Pour l’article homophone, voir O-Zone.| Ozone | ||||
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| Général | ||||
| Nom IUPAC | Trioxygène | |||
| Synonymes | ozone | |||
| No CAS | ||||
| No EINECS | ||||
| SMILES |
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| InChI |
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| Apparence | gaz incolore ou bleuâtre, d'odeur caractéristique[1]. | |||
| Propriétés chimiques | ||||
| Formule brute | O3 [Isomères] |
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| Masse molaire[3] | 47,9982 ± 0,0009 g·mol-1 O 100 %, |
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| Moment dipolaire | 0,53373 D [2] | |||
| Propriétés physiques | ||||
| T° fusion | -192,5 °C[4] | |||
| T° ébullition | -111,9 °C[4] | |||
| Solubilité | dans l'eau à 0 °C : 1 g·l-1[1] | |||
| Masse volumique | 2,144 g·l-1 (0 °C) | |||
| Point critique | 55,7 bar, -12,05 °C [5] | |||
| Thermochimie | ||||
| ΔfH0gaz | 142,67 kJ·mol-1 [6] | |||
| Propriétés électroniques | ||||
| 1re énergie d'ionisation | 12,43 eV (gaz)[7] | |||
| Précautions | ||||
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Signalisation indicative, non requise par la réglementation puisque l'ozone est toujours produit sur le lieu de son utilisation[4]:
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| Écotoxicologie | ||||
| Seuil de l’odorat | bas : 0,0076 ppm haut : 0,03 ppm[9] |
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L’ozone, ou trioxygène, est une molécule triatomique formée de trois atomes d'oxygène et donc de formule chimique O3. C'est une variété allotropique de l'oxygène bien moins stable que le dioxygène O2, en lequel il tend naturellement à se décomposer. Il se liquéfie à 161,3 K (-111,9 °C) sous forme d’un liquide bleu foncé et se solidifie à 80,7 K (-192,5 °C) en un solide pourpre. À température ambiante, c’est un gaz bleu pâle. Son instabilité se manifeste à l'état condensé par une tendance à l'explosivité[4] lorsque sa concentration est significative.
L'ozone est naturellement présent dans l'atmosphère terrestre, formant dans la stratosphère une couche d'ozone entre 13 et 40 km d'altitude qui intercepte plus de 97 % des rayons ultraviolets du Soleil, mais est un polluant dans les basses couches de l'atmosphère (la troposphère) où il agresse le système respiratoire des animaux et peut brûler les végétaux les plus sensibles. Cet oxydant énergique agresse les cellules vivantes et peut être responsable de phénomènes de corrosion accélérée de polymères (« craquelage d'élastomères par l'ozone »).
L'ozone est produit par décharge électrique dans du dioxygène. Il réagit avec les métaux alcalins et métaux alcalino-terreux pour former des ozonides (M + O3 → MO3), instables et réagissant avec l’eau pour former du dioxygène. Cette succession de réactions chimiques explique pour la plus grande part le caractère de polluant qui est attribué à l’ozone quand celui-ci est présent dans l’atmosphère près du sol.
Contrairement au dioxygène inodore, l’ozone est perçu par l’odorat humain (décelable dès la concentration de 0,01 ppm[10]); son odeur caractéristique qui rappelle l'eau de Javel est perceptible dans les endroits confinés où règne un champ électrique important (transformateur haute tension, échelle de Jacob, tubes UV, allume-gaz). Respiré en grande quantité, il est toxique et provoque la toux.
L'ozone a été découvert pour la première fois en 1781 par le chimiste Hollandais Martin van Marum puis la molécule fut isolée en 1839 par le chimiste suisse Christian Friedrich Schönbein. Il le dénomma ainsi en se référant à la racine grecque ozein (exhaler une odeur, sentir).
Par la suite, de nombreuses recherches sur le mécanisme de désinfection de l'ozone suivirent. C'est Werner Von Siemens qui fabriqua le tout premier générateur d'ozone. Ce fabriquant écrivit d’ailleurs un livre sur l'application de l'ozone dans l'eau, ce qui entraînera d'ailleurs une multitude de projets de recherches sur la désinfection de l'ozone[11].
En 1907, le chimiste Français Marius-Paul Otto, qui avait d'ailleurs reçu un doctorat pour ces travaux sur l'ozone, créa une entreprise appelée "Compagnie des Eaux et de l'Ozone"[12].
La relation entre l’ozone et les oxydes d’azote a été mise en évidence dans les années 1970 par Paul Josef Crutzen, prix Nobel de chimie 1995.
