émettent de l'isoprène qui interagit avec l'ozone, et contribue à produire des aérosols, brumes et nuages protégeant les arbres d'un stress climatique excessif.

Causes humaines :

l'ozone touche tout particulièrement les zones industrialisées ayant un fort ensoleillement (en été comme en hiver). Il est surtout produit par l'action du rayonnement solaire (UV) solaire sur des produits chimiques dits précurseurs de l'ozone. Ces derniers sont des polluants industriels, issus des chaudières, des centrales électriques thermiques et des incinérateurs. Il est aussi produit directement en faibles quantités par certains matériels électriques ;

l’ozone est aussi très présent autour des grands centres urbains, notamment lors des canicules où on le trouve en grandes quantités dans les basses couches de l’atmosphère. Il y est principalement produit par la réaction des polluants précurseurs : principalement les hydrocarbures imbrûlés et le dioxyde d’azote (NO2) des gaz d’échappement des véhicules, avec le dioxygène de l’air et sous l’influence de la lumière solaire ;

photocopieuses et imprimantes laser ou moteurs électriques dégagent de l'ozone, pouvant conduire à des concentrations significatives dans un local mal ventilé.

Cette pollution dans son ensemble a un impact très important en agriculture (attaque des cuticules foliaires) avec perte de productivité, et pour la santé humaine. En effet, l'ozone irrite et attaque les muqueuses oculaires et des bronches et bronchioles, tout particulièrement chez les populations les plus sensibles. En 2010, une étude américaine a confirmé que l’ozone, même à faible dose, était directement associé à la survenue des crises d’asthme chez l'enfant. Les pics de pollutions induisent une augmentation du nombre et de la gravité des crises d'asthme. Ces pics sont aussi associés à une surmortalité des personnes ayant des problèmes respiratoires (lors de canicules notamment, mais également en hiver par temps ensoleillé). La prévalence de l'asthme ainsi que la mortalité due à l'asthme a augmenté des années 1980 à 2000, en même temps qu'augmentaient les taux d'Ozone près des axes routiers, dans les grandes zones industrialisées et urbanisées et loin sous leur vent, dans les campagnes et jusqu'au-dessus de l'océan (l'ozone et les précurseurs troposphériques de l'ozone produit au Canada sont exportés par le vent jusqu'au centre de l'atlantique Nord. Ces quantités dépassent largement celles qui proviennent de la stratosphère (principale source naturelle d'ozone). Les taux d'ozone peuvent aussi fortement augmenter dans le panache d'émission riches en oxydes d'azote des centrales thermiques. Dans l'hémisphère nord au moins, la pollution anthropique par l'ozone agit donc à un effet qui dépasse l'échelle des continents.

Les enfants des populations urbaines pauvres y sont souvent plus vulnérables. (En 1994, à Atlanta, une étude épidémiologique a montré que les jours où les taux d'ozone atteignaient ou dépassaient 0,11 ppm dans l'air, et jusqu'au lendemain du pic de pollution, le nombre moyen d'hospitalisation pour asthme ou difficultés respiratoires réactives était de 37 % plus élevé que les autres jours. De plus, cette étude a aussi montré que les enfants noirs de familles pauvres étaient les plus touchés.)

C'est pour toutes ces raisons que l'Association santé environnement France (ASEF), qui réunit près de 2 500 médecins en France, a réclamé une prise en charge politique du problème.

L'ozone fait l'objet de modélisations et de prévisions accessibles depuis les années 1990.

Production

En laboratoire

Machine électrostatique de Whimshurst, parfois utilisée comme générateur d'ozone pour des applications pédagogiques

Un appareil de laboratoire couramment utilisé pour la démonstration de production d'ozone était la machine électrostatique de Whimshurst : elle utilisait la mise en rotation par une manivelle de deux plateaux isolés identiques, mais tournant en sens inverse. Des balais collectent l'électricité statique produite par le frottement, ils déchargent les plaques en produisant un arc électrique autour duquel apparait de l'ozone (alors diffusé dans l'air).

