+420 602 325 829 / info@nicoletcz.cz

Stanovení koncentrace ozonu

  • Popis aplikace
  • FT-IR spektroskopie
  • Více

Existence ozonu si vědci začali všímat již okolo roku 1775, kdy v souvislosti s pozorováním blesků nebo studiem elektrických zařízení zaznamenali jeho přítomnost jako charakteristický odér, který dobře známe i my z okolí kopírek nebo okouzlujících plazmových lamp.

Ozon, jakožto chemickou látku, objevil švýcarsko-německý fyzik Christian Friedrich Schönbein (1799 – 1868), a to až v roce 1840 při experimentech s pomalou oxidací bílého fosforu při elektrolýze vody. Byl objeven jako vedlejší produkt aktivity elektrického náboje při prováděné elektrolýze. Schönbein (kromě ozonu objevil ještě nitrocelulosu neboli střelnou bavlnu) zaznamenal jeho přítomnost ve vzduchu po bouřkách, a nazval ho proto ozon dle ozo, řeckého výrazu pro vůni. Po tomto vědci se také nazývá vůbec první, v minulosti hojně používaná metoda stanovení ozonu: Schönbeinova metoda (vystavení testovacího papírku napuštěného směsí jodidu draselného a škrobu ovzduší na několik hodin).
V 19. století se stal přízemní ozon předmětem početných měření v mnoha světových lokalitách, kdy se potvrdila jeho existence a zkoumala se jeho funkce v atmosféře.

Christian Friedrich Schönbein (1799 – 1868)
Molekula ozonu a Schönbeinova metoda

Jen v rozmezí let 1840 – 1879 bylo na téma ozonu publikováno 550 vědeckých článků a 14 knih. Brzy byl rozpoznán jeho vysoký oxidační potenciál, možnost jeho užití k bělení látek i schopnost odstraňovat zápach. Také byly popsány účinky této látky na lidský organismus: dusivé, slzotvorné a následně smrtelné.

Ozon je velmi silné oxidační činidlo a dezinfekční prostředek.  Proto se efektivně používá k úpravě pitné vody (hlavně potravinářském a nápojovém průmyslu), vody ve veřejných bazénech, ničení choroboplodných zárodků a při úpravě chladicí a procesní vody v průmyslu. Ozon se však také používá při bělení, například při výrobě papíru, textilu a keramiky. Kromě toho může vznikat také při průmyslových aplikacích UV záření během sušicích procesů. V potravinářství se používá k dekontaminaci potravin nebo potravinářského zařízení a povrchů.

Také existují speciální služby, které využívají mobilní ozonové generátory k odstraňování pachů po požáru nebo poškození vodou, a také k neutralizaci nepříjemných zápachů v kuřáckých automobilech nebo při renovacích ojetých vozidel. Významnou vlastností tohoto plynu jsou jeho silné oxidační schopnosti, díky kterým dokáže likvidovat viry, bakterie (hlavně E. coli a S. aureus), houby i prvoky. Ozon našel uplatnění i ve zdravotnictví jako dezinfekční prostředek, ale i při ozonoterapii, jelikož byl prokázán (v nízkých koncentracích) jeho pozitivní účinek na lidský organismus (stomatologie, opary a afty, akné, mykotické infekce atd.). V poslední době se objevuje také extenzivní množství literatury na téma využití ozonu pro boj s epidemií Covid-19.

Takto široké spektrum použití ozonu vyžaduje i vysoké nároky na jeho komerční produkci. Může být vyráběn elektrickým výbojem: nejčastěji je používán dielektrický bariérový výboj, méně častý je korónový výboj. Dalším způsobem produkce ozonu je fotochemická metoda, kde se využívá UV záření (nejčastěji 185 nm). Dále je možné použít chemickou, tepelnou nebo elektrochemickou metodu. Jednotlivé metody se liší typem energie, která je potřebná k disociaci vazeb kyslíku během výroby ozónu. Ozon je možné vyrábět z technického kyslíku (ideálně) nebo přímo ze vzduchu a při jeho výrobě i aplikacích v průmyslu je samozřejmě velice důležité znát jeho koncentraci. V současné době je publikováno mnoho prací o stanovování množství ozonu v ovzduší či směsích plynů. Jedná se o různé analytické metody, jako je např. chemická oxidace, absorpce ultrafialového záření, katalytický rozklad, chemiluminiscence nebo fluorescence a štěpení dvojných vazeb. Většina z těchto metod není příliš specifická pro ozon, ale obecně stanovuje množství oxidačních činidel. Mezi nejvíce propracované a užívané chemické metody patří jodometrická titrace. Má velkou výhodu v přesném absolutním stanovení množství ozonu (v kyslíku), nedovoluje ovšem provádět kontinuální stanovení. Ve většině publikovaných prací z poslední doby v oblasti výroby ozonu a jeho kvantitativního stanovování se používá fotochemická metoda absorpce záření v ultrafialové oblasti (při použití rtuťové výbojky jako zdroje UV záření). Největší výhodou této metody je stanovení množství ozonu kontinuálně a této vlastnosti se dá výhodně použít při automatické regulaci produkce ozonu ozonizátorem podle okamžité potřeby. Obě uvedené metody se dají bez jakýchkoli dalších dodatků použít pouze v případě stanovení ozonu vyráběného z kyslíku, neboť v případě výroby ozonu ze vzduchu je nezbytné uvažovat kromě absorpce UV záření v ozonu ještě absorpci v dalších molekulách, zejména v N2, N2O a NO.

