La decomposizione dell'ozono: Mario J. Molina, Premio Nobel per la Chimica

Una volta prodotto, l'ozono si decompone rapidamente: si tratta infatti di un composto instabile, con un tempo di vita relativamente breve. Il tempo di decomposizione dell'ozono in acqua è molto più breve che in aria (vedi tabella 1). L'ozono si decompone in condizioni di acqua potabile (pH: 6-8,5), e parzialmente con i radicali OH. Perciò, la valutazione di un processo di ozono comporta sempre le reazioni di due elementi: ozono e radicali OH. Quando questi radicali OH sono dominanti nella soluzione, si parla di un processo di ossidazione avanzata (AOP). La decomposizione dell' ozono in radicali OH in acque naturali è caratterizzata da una rapida diminuzione iniziale di ozono, seguita da una seconda fase in cui l'ozono diminuisce di cinetica di primo ordine [15]. A seconda della qualità dell'acqua, il tempo di dimezzamento dell'ozono puó variare da pochi secondi ad alcune ore. I fattori che influenzano la decomposizione dell'ozono in acqua sono la temperatura, il pH, l'ambiente e le concentrazioni di materia disciolta e raggi UV. In questo articolo verranno discussi i fattori di maggior influenza per la decomposizione dell'ozono.

I fattori d'influenza sono:

1. Temperatura

La temperatura ha una notevole influenza sulla durata di vita dell'ozono. La tabella 1 mostra il tempo di dimezzamento di ozono nell'aria e nell'acqua. In acqua il tempo di dimezzamento dell'ozono è molto più breve che in aria; in altre parole, l'ozono si decompone più velocemente in acqua [1]. La solubilità di ozono si riduce a temperature più elevate ed è meno stabile. D'altra parte, la velocità di reazione aumenta con un fattore 2 o 3 per ogni 10 ° C [5,6]. Principalmente, l'ozono disciolto in acqua non può essere utilizzato quando le temperature sono superiori ai 40 ° C, perché a questa temperatura il tempo di dimezzamento dell'ozono è molto breve.

2. pH

Come già accennato, l'ozono si decompone parzialmente in radicali OH. Quando il valore del pH aumenta, aumenta la formazione di radicali OH. In una soluzione con un alto valore di pH, non ci sono più ioni idrossido di specie, come mostrano le formule di seguito riportate. Questi ioni idrossido agiscono come stimolatori per la decomposizione dell' ozono:

1 O3 + OH-? HO2 + O2-O3 + 2 HO2? • OH + O2 • - + O2

I radicali che vengono prodotti durante la reazione 2 possono provocare altre reazioni con l'ozono, causando la formazione di più radicali OH.

Inoltre, il pH influenza l'equilibrio acido / base di alcuni composti e anche la velocità di reazione di ozono. Questo vale anche per la reazione con CO32 che agisce come "spazzino", che è anche dipendente dal pH (PKA HCO32-/CO32- = 10,3).

La Figura 1 mostra che la decomposizione dell'ozono in un ambiente basico è molto più veloce in un ambiente acido.

Figura 1: effetto del pH sulla decomposizione dell' ozono (T = 15 ° C)

3. Concentrazione di solidi disciolti

L'ozono disciolto può reagire con elementi diversi, come i composti organici, virus, batteri, ecc. Come risultato, l'ozono si decompone in altra materia (vedi figura 2). Questo dato dimostra che il tempo di dimezzamento dell'ozono in acqua distillata è molto più breve, rispetto a quello in acqua del rubinetto.




Figura 2: la decomposizione dell'ozono in diversi tipi di acqua a 20 ° C. 1 = acqua bidistillata, 2 = acqua distillata, 3 = acqua del rubinetto; 4 = acque sotterranee di bassa durezza, 5 = acqua filtrata dal Lago di Zurigo (Svizzera), 6 = acqua filtrata dal Bodensee (Svizzera).  

In acqua l'ozono si decompone in radicali OH. A seconda della natura della materia disciolta, questi possono accelerare (reazione a catena), o rallentare la decomposizione dell’ozono. Le sostanze che accelerano questa reazione sono chiamate promotori. Le sostanze che rallentano la reazione sono gli inibitori.

Quando l'acqua è ozonizzata, entrano in azione gli "spazzini", entità che reagiscono con radicali OH e che rallentano la reazione a catena. La capacità di lavaggio può essere definita nel seguente modo[16]:

Koh-DOC [DOC] + Koh-HCO3-[HCO3-] + Koh-CO32-[CO32-]

4. Carbonato e bicarbonato

Gli "spazzini" sono in grado di rallentare la reazione a catena. Questo perché dopo la reazione di spazzini con radicali OH, i prodotti di reazione non reagiscono ulteriormente con l'ozono. Il carbonato svolge la funzione di "spazzino". L'aggiunta di carbonato (CO32-) può aumentare il tempo di decomposizione dell'ozono [5,6]. L'effetto sulla velocità di reazione è massima a basse concentrazioni. A piú di 2 mm/l-1 per ozonizzazione e 3 mm/l-1 per il processo di ossidazione avanzata (AOP), la diminuzione della velocità di reazione è invece trascurabile [6].

Gli ioni carbonato (CO32-) ''sono spazzini'' molto più forti degli ioni bicarbonato (HCO32-) (velocità di reazione CO32-: k = 4,2 * 108 M-1-1 e la velocità di reazione HCO3-: k = 1.5 * 107 M-1 -1). Ecco perché in un processo di ozono in condizione di acqua potabile, la concentrazione di bicarbonato è meno importante [6]. La Figura 3 illustra la relazione del rapporto di carbonato, il rapporto di bicarbonato e del pH.

Il materiale organico naturale (NOM) esiste in ogni tipo di acqua naturale ed è spesso misurato come carbonio organico disciolto (DOC). NOM riduce la qualità delle acque in materia di colore e odore. L'ozono può essere usato nel trattamento delle acque, per la riduzione della concentrazione di NOM. La concentrazione di NOM in acque naturali può variare da 0,2 - 10 mg l-1 [6]. L'influenza della NOM per l'ozono è duplice. A seconda dal tipo di NOM, può essere ossidato direttamente da NOM. Questo è il caso di composti che facilmente reagiscono con l'ozono, come i doppi legami, ammine deprotonato e solfuro [15]. D'altra parte, i radicali OH possono reagire con NOM (reazione indiretta) sia come promotore che come spazzino. Nelle acque naturali, è difficile determinare la stabilità di ozono a causa dell'effetto indefinito di NOM. Ciò significa che non è possibile stimare la frazione che accelera o rallenta la reazione.