De l’ozone peut être produite par électrolyse en utilisant une batterie de 9 V, une cathode de graphite, une anode de platine et l’acide sulfurique comme électrolyte. Les demi-réactions qui ont lieu sont :

3H₂O → O₃ + 6H + 6e     ΔE = -1,53 V

6H + 6e → 3H₂     ΔE = 0 V

2H₂O → O₂ + 4H + 4e     ΔE = -1,23 V

Trois équivalents d’eau sont utilisés pour produire un équivalent d’ozone. Cette réaction est en compétition avec celle de formation d’oxygène.

Production industrielle

Une production industrielle d'ozone est permise par plusieurs techniques :

exposition d'air à des radiations ultraviolettes de courtes longueurs d’onde émises par une lampe à vapeur de mercure ;

décharge à froid dite décharge corona ou décharge à effet corona, dans un champ électrique élevé (technique inspirée par la foudre). L’appareil de décharge est constitué de deux plaques de métal séparées par une couche d’air et un isolant électrique de constante diélectrique élevée, comme le mica ou un verre borosilicaté. Une différence de potentiel élevée est appliquée entre les deux plaques, ce qui entraîne la dissociation des molécules d’oxygène de la couche d’air et leur recombinaison en ozone. Une couronne peut être présente mais le champ électrique est maintenu à une valeur inférieure à celle qui entraînerait l’apparition d’un arc électrique et d’un plasma. La concentration d'ozone produit est directement proportionnel à la fréquence des décharges électriques entre électrodes. Ainsi, on distingue les générateurs d'ozone à fréquence standard (50 Hz) et les générateurs à fréquence moyenne (200 - 400 Hz). Les générateurs à fréquence moyenne sont les plus courants notamment dans le traitement de l'eau, ils peuvent atteindre 4 à 6 % d'ozone à partir d'air (6 à 12 % avec un concentrateur d'oxygène) contre 1,5 à 2,5 % (3 à 4 % à partir d'oxygène) d'ozone pour les générateurs à fréquence standard ;

certains générateurs d'ozone fonctionnent par électrolyse de l'eau. Son principal avantage est une taille réduite (parfois pas plus grand qu'un stylo).

Destruction

L'ozone se dégrade très vite (cfr. décomposition de l'ozone) mais il est néanmoins indispensable de pouvoir détruire l'ozone résiduel lorsque cette molécule est utilisée en industrie dans le but évident de protection du personnel. L'ozone peut être dégradé en dioxygène par différentes façons :

destruction thermique : les destructeurs thermiques d'ozone sont utilisés pour de grandes concentrations d'ozone. Le principe est simple : l'ozone est chauffé jusqu'à la température de 350 °C pendant un certain temps, ce qui réduit sa demi-vie à quelques millisecondes. Les molécules d'ozone sont alors dégradées en dioxygène ;

utilisation de catalyseurs : la destruction d'ozone au moyen de catalyseurs est la plus utilisée. C'est une réaction catalytique exotherme. L'oxyde de magnésium et une solution à 2 % de KI sont parmi les catalyseurs les plus répandus ;

utilisation de charbon actif : celui-ci est utilisé pour des concentrations très basses (0,1 à 0,3 ppm d'ozone ambiant). En effet, avec des concentrations plus élevées en ozone ou lorsque l'ozone est produit à partir de dioxygène concentré, le charbon actif peut déclencher une combustion.

L'ozone résiduel peut également être rejeté dans l'atmosphère après dilution dans un grand volume d'air, opération réalisée par de puissants ventilateurs.

Injection d'ozone gazeux dans l'eau

L'injection d'ozone dans l'eau est assez compliquée car l'ozone est très peu soluble dans l'eau.

Diffuseur à poreux

Des diffuseurs appelés diffuseurs à poreux dont l'élément poreux est en verre de quartz permettent un rendement maximum de 20 % Le principe des diffuseurs à poreux est de diffuser des bulles d'ozone gazeux d'une taille variant entre 0.5 et 2 mm dans l'eau à traiter. Ces systèmes sont idéaux pour de petites quantités d'eau à traiter.

Contacteur à membrane

Les contacteurs à membrane permettent d'obtenir une haute concentration d'ozone dissous dans l'eau. La membrane permet les échanges entre l'ozone gazeux et l'eau à traiter. Le principe du contacteur suit la loi de Henry en abaissant la pression de l'ozone gazeux en contact avec l’eau (qui circule transversalement) pour créer une force conductrice permettant l'injection de l'ozone dans l'eau.