Dans la haute atmosphère terrestre, la couche d’ozone est une concentration d’ozone qui filtre une partie des rayons ultraviolets émis par le Soleil, ultraviolets notamment responsables du cancer de la peau. Cette couche protectrice est menacée par la pollution, en particulier par les émissions de gaz CFC (Chlorofluorocarbone), qui montent dans la haute atmosphère et y catalysent la destruction de l’ozone en le transformant en dioxygène, étant ainsi à l’origine du trou dans la couche d’ozone. Comme instrument de mesure, on peut noter l’instrument GOMOS du satellite ENVISAT.
L’ozone est aussi très présent autour des grandes agglomérations où sont produits des polluants qui sont ses précurseurs, notamment le dioxyde d’azote NO2, par leur pollution atmosphérique. Lors des canicules, on trouve l’ozone en grandes quantités dans les basses couches de l’atmosphère, surtout autour des centres urbains. Il y est principalement produit par la réaction des hydrocarbures imbrûlés et des oxydes d’azote des gaz d’échappement des véhicules avec l’oxygène de l’air sous l’influence de la lumière solaire. De même, les incendies de forêt en sont aussi une source importante, à partir des hydrocarbures et des oxydes d’azote qu'ils libèrent. Sous le vent de ces feux, sur de longues distances, les taux d'ozone peuvent tripler et dépasser les seuils recommandés[13]. Lors de fortes températures, la dispersion de l'ozone vers les couches supérieures de l’atmosphère est freinée, induisant éventuellement des problèmes de santé chez les personnes fragiles.
L'ozone est en outre produit avec les éclairs de l'orage ainsi que, plus généralement, à partir de toute étincelle ou arc électrique. Photocopieuses et imprimantes laser ou moteurs électriques dégagent de l'ozone, pouvant conduire à des concentrations significatives dans un local mal ventilé.
Dans la nature, en cas de canicule ou forte insolation, les arbres émettent de l'Isoprène qui interagit avec l'ozone, et contribue à produire des aérosols, brumes et nuages protégeant les arbres d'un stress climatique excessif.
Répartition de l’ozone selon l’altitude dans l’atmosphère
Une production industrielle d'ozone est permise par plusieurs techniques :
Un appareil de laboratoire couramment utilisé pour la démonstration de production d'ozone était la machine électrostatique de Whimshurst : elle utilisait la mise en rotation par une manivelle de deux plateaux isolés identiques, mais tournant en sens inverse. Des balais collectent l'électricité statique produite par le frottement, ils déchargent les plaques en produisant un arc électrique autour duquel apparait de l'ozone (alors diffusé dans l'air).
De l’ozone peut être produite par électrolyse en utilisant une batterie de 9 V, une cathode de graphite, une anode de platine et l’acide sulfurique comme électrolyte. Les demi-réactions qui ont lieu sont :
Trois équivalents d’eau sont utilisés pour produire un équivalent d’ozone. Cette réaction est en compétition avec celle de formation d’oxygène.
Produire de l'ozone gazeux est une opération assez simple, mais en ce qui concerne l'injection, cela ce complique un peu. On utilise un injecteur-venturi pour injecter l'ozone dans l'eau de manière à obtenir la concentration maximale. En effet, l'ozone étant assez difficile à dissoudre dans l'eau, un simple bullage d'ozone gazeux dans l'eau à traiter est alors à proscrire. Des diffuseurs appelés diffuseurs à poreux permettent un rendement maximum de 20 %. tandis que l'injecteur venturi, lui, possède un rendement d'environ 90 %. Le principe du venturi est assez simple, si on se réfère à l'équation de Bernoulli qui exprime le bilan hydraulique d'un fluide dans une conduite en régime permanent :
est la pression en un point (en Pa ou N/m²)
est la masse volumique en un point (en kg/m³)
est la vitesse du fluide en un point (en m/s)
est l'accélération de la pesanteur (en N/kg ou m/s²)
est l'altitude (en m)
Or, à débit constant : q (débit en m³/s) = S1v1 = S2v2 = constante avec S : surface en un point (m²) et v : vitesse du fluide en un point (m/s). Ceci montre que si la surface diminue comme c'est le cas dans l'injecteur venturi, la vitesse augmente.
Donc si on reprend l'équation simplifié de Bernoulli : si la vitesse augmente, alors la pression diminue. Il y a donc une dépression dans la zone contractée du venturi (là où, le tuyaux d'ozone gazeux est raccordé) ce qui permet l'aspiration de l'ozone gazeux dans l'eau de traitement.
