技术干货|臭氧消毒效果影响因素分析

文章来源:http://www.xiaodulab.com 发布时间:2021-12-27

臭氧(ozone,O3)是一种强氧化剂和催化剂,具有广谱、高效的杀菌作用。臭氧是氧气(O2)的同素异形体,英文为臭氧(Ozone)一词源自希腊语ozon,有气味的意思。臭氧是已知可利用的较强的氧化剂之一,在实际使用中,臭氧呈现出突出的杀菌、消毒、降解农药的作用。是一种高效广谱杀菌剂。
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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。在常温下,它是一种有特殊臭味的淡蓝色气体,存在于距地球表面20~35km的同温层下部的臭氧层中。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。臭氧会因光、热、水分、金属、金属氧化物以及其他的触媒而加速分解为氧。[1,2]
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图1 低温下溶解在二氯甲烷中的臭氧,呈淡蓝色

臭氧具有极强的氧化能力,其标准氧化还原电位达2.07V,仅次于氟(2.87V),大大高于过氧化氢(1.78V)、二氧化氯(1.50V)和氯(1.36V)。这种强氧化性对微生物具有较强的杀灭作用。此外臭氧在水中分解产生的自由基如氢氧基(HO2)和羟基(OH)等也有很强的氧化能力,在消毒过程中起重要作用。


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图2 臭氧对各种微生物的杀灭能力


细菌被臭氧溶解的6个步骤:其中:a为模拟细菌细胞;b为细菌细胞壁上的臭氧分子的特写;c为臭氧渗透细胞壁并导致细胞壁被腐蚀;d为臭氧对细胞壁的影响的特写;e为细菌细胞在与许多臭氧分子接触后;f为细胞破坏(裂解)。[2,3]


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图3 臭氧对细菌的杀灭机制


臭氧的消毒效果主要取决于微生物对臭氧的易感性、接触时间和臭氧浓度,同时臭氧对微生物杀灭作用还受到其它很多因素的影响,如温度、相对湿度、有机物浓度、pH值等。


#1

  臭氧的浓度

臭氧浓度越高,杀菌作用越强。臭氧杀菌在接触时间和相对湿度不变的情况下,臭氧浓度与杀菌效果呈正相关。


表1 臭氧浓度对臭氧杀枯草杆菌黑色变种芽孢效果的影响[4]
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#2

  作用时间

随时间的延长,臭氧对微生物的杀灭效果不断提高。

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图4 臭氧对空气中细菌、真菌和放线菌不同时间存活情况[5]


#3

 相对湿度

在相同臭氧浓度,相同作用时间条件下,相对湿度越高,臭氧的杀灭率越高。GB 28232-2020《臭氧消毒器卫生要求》中规定臭氧在对空气、餐饮具和食品加工管道、一般医疗器械和用品、床单元、物体表面等作用对象消毒时,都要求相对湿度≥70%。[6]

之所以在高湿条件下细菌易被臭氧杀灭,是因为高湿空气中细胞吸收水分使细胞膜膨胀变薄,更易被臭氧攻击损伤而致细胞破裂死亡。也有认为高湿芽孢表面聚集的水分可加快臭氧与芽孢结构中有机物的反应。[2]


#4

  温度

温度对臭氧杀菌作用有一定影响。居喜娟等报道,臭氧在30~32℃时的杀菌效果优于20~22℃和10~12℃时。王芳等研究发现,温度对低浓度臭氧水(0.3mg/L)杀菌有影响,随温度的升高,杀灭率略有降低,而对较高浓度的臭氧水(≥0.3mg/L),温度影响不明显。[7]


#5

  有机物

空气或水中有机物可能会保护细菌免受杀灭,因此,需延长作用时间或加大臭氧剂量。低浓度的有机物(如10%)对空气中微生物的杀灭作用影响不大,但对水中或表面细菌的杀灭效果影响很大。分别以含臭氧4.8mg/L 和8.4mg/L的臭氧水对含不同浓度小牛血清的大肠埃希菌悬液进行实验。结果表明小牛血清对细菌有明显的保护作用,各组杀灭率均显著降低。[7]


#6

  pH

水的pH对臭氧消毒作用有一定影响,然而水中臭氧不像氯那样随pH 的改变而解离。当水的pH值高时,臭氧水消毒效果不佳,也可能与高pH时臭氧分解快有关,故应增加臭氧的量。

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图5 臭氧(2mg/L)处理不同pH水样中大肠杆菌的随时间变化情况[7]

#7

  载体表面性质

臭氧对不同载体表面上微生物的杀灭作用相差较大。有人将芽胞杆菌悬液滴到滤纸片、木条、食物颗粒、布片和不锈钢盘子上,待干后暴露于臭氧中,428mg/m3臭氧作用6h可杀灭滤纸上的芽胞,但要杀灭木条、棉衣片和不锈钢盘上的芽胞则需要更高浓度或更长时间,而即使在1070 -2140mg/m3浓度下作用6h或428mg/m3作用24h都不能杀灭食物颗粒上的芽胞,提示饮食中的蛋白质可能起到了很好的保护作用。李绥晶等也发现不同表面上的细菌被臭氧杀灭情况不同,0.258mg/L的臭氧作用30min,对布 、纸、有机玻璃表面上大肠杆菌的杀灭率为99.99%,高于玻璃、铝、聚氯乙烯薄膜表面 的杀灭率(99.9%),且潮湿表面上大肠杆菌易被杀灭。[2]


#8

  水的纯度

水的浑浊度对臭氧消毒有一定影响,越浑浊杀灭效果越差,越纯净杀灭效果越好。

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图6 臭氧(2mg/L)处理不同水样中(蒸馏水、自来水和井水)大肠杆菌的存活率[7]

#9

  其它

臭氧用于表面消毒时如能使柜内臭氧空气流动,则杀菌效果明显上升,因为气体流动后使臭氧与微生物接触机会增多,使微生物被杀灭的机会也增多。此外流动的臭氧水对物体表面的杀菌效果也优于静止的臭氧水。

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