Injecteur Venturi

Principe de l'effet Venturi

Un injecteur-venturi est utilisé le plus souvent pour obtenir une concentration maximale d'ozone dissous dans l'eau, en effet, un injecteur venturi permet un rendement d'environ 90 %. Le principe du venturi est une application de l'équation de Bernoulli qui exprime le bilan hydraulique d'un fluide dans une conduite en régime permanent :

où

${\displaystyle p\,}$ est la pression en un point (en Pa ou N/m²) ;

${\displaystyle \rho \,}$ est la masse volumique en un point (en kg/m³) ;

${\displaystyle v\,}$ est la vitesse du fluide en un point (en m/s) ;

${\displaystyle g\,}$ est l'accélération de la pesanteur (en N/kg ou m/s²) ;

${\displaystyle z\,}$ est l'altitude (en m).

Or, à débit constant : q (débit en m³/s) = S₁v₁ = S₂v₂ = constante, avec S : surface en un point (m²) et v : vitesse du fluide en un point (m/s). Ceci montre que si la surface diminue comme c'est le cas dans l'injecteur venturi, la vitesse augmente.

En reprenant l'équation simplifiée de Bernoulli : si la vitesse augmente, alors la pression diminue. Il y a donc une dépression dans la zone contractée du venturi (là où le tuyau d'ozone gazeux est raccordé) ce qui permet l'aspiration de l'ozone gazeux dans l'eau à ozoner.

Utilisations

L’ozone est un oxydant et un désinfectant puissant. Il présente certains avantages par rapport à d’autres oxydants habituellement utilisés dans l’industrie, en particulier le chlore.

C'est l'un des désinfectants les plus puissants. Son potentiel d'oxydation (ou potentiel redox) de 2,07 est très largement supérieur à celui du chlore qui est de 1,35. Cela revient à dire que l'ozone oxydera des éléments qui ne l'auraient pas été par le chlore, d'où des temps de contact bien plus courts pour un même résultat de désinfection.

L'ozone est un assemblage de 3 atomes d'oxygène, qui une fois produit n'aura qu'une priorité : oxyder tout ce qu'il rencontre (murs, machines, sols, personnel et même bactéries ambiantes et odeurs) en se dégradant en dioxygène. D'où aucun résidu dû à la dégradation de l'ozone et surtout demi-vie extrêmement courte en industrie (quelques minutes voire quelques secondes en pratique). Dans l'eau, l'ozone tend à redevenir de l'oxygène ne laissant ici non plus aucun résidu, il peut dès lors être utilisé pour le traitement d'eau ultra-pure.

Contrairement aux autres techniques de désinfection, l'utilisation d'ozone ne nécessite pas de stockage de produits dangereux puisqu'il est produit directement sur place et uniquement lorsque l'on en a besoin, conséquence directe de son instabilité.

De manière générale, les inconvénients en sont :

le coût des équipements de production d'ozone, comparés à d'autres méthodes ;

impossibilité de stocker l'ozone sous forme gazeuse ou dissous dans l'eau car il se dégrade très vite ;

la toxicité de l'ozone, qui nécessite des mesures de sécurités plus strictes : détection d'ozone gazeux ambiant par un ozomètre à ozone gazeux capable d'arrêter la production du générateur dès que le seuil de 0,3 ppm dans l'air est dépassé, un destructeur d'ozone résiduel (thermique ou à catalyseur), voire des masques spécifiques pour la protection du personnel ;

la consommation d'énergie due à la production d'ozone par décharge électrique.

Désinfection de l'eau potable

Pour la désinfection de l'eau potable, l’ozone présente des avantages par rapport au chlore : il ne reste pas présent dans l’eau et n'altère donc pas son goût, et ne provoque pas l’apparition de composés organochlorés, qui peuvent être cancérogènes.

Néanmoins, l'ozone ne permet pas de détruire tous les micro-organismes présents dans l'eau (comme les parasites Cryptosporidium, Giardia et Toxoplasma gondii), même s'il a une efficacité certaine contre Cryptosporidium et Giardia.