L’ozone présente une série d’avantages par rapport au chlore mais ne permet pas de détruire tous les micro-organismes présents dans l'eau (comme les parasites cryptosporidium, giardia, toxoplasmose… responsables d'épidémies meurtrières ces dernières années). Il est cependant employé, et ce, malgré le coût souvent significatif d’une installation d’ozonisation de l’eau. Ces avantages sont les suivants :
L’ozone est employé dans le traitement de l’eau pour plusieurs fonctions :
L'ozone est utilisé par la ville de Nice depuis maintenant 1907 (première usine au monde purifiant l'eau par l'ozone à Bon-Voyage et après à Rimiez). Il est possible de visiter le site ayant un patrimoine historique des plus intéressants.
L'ozone a permis à la ville de Marseille et de son agglomération d'être classée, à partir des normes de l'Organisation Mondiale de la Santé(O.M.S), par le magazine:ça m'intéresse: Première ville de France pour la qualité de son eau.
L'ozone est devenue une référence de qualité pour l'eau potable dans beaucoup de communes et de villes à travers le monde.
L’ozone est utilisé dans des procédés de traitement des eaux usées, en particulier pour rendre digestible par des bactéries la DCO dite « dure », pour le traitement de la couleur, et pour la désinfection de l’eau en sortie de stations d’épuration (traitement dit tertiaire).
Ces applications nécessitent la maîtrise de plusieurs techniques : ozonisation, mais aussi bio-réacteurs. Parfois la performance de l'ozone peut être améliorée en combinant l’ozonisation par un traitement UV à haute dose d’irradiation. On parle alors de procédés d’oxydation avancés.
Au-delà de certains seuils, l'ozone est l'un des polluants de l'air les plus dangereux pour la santé.
Il est produit directement en faibles quantités par certains matériels électriques, mais surtout par l'action du rayonnement solaire (UV) solaire sur des produits chimiques dits précurseurs de l'ozone. Ces derniers sont des polluants automobiles, industriels et issus des chaudières et centrales électriques thermiques ou incinérateurs. Il fait depuis les années 1990 l'objet de modélisations et de prévisions accessibles[15]. L'ozone touche tout particulièrement les zones industrialisées ayant un fort ensoleillement (en été comme en hiver). Ainsi, chaque été, en France, c'est la région Provence-Alpes-Côte d'Azur (et plus particulièrement les Bouches-du-Rhône), qui est la plus touchée par les pics de pollution à l’ozone.
Cette pollution a des impacts très important en agriculture (attaque des cuticules foliaires) avec perte de productivité, et sur la santé humaine. En effet, l'ozone irrite et attaque les muqueuses oculaires et des bronches et bronchioles, tout particulièrement chez les populations les plus sensibles. En 2010, une étude américaine[16] a confirmé que l’ozone, même à faible dose, était directement associé à la survenue des crises d’asthme chez l'enfant. Les pics de pollutions induisent une augmentation du nombre et de la gravité des crises d'asthme, et par suite des hospitalisations. Ces pics sont aussi associés à une surmortalité des personnes ayant des problèmes respiratoires (lors de canicules notamment, mais également en hiver par temps ensoleillé).
La prévalence de l'asthme ainsi que la mortalité due à l'asthme a augmenté des années 1980 à 2000[17], en même temps qu'augmentaient les taux d'Ozone près des axes routiers, dans les grandes zones industrialisées et urbanisées et loin sous leur vent, dans les campagnes et jusqu'au-dessus de l'océan (L'ozone et les précurseurs troposphériques de l'ozone produit au Canada sont exportés par le vent jusqu'au centre de l'atlantique Nord. Ces quantités dépassent largement celles qui proviennent de la stratosphère (principale source naturelle d'ozone). Les taux d'ozone peuvent aussi fortement augmenter dans le panache d'émission riches en NOx des centrales thermiques[18]. Dans l'hémisphère nord au moins, la pollution anthropique par l'ozone agit donc à un effet qui dépasse l'échelle des continents[19].
Les enfants des populations urbaines pauvres y sont souvent plus vulnérables (En 1994, à Atlanta, une étude épidémiologique a montré que les jours où les taux d'ozone atteignaient ou dépassaient 0,11 ppm dans l'air, et jusqu'au lendemain du pic de pollution, le nombre moyen d'hospitalisation pour asthme ou difficultés respiratoires réactive était de 37% plus élevé que les autres jours, et les enfants noirs de familles pauvres étaient plus touchés[17].
C'est pour toutes ces raisons que l'Association Santé Environnement France, qui réunit près de 2500 médecins en France, a réclamé une prise en charge politique du problème[20].
