Ozon (O3)

(von griechisch ozein „riechen“) ist ein aus drei Sauerstoffatomen bestehendes Molekül. Spuren von Ozon-Gas in der Luft zerfallen unter Normalbedingungen innerhalb einiger Tage zu dimerem Sauerstoff. Einerseits ist es ein starkes Oxidationsmittel, wodurch es bei Menschen und Tieren zu Reizungen der Atemwege führen kann. Andererseits schützt das Gas in der Ozonschicht die Lebewesen vor der Schädigung durch energiereiche ultraviolette Strahlung der Sonne.

Eigenschaften

Ozon ist bei Zimmertemperatur und normalem Luftdruck gasförmig. Aufgrund seiner oxidierenden Wirkung reizt es bei Menschen und Tieren die Atemwege. Bei Ozonaufnahme treten beim Betroffenen häufig heftige Schläfenkopfschmerzen auf. In hohen Konzentrationen riecht das Gas aufgrund der oxidierenden Wirkung auf die Nasenschleimhaut charakteristisch stechend-scharf bis chlorähnlich, während es in geringen Konzentrationen geruchlos ist. Die Geruchsschwelle liegt bei 40 µg/m3, allerdings gewöhnt man sich schnell an den Geruch und nimmt ihn dann nicht mehr wahr. Reines O3 ist eine allotrope Form von Disauerstoff O2. Bei Zimmertemperatur liegt es als instabiles, farbloses bis bläuliches, diamagnetisches Gas vor, das bei −110,5 °C zu einer tiefblauen Flüssigkeit kondensiert und bei −192,5 °C (80 K) zu einem schwarzvioletten Feststoff erstarrt. Das gewinkelte polare Molekül mit einem Dipolmoment von 0,5337 D bleibt im Festkörper erhalten, der O-O-Abstand beträgt 128 pm, der Winkel zwischen den drei Sauerstoffatomen beträgt 117°. Ozon unterhält die Verbrennung sehr viel stärker als Disauerstoff, etliche Materialien flammen schon bei Raumtemperatur bei Kontakt auf. Gemische aus reinem Sauerstoff und Ozon ab einem Volumenanteil von 11,5 % können sich unter Atmosphärendruck bei entsprechend hoher Zündenergie explosionsartig zersetzen. Durch Beimischung von 1 % Methan oder NO2 wird die Zündgrenze auf ca. 5 % Ozon herabgesetzt.

Ozon bildet sich in der Atmosphäre vor allem auf drei Arten:

  • Energiereiche Sonnenstrahlung spaltet Sauerstoff-Moleküle in der Stratosphäre in zwei einzelne Atome, die sich jeweils mit einem weiteren Sauerstoff-Molekül zu Ozon vereinigen. Dieser Vorgang der Spaltung von Sauerstoff-Molekülen durch energiereiche UV-C-Strahlung mit einer Wellenlänge von < 0,242 µm wird als Photodissoziation bezeichnet.
  • In Erdnähe bildet sich Ozon bei der Reaktion von Stickstoffdioxid NO2 mit Sauerstoff O2 unter dem Einfluss von UV-Strahlung.
  • Bei Gewitter: Durch den elektrischen Stromfluss zwischen Wolke und Erdboden bei der Blitzentladung entsteht Ozon (neben Salpetersäure und weiteren Stoffen).

Industrielle Herstellung

Aufgrund seiner Instabilität kann Ozon nicht über längere Zeit gelagert oder wie andere industriell verwendete Gase in Druckflaschen gekauft werden. Vor seiner Anwendung (chemische Synthese, Wasseraufbereitung, als Bleichmittel etc.) muss es an Ort und Stelle erzeugt werden.

Zur Herstellung wird meistens getrocknete Luft oder Sauerstoff (Taupunkt mind. −65 °C) als Trägergas eingesetzt. In selteneren Fällen wird Sauerstoff mit Argon, Kohlenstoffdioxid u. ä. gemischt. Im Ozonerzeuger werden die Sauerstoffmoleküle durch stille elektrische Entladung zu Sauerstoffatomen dissoziiert, wonach noch im Plasma der Entladungsfilamente die Ozonsynthese und Ozonanreicherung stattfindet. In Luft bewegen sich typische Endkonzentrationen zwischen einem und fünf Prozent Massenanteil, in Sauerstoff zwischen sechs und dreizehn Prozent Massenanteil.

Die in der Praxis eingesetzten technischen Vorrichtungen können auf folgenden Elektrodenkonfigurationen basieren:

  • ineinander geschobene Rohre (z. B. metallisch innenbeschichtetes Glasrohr im Stahlrohr)
  • parallele Platten
  • drahtumwickelte Elektroden für Oberflächenentladungen
  • Spitze zu Platte

Bei Anlagen mit mehr als 20 kg Ozon pro Stunde werden üblicherweise nur Röhrenozonisatoren eingesetzt.