L’ozone est employé dans le traitement de l’eau pour plusieurs fonctions :

oxydation du fer ;

amélioration de la performance de filtres à sable ;

amélioration de la floculation (appelée « ozofloculation ») ;

élimination de composés organiques nocifs, en particulier pesticides et herbicides. Pour cette application l’ozone est en général injecté en amont d’un filtre à charbon.

L'ozone est devenue une référence de qualité pour l'eau potable dans beaucoup de communes et de villes à travers le monde :

l'ozone est utilisé par la ville de Nice depuis maintenant 1907 (première usine au monde purifiant l'eau par l'ozone à Bon-Voyage et après à Rimiez) ;

l'ozone a permis à la ville de Marseille et à son agglomération d'être classée en 1998, à partir des normes de l'Organisation mondiale de la santé (OMS), par le magazine ça m'intéresse : première ville de France pour la qualité de son eau.

Traitement des eaux usées

L’ozone est utilisé dans des procédés de traitement des eaux usées, en particulier pour rendre digestible par des bactéries la demande chimique en oxygène (DCO) dite « dure », pour le traitement de la couleur, et pour la désinfection de l’eau en sortie de stations d’épuration (traitement dit tertiaire). Ces applications nécessitent la maîtrise de plusieurs techniques : ozonisation, mais aussi bioréacteurs. Parfois la performance de l'ozone peut être améliorée en combinant l’ozonisation à un traitement UV à haute dose d’irradiation. On parle alors de procédés d’oxydation avancés.

Utilisations médicales

L'ozone est utilisé comme antiseptique et bactéricide dans le traitement des plaies.

Autres utilisations

Les propriétés oxydantes et désinfectantes de l'ozone sont encore mises à profit dans diverses situations.

En blanchisserie, pour le lavage de linge blanc dans les installations commerciales ou hospitalières. Cette application est très répandue dans les pays anglo-saxons mais peu en Europe continentale.

Dans l'industrie agroalimentaire, pour la désinfection des chambres froides ou de produits alimentaires comme des légumes, des fruits, de la viande ou du poisson par bain d’eau ozonée. L'utilisation d'eau ozonée permet de ne modifier ni le goût ni l'aspect des aliments.

Dans l'agriculture pour l'éradication des insectes (Sitophilus sp., Tribolium sp., etc.) au niveau du stockage des grains (blé, orge, etc.) par ozone gazeux. De plus, des recherches sont en cours pour la désinfection des grains au niveau des contaminants fongiques (Fusarium, Alternaria, etc.) ;

En micro-électronique, les wafers destinés à la fabrication de circuits intégrés sont lavés avec de l’eau ozonée avec pour objectif l’élimination de traces éventuelles de matières organiques.

En papeterie, l'ozone est employé comme agent de blanchiment alternatif au chlore.

L'eau ozonée est un moyen simple à mettre en œuvre pour la destruction de biofilms dans des conduites.

Mesure de la concentration d'ozone

Dans l'eau

Méthode colorimétrique

C'est la méthode la plus simple et la moins coûteuse. L'échantillon d'eau à analyser passe dans un tube contenant un réactif à l'ozone (réactif DPD ou dipropyl-p-phénylènediamine appelé aussi réactif indigo), la lecture de la concentration se fait grâce à un disque colorimétrique ou un spectrophotomètre. Le problème de cette technique est le manque de précision. De plus, cette méthode nécessite un personnel avec une formation de laborantin.

Sondes électrochimiques

Les sondes électrochimiques contiennent un électrolyte qui est séparé de l'eau par une membrane sélective. On mesure alors un courant électrique entre ces deux électrodes placées de part et d'autre de la membrane. La concentration d'ozone dans l'eau fera varier ce courant électrique.

Analyseur d'ozone

Analyseur à mesure directe dans l'eau

Ces analyseurs utilisent la loi de Beer-Lambert. Une longueur d'eau connue est traversée par un rayon ultraviolet. On mesure l'absorption UV de l'échantillon et un simple calcul donne la concentration d'ozone dans l'eau.