Další moderní možností stanovení ozonu on-line (kontinuálně), ale i jednorázově (např. při elektrickém výboji) je infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací: FT-IR. Obrovskou výhodou této spektroskopické techniky je kvantitativní rozsah stanovení ozonu od velmi nízkých koncentrací pod 0,1 ppm až po koncentrace relativně vysoké (procenta). Další výhodou je souběžné on-line stanovení i dalších plynů ve směsi s ozonem (např. právě oxidů dusíku, které ozon může tzv. „vyrábět“ z dusíku v použitém vzduchu). Ozon je nelineární, triatomická molekula s permanentním dipólovým momentem a jako taková se v infračerveném spektru chová podobně jako např. H2O.

Vibrační módy molekuly ozonu

Kromě fundamentálních vibračních módů (valenční symetrický, valenční anti-symetrický, bending vibrace) má ještě relativně silné rotační vibrace. Ve  střední infračervené oblasti (mid-IR) se nejvýraznější pás ozonu nachází okolo 1055 cm-1 a je spojen právě s asymetrickou vibrací. Dále je evidentní Fermiho rezonanční vibrace při 2100 cm-1 spojená s kombinovaným overtonem (avšak s minimálně 4krát menší intenzitou). Bending vibrace v oblasti okolo 700 cm-1 je obvykle překrytá vibrací CO2. Fundamentální vibrace ozonu (asymmetric stretch) okolo 1055 cm-1 jsou tedy nejvhodnější pro vyhodnocení kvantitativních dat – tvorbu kalibrační křivky. Přesné pozice projevů ozonu v infračerveném spektru se dle literatury mírně liší (dle teploty a použité spektroskopické techniky).

Nicolet iS5 = Přenosnost + precizní vědecké parametry měření FT-IR spektrometr Nicolet iS5 je malý, snadno obsluhovatelný, spolehlivý a na údržbu nenáročný infračervený spektrometr, který zpřístupňuje FT-IR spektroskopii všem uživatelům, nejen spektroskopickým odborníkům. Vysoká spolehlivost jednotlivých součástí přístroje ho činí téměř nezničitelným a zásadně omezuje náklady na jeho provoz.
Nicolet Summit je malý, snadno obsluhovatelný, spolehlivý a na údržbu nenáročný infračervený spektrometr, který zpřístupňuje infračervenou spektroskopii všem uživatelům, nejen spektroskopickým odborníkům. Vysoká spolehlivost jednotlivých součástí přístroje ho činí téměř nezničitelným a zásadně omezuje náklady na provoz.
V posledním desetiletí tisíce a tisíce uživatelů ustanovili FTIR spektrometr Nicolet iS10 jako nový, vysoký standard pro laboratorní infračervené spektrometry. Nyní jeho nástupce, FTIR spektrometr Nicolet iS20, zvedá inovativní laťku na vyšší úroveň!
Nicolet iS50 je první vědecký infračervený spektrometr s jednodotykovým ovládáním. Na základě bohatých zkušeností s předchozími úspěšnými vědeckými systémy řad Magna, Nexus a Nicolet X700 byl vyvinut nový FT-IR spektrometr, který díky široké škále měřicího příslušenství a propojenému analytickému software přináší univerzální systém materiálové analýzy s bezkonkurenční snadností ovládání.
V odolném nerezovém těle modelu iG50 se skrývá srdce nejmodernějšího FT-IR spektrometru Nicolet iS50. Díky tomu je možné přesunout technologii FT-IR spektroskopie z bezpečného prostředí laboratoře do drsného světa průmyslové výroby.
Tabulka vibrací ozonu
Infračervené (FT-IR) spektrum čistého ozonu (komerční knihovna HR Nicolet Vapour Phase)
Detail vibrace ozonu ν3 v FT-IR spektru (asymmetric stretch) pro dvě různá rozlišení FT-IR spektrometru (1 cm-1 versus 0,5 cm-1)
Kvantitativní analýza ozonu: příklad tvorby kalibrace pomocí výšky pásu asymetrické stretch vibrace ozonu (Nicolet iS5 spektrometr, plynová cela s optickou drahou 2 metry), očekávaná mez detekce cca 0,7 ppm: při požadavku na nižší mez detekce je nutné zvolit plynovou celu s vyšší optickou drahou, např. 10 či 20 metrů
Kalibrační křivka pomocí výšky pásu asymetrické stretch vibrace ozonu
FT-IR spektrometr iS5 s kyvetou 5 m (ilustrační foto)

Použitá literatura:

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Ozone
  2. Tomečková, K. Generace ozónu fotochemickými procesy v O2 a příměsích.
    Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta chemická, 2018 
  3. Guicherit R., Roemer M.: Tropospheric ozone trends.
  4. CHEMOSPHERE – GLOBAL CHANGE SCIENCE 2 (2000): 167 – 183
  5. Anfossi, S.Sandroni: Short communication ozone levels in Paris one century ago. ATMOSPHERIC ENVIRONMENT (1997) Vol. 31, No 20, 3481 – 3482
  6. Volz A., Kley D.: Evaluation of the Montsouris series of ozone measurements made in the nineteenth century. NATURE VOL. 337 (1988) 240 – 242
  7. J. McCaa, J. H. Shaw: The infrared spectrum of ozone
    JOURNAL OF  MOLECULAR  SPECTROSCOPY  25,  374--397  (1968)

Nicolet CZ © 2021 - Všechna práva vyhrazena

Ze světa molekulové spektroskopie už vám nic neuteče!

Přihlaste se k odběru našeho newsletteru

Přihláška
na školení

Těšíme se na vás!

Kontaktní formulář

Vyplňte prosím Vaše údaje a my se Vám
co nejdříve ozveme.