אוזון – מבוא, רקע היסטורי, דרכי ייצור ויישומים בעולם

מבוא – האוזון המיוצר בטבע

סביב כדור הארץ ישנם תהליכים שמייצרים אוזון בטופן טבעי זה מיליוני שנים. למעשה, תודות לשכבת האוזון הנמצאת בחלק העליון של האטמוספירה מתאפשרים חיים עלפני כוכב הלכת שלנו. שכבת האוזון שגינה עלינו מבפי קרני שמש מזיקות ומסננת קרוב ל99% מהקרינה המזיקה המגיעה אלינו מהשמש דרך החלל. מסיבה זו רבים מאוד מודאגים מהידללות שכבת האוזון מאחר והפחתה של אחוזים בודדים ביעילות ההגנה שלנו משמעה אוקיינוסים רוחתים וטמפרטורות של למעלה מ100 מעלות בממוצע.
הגז מופע בטבע בשתי דרכים – קרני השמש באורך גל ספציפי וברקים ברגע הפריקה שלהם.
קרינת UV באורך גל של 185 NM (נאנומטר) בדיוק הופכת מולקולות של חמצן (2O) למולקולות של אוזון (3O). תהליך זה קורה הרחק מעל כדור הארץ בכל מקום בו זורחת השמש. תודות לתנאים המאפשרים היווצרות של הגז, שכבת האוזון בקו המשווה עבה יותר מאשר בקטבים.
הדרך השנייה פחות אחידה בכמויות הייצור שלה ויותר תלוייה במזג האוויר – סופות ברקים. חלקיקים המתנגשים זה בזה בעוצמה יוצרים מטען חשמלי קטן – דומה לזה שנוצר כשאר אנו מעבירים מסרק בשערינו ולאחר מכן "נדבקות" אליו שיערות כתוצאה מהיווצרות חשמל סטטי. כשהמעטן שיוצר חלקיק אחד מתחבר לזה שמתקבל מאחר וכן הלאה, המתח חייב להשתחרר ובא לידי ביטוי בפריקה חשמלית – או כמו שאנו מכירים בשם ברק. הברק עושה מה שעושה קרינת הUV אבל בצורה שונה.
התוצאה זהה: אוזון המשתחרר לאטמוספירה ומגן עלינו.

ההיסטוריה של האוזון כגז מוכר

המפגש הראשוני בהיסטוריה המתועדת של האדם (מרטינוס וון מארום) עם הגז הקרוי אוזון היה בשנת 1785 וארע בזמן ניסוי ששילב גנרטור חשמלי. האוזון שהתקבל הוגדר כ"ריח של חשמל" ולא בוצעו ניסויים נוספים בתחום.
בשנת 1840 ניסוי אחר שבוצע על ידי מדען אחר (כריסטופר פרדריך שונביין), הפיק גם הוא אוזון. בנידוג לקודמו, מדען זה החל לחקור את הגז ואף נתן לו את שמו. בשנת 1857 הוצגה לעולם המכונה הראשונה שמייצרת באופן פעיל אוזון ומאז כל רובם המכריע של הגנרטורים המהירים לייצור אוזון עושים שימוש באותה הטכנולוגיה.
תהליך הייצור פשוט ויעיל ביותר ושמו פריקת קורונה (Corona Discharge) מתרחש בכל פעם שברק מפלח את השמים. כדי לעשות זאת האופן מלאכותי, יש צורך להעביר גז שמכיל כמויות מסויימות של חמצן (כמו אוויר למשל) דרך איזור יבש כמעט לחלוטין (אוויר מהחוץ שעבר דרך מייבש אוויר) שבו מתרחשים ברקים קטנטנים. על מנת לייצר סביבה זו מעבירים את זרם החשמל הרגיל דרך שנאי שמגביר את המתח שלו. הזרם עובר דרך האוויר בזכות שתי אלקטרודות נייחות הקרובות זו לזו. האוויר שייצא מהצג השני יהיה עשיר באוזון. ככל שהאוויר הנכנס מכיל כמויות חמצן גדולות יותר, כך יותר אוזון ייווצר באופן ייחסי. במקרים בו יש צורך בייצור כמויות גדולות מאוד של הגז, מזינים את האלקטרודה ב70% חמצן על מנת לקבל תפוקת גז גבוה יותר.
דרך נוספת לייצר אוזון היא על ידי הקרנה של קרינת UV חזקה במיוחד בעוצמה של 185 NM דרך תעלה בה עובר אוויר. אורך הגל המדוייק מפצל את מולקולות החמצן (2O) לשני אטומים בודדים של חמצן (O) אשר מחפשים מהר מולקולה של חמצן (O2) להיקשר אליה וליצור מולקולה אחת של אוזון (3O) . למרות שהתהליך פשוט ביסודו, כמות האוזון המופקת נמוכה מאוד ביחס להשקעה הראשונית במערכת עצמה ולהשקעה הקבועה בחשמל. אז למרות שהתהליך קיים ואפשרי, כמעט ולא עושים בו שימוש.
על ידי צפיה בסירטון הזה ניתן לראות את ההבדלים בין ייצור אוזון על ידי נורות UV ובין ייצור אוזון על ידי פריקת קורונה.