Analyseur utilisant la loi de Henry

Une colonne de dégazage extrait l'ozone de l'eau. La concentration d'ozone est alors mesurée dans l'air, par la suite la concentration d'ozone dans l'eau est déduite à l'aide de la loi de Henry. Le gros avantage de ces analyseurs est la possible utilisation sur des eaux non-traitées.

Méthode de mesure de potentiel redox

C'est une méthode assez peu utilisée car elle s'appuie sur le fait que l'ozone, étant un puissant oxydant, fera varier le potentiel redox de l'eau. C'est vrai, mais il faudra alors que la qualité de l'eau reste parfaitement constante. Sans cela, les mesures de potentiel redox risque d'être erronées. De plus, cette méthode nécessite un pré-étalonnage à l'aide d'une autre méthode (colorimétrique par exemple) pour pouvoir être utilisable en pratique.

Dans l'air

Méthode colorimétrique

C'est la méthode la plus simple et la moins coûteuse. L'échantillon d'air à analyser passe dans un tube contenant un réactif à l'ozone (réactif DPD ou dipropyl-p-phénylènediamine), la lecture de la concentration se fait grâce à une échelle colorimétrique. Le problème de cette technique est le manque de précision.

Système de capteurs à semi-conducteur

Ces appareils utilisent un matériau semi-conducteur dont les caractéristiques électriques varient en fonction de la concentration d'ozone dans l'air.

Analyseur d'ozone

Les analyseurs d'ozone (ou ozomètre à ozone gazeux) calculent la concentration d'ozone dans l'air à l'aide de la loi de Beer-Lambert qui détermine la concentration d'ozone en fonction de l'absorption du rayonnement UV. Ces appareils, extrêmement coûteux par rapport aux autres systèmes, présentent de nombreux avantages comme une grande précision, aucune interférence avec d'autres éléments, une réponse très rapide et aucun consommable à prévoir. À noter aussi, qu'étant donné la toxicité de l'ozone gazeux, la plupart des générateurs d'ozone sont couplés à un analyseur d'ozone gazeux qui arrête la production d'ozone lorsque la valeur seuil d'ozone dans l'air ambiant (généralement 0,3 ppm) est dépassée.

Les variations de concentration de la couche d'ozone stratosphérique se mesurent par spectroscopie.

臭氧（分子式为O3）是氧气（O2）的同素异形体，在常温下，它是一种有特殊臭味的淡蓝色气体。英文臭氧（Ozone）一词源自希腊语ozon，意为“嗅”。

臭氧主要存在于距地球表面20公里的同温层下部的臭氧层中，含量约50ppm。它吸收对人体有害的短波紫外线，防止其到达地球。O2经紫外光照射而得。在大气层中，氧分子因高能量的辐射而分解为氧原子（O），而氧原子与另一氧分子结合，即生成臭氧。臭氧又会与氧原子、氯或其他游离性物质反应而分解消失，由于这种反复不断的生成和消失，乃能使臭氧含量维持在一定的均衡状态，而大气中约有90%的臭氧存在于离地面15到50公里之间的区域，也就是平流层，在平流层的较低层，即离地面20到30公里处，为臭氧浓度最高之区域，是为臭氧层，臭氧层具有吸收太阳光中大部分的紫外线，以屏蔽地球表面生物，不受紫外线侵害之功能。

发现

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年法国科学家克里斯蒂安·弗雷德日将它确定为臭氧。

物理性质

臭氧是一种淡蓝色气体，微溶于水，易溶于四氯化碳或碳氟化合物而显蓝色。在-112℃凝结成深蓝色的液体，这是有危险性的，因为气态和液态的臭氧容易发生爆炸。温度低于-193℃，臭氧会形成紫黑色固体。 大多数人都可以嗅到有点类似氯刺鼻的气味。暴露在0.1~1 ppm的臭氧会产生头痛，眼睛灼热，刺激呼吸道。即使空气中有低浓度的臭氧，亦会破坏有机材料，如橡胶、塑料，及动物的肺部组织。 臭氧是抗磁性的，这意味着它的电子都是成对的。

