오존기술의 화학

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오존은 냉장온도에서도 가스 상태로 존재하는데, 대부분의 다른 기체와 마찬가지로 부분적으로 물에 용해되며 물의 온도가 감소할수록 용해도는 증가 한다. 또한 자기분해적 성질이 있어서 수많은 OH라디칼을 생성시킨다.

성층권에서는 대기온도가 올라감에 따라 오존의 분해가 촉진되어 산소함량이 높아진다. 35 ˚C 정도에서 아래와 같은 오존의 생성과 분해반응은 평형성을 이루고 있다. (3O₂ 2O₃+ 열과 빛) 용해된 오존을 함유한 용액의 pH가 증가함에 따라 오존의 분해속도가 빨라지고 OH라디칼의 생성도 그만큼 증가하게 된다.

약 ph10정도에서 오존은 순간적으로 분해된다. 결과적으로 오존분해 생성물인 OH라디칼이 강력한 산화제로서 살균력을 나타내게 된다. 미생물을 확실하게 살균시키려면 분자상태의 오존이 필요하다. 분자상태로 존재하는 오존의 반감기는 약 12시간 정도로 길다. 그러나 수용액상에서는 대개 오존처리가 필요한 대상물질(미생물)이 많을수록 오존의 필요량이 늘어나고 많이 소모되므로 반감기가 짧아진다. 바꾸어 말하면 오존 처리되어야 할 물이 깨끗할수록 오존처리를 받아야 할 미생물 같은 대상물질이 적게 함유되어 있을수록 소비되는 오존의 양이 줄어들어서 많이 남아 있게 되므로 그 오존의 반감기는 길어진다.

실제로 설거지 한 물이나 하수에서 오존의 반감기는 몇 초밖에 안되지만 음용수정도의 깨끗한 물에서는 수 시간씩 간다.

오존은 열역학적인 산화잠재력에 있어서 ffluorine. chlorine. trifluoride. oxygen. OH라디칼(오존의 분해물질)의 순서이므로 5번째로 잠재력이 큰 물질로서 음용수나 폐수처리, 살균제로서 이용될 수 있는 가장 강력한 산화제이다.

이러한 특징 때문에 오존은 식품재료의 보존과 보호를 위한 좋은 화학물질로 각광을 받고 있는 것이다.

오존은 태양으로부터 자외선과 대기중의 산소가 반응하면서 생성된다.

산소가 자외선을 받으면 산소원자(O)로 분해되고 분해된 산소원자는 산소분자(O₂)와 반응(결합)하여 오존분자(O₃)를 생성한다. 좀 더 높은 에너지를 갖는 자외선은 오존분자와 반응하여 오존을 파괴시키게 되지만, 이 결과 태양으로 부터 강력한 에너지를 갖는 자외선들이 성층권에서 걸러지게 되고, 결국 지표면에는 그런 자외선들이 도달하지 못하게 되는 것이다.

결론적으로 성층권에서는 자외선에 의해 오존의 파괴와 생성이 평행을 이루고 있으며, 그 과정에서 자외선이 사용되어 지표면에는 그렇게 많은 양의 자외선이 도달하지 못하게 되므로 지구위의 많은 생명체들이 태양의 강력한 자외선으로 부터 보호를 받게 되는 것이다. 지표면에서는 대기중에 번개가 칠 때 오존이 생성된다. 매우 높은 전기적 에너지가 요구되며 오존이외에 많은 부산물들이 생성된다. 또한 지표면에서 탄화수소· 산소· 질소 등이 관여하는 광화학적 산화반응에서도 오존은 부산물로 생성되기도 한다.

대기중에 존재하는 유기탄화수소(자동차 배기가스, 공장의 매연, 숲과 화산활동의 배출물등)가 광화학반응에 노출되면 과산화질소, 산화물들의 복합체가 형성되고, 일련의 광화학반응이 좀 더 진행되어 오존과 같은 광화학스모그의 성분들이 생성되어 악성오존이 생성되기도 한다. 특별한 용도에 사용할 오존을 생산하기 위해서는 자연을 자극시켜 오존을 얻어낼 수도 있다.

예를 들면 200nm이하의 파장을 발산하는 자외선전구를 이용하면 약 0.1%함량(1.200ppm수준)의 오존농도를 생성시킬 수도 있다. 이와 같이 상대적으로 낮은 농도의 오존을 발생시키는 자외선전구등은 육제품이나 계란등을 저장하는 냉장실에 오존을 공급하는 용도로 이미 오래전부터 사용되어 왔다.

높은 용도의 오존을 얻기 위해서는 코로나 방전기술과 상업적방법이 동원된다. 이 기술은 두 개의 전극이 가까이 세워져 있고 그 사이에는 유리나 세라믹과 같은 유전성물질(dielectric material)이 채워져 있으며 좁은 방전틈새가 있다.

이 방전틈새를 통하여 고압의 전류를 흘려보내면 코로나현상이 일어나고 코로나현상이 발생되는 그 틈새로 산소가 지나가면서 오존이 생성된다.

이 코로나 방전기술을 사용하면 약 18% (216.000 ppm)정도의 높은 오존농도를 얻을 수 있다.