In erster Näherung ist die Ozonanreicherung eine Funktion des elektrischen Energieeintrags pro Gasvolumen. Zur Optimierung des Wirkungsgrades können folgende Parameter variiert werden:

  • Elektrodenabstand
  • Elektrodenausrichtung
  • Dielektrikumsmaterial
  • Spitzenspannung und Frequenz

Auch durch Überlagerung eines inhomogenen elektrischen Feldes während des Energieeintrags (Dielektrophorese) kann das chemische Gleichgewicht, welches sich aus Synthese und Zersetzung bei wenigen Gewichtsprozenten einstellt, zugunsten des Ozons verschoben werden.

Obwohl die Ozonbildung aus Sauerstoff unter Wärmeabsorption erfolgt, sind Ozonerzeugerkessel In industriellen Anwendungen wassergekühlt, da fast 90 Prozent der eingetragenen Energie infolge der hohen Zersetzungsrate wieder abgeführt werden müssen. Für den Wirkungsgrad der Ozonsynthese ist die Gastemperatur ein weiterer dominierender Faktor.

Wegen der hohen Reaktivität von Ozon sind nur wenige Materialien gegen Ozon beständig. Dazu gehören rostfreier Stahl (Qualität 316L), Glas, Polytetrafluorethylen, Polyvinylidenfluorid und Perfluorkautschuk. Bedingt beständig ist Viton, das unter Ozon keiner mechanischen Wechselbelastung ausgesetzt werden darf.

Lagerung

Flüssiges Ozon lässt sich in Form einer 30 bis 75 %igen Lösung in flüssigem Sauerstoff bei –183 °C in Gegenwart von Stabilisatoren wie CClF3, OF2, SF6 oder andere ohne Explosionsgefahr lagern. Gasförmiges Ozon lässt sich im reinen Zustand (keine Verunreinigungen durch organische Verbindungen, Schwefel oder bestimmte Metalle) bei –50 bis –112 °C bei leichtem Überdruck recht gut lagern.

Ozon in der Wasseraufbereitung

Bei der Wasseraufbereitung dient Ozon unter anderem zur umweltfreundlichen Oxidation von Eisen, Mangan, organischer Substanz und zur Entkeimung. So gehört eine Ozonierung in vielen Trinkwasserwerken zu den zentralen Aufbereitungsstufen.

Auch in der Behandlung von kommunalen und industriellen Abwässern kommt Ozon zum Einsatz (Kläranlage). Die Ozonierung wird dabei der üblichen Abwasserreinigung durch Mikroorganismen zusätzlich nachgeschaltet. Allerdings handelt es sich bei Kläranlagen mit Ozonanlagen meist um Pilotprojekte (wie zum Beispiel in Regensdorf-Watt in der Schweiz), denn die Produktion von Ozon in solch großen Maßstäben ist teuer, energieaufwändig und die Schutzmaßnahmen gegen den giftigen und ätzenden Stoff sind erheblich. Zurzeit wird diskutiert, ob die Abwasserreinigung durch die ungiftige Aktivkohle nicht ungefährlicher, billiger und umweltfreundlicher wäre. Ziele einer weitergehenden Ozonbehandlung des konventionell gereinigten Abwassers sind: (a) Abtötung pathogener Keime (Desinfektion) zur Sicherung des Vorfluters (z. B. in Hinsicht auf die Badegewässerrichtlinie) (b) oxidative Elimination/Transformation von nicht oder nur schlecht abbaubaren organischen Spurenstoffen (insbesondere Medikamentenrückstände).

Ein Nachteil der Ozonierung ist die Entstehung von unbekannten und möglicherweise giftigen Produkten, wenn Ozon mit Schadstoffen im Wasser reagiert. So wird die Bildung von krebserregenden Nitrosaminen vermutet. Des Weiteren werden einige Schadstoffe, zum Beispiel iodhaltige Röntgenkontrastmittel, von Ozon praktisch nicht abgebaut. Sie gelangen deshalb weiterhin in die Umwelt.

Ozon kann sehr gut in Verfahrenskombinationen mit nachfolgenden biologischen Systemen (Biofilter) eingesetzt werden, so beispielsweise bei der Oxidation des chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) zum biologischen Sauerstoffbedarf (BSB), der dann im Biofilter weiterverarbeitet wird. Ebenso findet Ozon in Fischkreisläufen in der Aquakultur oder Aquariensystemen Anwendung.

Bei den meisten „chlorfrei“ benannten Produkten oder Verfahren wird Ozon eingesetzt, so zum Beispiel beim Bleichen von Papier. In diesem Zusammenhang ist oft von „aktivem Sauerstoff“ die Rede.

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