性状

臭氧具有等腰三角形结构，含有一个3中心4电子离域π键，三个氧原子分别位于三角形的三个顶点，顶角为116.79度，密度约为氧气的1.5倍，其沸点和凝固点均高于氧。臭氧液态呈蓝色，固态呈紫色。它与氧气不同，带明显令人恶心的气味，但低浓度的臭氧闻起来就像下过雨后出门闻到的“新鲜空气”的那种气味，十分怡人。臭氧反应活性强，极易分解，很不稳定，在常温下会逐渐分解为氧气，其性质比氧活泼，比重为一般空气之1.7倍。臭氧会因光、热、水份、金属、金属氧化物以及其他的触媒而加速分解为氧。 低温下溶解在二氯甲烷中的臭氧，呈淡蓝色 它不溶于液态氧等。有很强的氧化性，在常温下可将银氧化成氧化银，将硫化铅氧化成硫酸铅。臭氧可使许多有机色素褪色，对橡胶和纤维破坏性很大，很容易氧化有机不饱和化合物。臭氧在冰中极为稳定，其半衰期为2000年。 臭氧可利用碘化钾来检验。

结构

臭氧分子的共振式： 臭氧分子呈弯曲形对称结构。中心原子采取sp²杂化(混成)，两个杂化轨道与其他两个氧原子形成两根σ键，另一杂化轨道容纳孤对电子，除此之外，互相平行的2pz轨道重叠形成三中心四电子的大π键。 臭氧分子可以结合一个电子形成臭氧根离子(O3),所形成的化合物为离子型臭氧化合物。臭氧分子也可以形成臭氧链-O-O-O-,构成共价型臭氧化物，如O3F2。

影响

因臭氧反应活性远远比氧（O2）强，是强氧化剂，对植物、动物及很多结构材料如塑胶、橡胶有害。它还会伤害肺组织，严重会导致肺出血而死亡，因此当空气中臭氧含量过高时，一般建议老人和幼儿不宜于户外作剧烈运动，以免吸入过量臭氧。低层空气中臭氧有时称为「有害的」臭氧，主要源于汽机车排气中二氧化氮产生的光化学烟雾。 由于工业和汽车废气的影响，尤其在大城市周围农林地区，在地表臭氧会形成和聚集。地表臭氧对人体，尤其是对眼睛、呼吸道等有侵蚀和损害作用。地表臭氧也对农作物或森林有害。 与「有害的」臭氧相反，「有益的」臭氧存在于地球大气层的平流层上部，覆盖着地球表面，阻隔大部分破坏生物组织的太阳紫外线辐射。而稀薄的臭氧会给人以清新的感觉，因此在大雷雨后，空气总是特别清新。

用途与制备

工业上，用干燥的空气或氧气，采用5~25kv的交流电压进行无声放电制取，用空气做氧源时会衍生出大量氮氧化合气体。目前最先进的臭氧制备方法为高能量紫外线光解空气而对应生成纯净的臭氧。另外，在低温下电解稀硫酸，或将液体氧气加热都可制得臭氧。大自然很容易产生臭氧，在打雷闪电时会产生几十万伏的高压电，电离空气及有机物形成臭氧。臭氧能于短时间内将空气中的浮游细菌消灭，并能中和、分解毒气，去除恶臭。因此臭氧可用于净化空气、饮用水，杀菌，处理工业废物和作为漂白剂。在一些游泳池以臭氧取代氯做为消毒用途。 臭氧的灭菌原理：灭菌过程属生物化学氧化反应。臭氧是一种强氧化剂，能对细菌的细胞体直接氧化，即破坏其DNA而达到抑制的效果，对病毒的RNA亦有破坏作用；对各种毒素具有一定的氧化作用，降低其毒性。1.臭氧能氧化分解细菌内部葡萄糖所需的酶，使细菌灭活死亡。2.直接与细菌、病毒作用，破坏它们的细胞器和DNA、RNA，使细菌的新陈代谢受到破坏，导致细菌死亡。3.透过细胞膜组织，侵入细胞内，作用于外膜的脂蛋白和内部的脂多糖，使细菌发生通透性畸变而溶解死亡。杀菌彻底，无残留，O3是一种无污染的消毒剂。O3为气体，能迅速弥漫到整个灭菌空间，灭菌不留死角，杀菌更彻底。

臭氧对人体的影响