חשוב מאוד לציין – ההדגמה בסירטון נועדה לייצור אוזון בצורה גסה ובלתי מדידה לחיטוי מחסנים, השמדת עובש וטיהור ריחות לא נעימים. המוצר שמודגם בסירטון רועש מאוד ומסוכן מאוד לשימוש מאחר ולא ניתן למדוד את כמויות האוזון המיוצרות. המכשיר נותן כוח גס שפרט להרג בעלי חיים באקווריום גם יזיק לציוד שמסביבו.
מערכות ייצור האוזון הקיימות לאקוורמים מדוייקות מאוד וניתנות לשליטה.

שימושי אוזון כיום

רוב השימוש באוזון הם לתעשייה ולכימיה. בין השימושים השכיחים: חיטוי מזון, חיטוי מקורות מים ללא חומרים כימיים (ללא כלור או ברום), חדרי כביסה בבתי חולים, שימוש בבריכות שחייה וספא, שימוש בסילוק ניבגי עובש וניקוי במחסני תבואה, טיהור ריחות לא נעימים ממבני תעשייה, תיארוך תוקפם של מוצרי גומי על ידי תקיפתם באוזון ומיצוי נתונים ברי שימוש מהתוצאות. בחלק מהמקומות בעולם נהוג היה לעשות חיטוי בחומרים כימיים כגון ציאניד לחיטוי תבואה ומזונות בעלי חיים שאינם למאכל כמו כבשים שייצרו צמר וציפורי נוי אך בגלל היתרונות הבולטים של האוזון כמחטא על פני גז ציאניד, הופסק בהדרגה השימוש בחומרים כימיים. כיום ברוב התחומים השימוש באוזון הפך למעיין תקן ונורמה.

אוזון כמחטא – תהליכים מולקולרים ומבניים

אוזון היא מולקולת (O3) המורכבת משלוש מולקולות של חמצן(O). מולקולה זו נקראת מולקולה חופשית. ובהיותה כזאת שואפת להיפרד ולהפוך למולקולות יציבות יותר. בזמן הפירוק (נקרא גם פירוד) האוזון עובר שינוי. ממולקולה אחת שבה שלושה אטומי חמצן, לשתי מולקולות. האחת מורכבת משתי מולקולות של חמצן (אותו חמצן שאנו נושמים ואותו חמצן המועיל לאקווריום ,למשל), המולקולה הנוספת (שלמעשה מורכבת מאטום חמצן יחיד) נקשרת כימית למולקולות כלשהן שיכולות להיות אורגניות וא-אורגניות – תלוי בחומרים אליהם נחשף האוזון. בכדי להיפרד למולקולות יציבות יותר, על האוזון "לעשות שימוש" במולקולות אחרות. גם כאלו המורכבות הרבה יותר מהאוזון מבחינת האטומים המרכיבים אותן.
חומרים שונים מגיבים באופן שונה למפגש עם אוזון. לדוגמא, עד לפני כמה עשרות שנים, צמיגי המכוניות היו נסדקים מהר מאוד בגלל שהאוזון שבאטמוספירה תקף את החומר שממנו הם היו בנויים. בעיה זו נפתרה על ידי שימוש בחומרים המונעים את תהליך החימצון המהיר שנוצר בתגובה ממגע עם האוזון ובכך הוארך משך החיים התקין של צמיגים ברחבי העולם.
כל בעלי החיים עשויים ממולקולות. בעלי חיים קטנים במיוחד מאוד רגישים לתכונות המפרקות של האוזון מאחר ואובדן כמה תאים יכול להיות קטלני לכל יצור קטן. בעלי חיים מורכבים יותר כגון יונקים או דגים, לא ימותו כתוצאה מאיבוד כמה תאים. בעלי חיים אלו יכולים להיות חידקים, בעלי חיים חד תאיים כמו אמבות, אצות חד תאיות, צמחים פרמיטיביים ועוד. גם בעלי חיים קטנים כדון טפילים (נקודות לבנות למשל) יושפעו קשות מהאוזון ויושמדו.
אורך החיים של מולקולת אוזון בחלל הפתוח הוא כמה דקות. הסיבה פשוטה מאוד: מולקולת האוזון, במגע עם מולקולה אחרת, משנה את המבנה המולקולרי של שתי המולקולות. למעשה הורסת את שתיהן. לאחר המפגש בין מולקולת האוזון ובין המולקולה הנוספת, במקום מולקולה של אוזון ומולקולה של חומר אחר, יש מולקולה אחת של חמצן (2O) והתוצאה של הפירוק של האוזון (בדרך כלל צביר של אטומים בלתי מזיק כמו פחמן וחנקן).
מולקולת האוזון מושמדת בתהליך.
ניתן לראות כאן תרשים של תהליך פירוק המולקולות על ידי אוזון.
עובדה זאת הופכת את גז האוזון לחומי חיטוי כל כך יעיל: "הורג" מהר וביעילות ולא משאיר שאריות של החומר עצמו. לכן ניתן למצוא בעולם שימוש נרחב מאוד באוזון בתעשיית התרופות, ברפואה, חקלאות, תעשיית המזון ועוד.