Bien que l'ozone possède une demi-vie assez courte dans la pratique, il reste néanmoins extrêmement nocif pour les poumons, les reins, le cerveau et les yeux. À titre d'exemple, une concentration de 9 ppm d'ozone dans l'air entraînera des œdèmes pulmonaires. Entre cette valeur et le seuil moyen de perception olfactive (0,1 ppm en moyenne), on retrouve sécheresse buccale, toux, hypersécrétion bronchique, dyspnée, douleur rétro-sternale et anomalie du système respiratoire. Une simple concentration de 0,2 à 0,5 ppm d'ozone dans l'air peut déjà provoquer des troubles de la vision comme une diminution de la vision nocturne et une mauvaise adaptabilité à la lumière, une augmentation de la vision périphérique et une modification de la motricité oculaire. À cela s'ajoutent des troubles rénaux (néphrite aiguë) et neurologiques (vertiges, asthénies, altération du goût, trouble de la parole, mauvaise coordination du mouvement, ...).
L'ozone possède une demi-vie assez faible, encore plus dans l'eau (où il se décompose en radicaux -OH) que dans l'air. Différents facteurs influencent la vitesse de décomposition de l'ozone.
Le facteur qui influence le plus la demi-vie de l'ozone est sans aucun doute la température (voir tableau ci-dessous). Dans l'eau, la demi-vie de l'ozone est bien plus courte donc l'ozone se décompose plus rapidement dans l'eau. De plus, l'ozone est moins soluble dans l'eau (et moins stable) lorsque la température augmente.
| Dans l'air | Dans l'eau (pH 7) | ||
|---|---|---|---|
| Température (°C) | Demi-vie | Température (°C) | Demi-vie |
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- 50 |
3 mois |
15 |
30 minutes |
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- 35 |
18 jours |
20 |
20 minutes |
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- 25 |
8 jours |
25 |
15 minutes |
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20 |
3 jours |
30 |
12 minutes |
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120 |
1 Heure et 30 minutes |
35 |
8 minutes |
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250 |
1,5 secondes |
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Dissous dans l'eau, l'ozone se décompose partiellement en radicaux -OH. Si le pH augmente alors la formation des radicaux -OH augmentera.
L'ozone dissous dans l'eau réagit avec une grande variété de matière (composés organiques, virus, bactéries,..., etc) par un phénomène d'oxydation de ces matières. L'ozone se décomposera alors en dioxygène. C'est ainsi que l'ozone se décompose beaucoup moins vite dans de l'eau osmosée que dans une simple eau de ville.
C'est la méthode la plus simple et la moins coûteuse. On fait passer l'échantillon d'air à analyser dans un tube contenant un réactif à l'ozone (réactif DPD ou dipropyl-p-phénylènediamine) puis on lit la concentration grâce à un disque colorimétrique ou un spectophotomètre. Le problème de cette technique est le manque de précision. De plus, cette méthode nécessite un personnel avec une formation de laborantin.
Les sondes électrochimiques contiennent un électrolyte qui est séparé de l'eau par une membrane sélective. On mesure alors un courant électrique entre ces deux électrodes placées de part et d'autre de la membrane. La concentration d'ozone dans l'eau fera varier ce courant électrique.
Ces analyseurs utilisent la loi de Beer-Lambert. On fait traverser un longueur d'eau par un rayon ultraviolet. On mesure l'absorption UV de l'échantillon et un simple calcul nous donne la concentration d'ozone dans l'eau.
Une colonne de dégazage extrait l'ozone de l'eau. La concentration d'ozone est alors mesurée dans l'air, on en déduit par la suite la concentration d'ozone dans l'eau à l'aide de la loi de Henry. Le gros avantages de ces analyseurs est que l'on peut les utiliser sur des eaux non-traitées.
C'est une méthode assez peu utilisée car elle s'appuie sur le fait que l'ozone, étant un puissant oxydant, fera varier le potentiel rédox de l'eau. C'est vrai, mais il faudra alors que la qualité de l'eau reste parfaitement constante. Sans cela, les mesures de potentiel rédox risque d'être erronées. De plus, cette méthode nécessite un pré-étalonnage à l'aide d'une autre méthode (colorimétrique par exemple) pour pouvoir être utilisable en pratique.
C'est la méthode la plus simple et la moins coûteuse. On fait passer l'échantillon d'air à analyser dans un tube contenant un réactif à l'ozone (réactif DPD ou dipropyl-p-phénylènediamine) puis on lit la concentration grâce à une échelle colorimétrique. Le problème de cette technique est le manque de précision.
Ces appareils utilisent un matériau semi-conducteur dont les caractéristiques électriques varient en fonction de la concentration d'ozone dans l'air.
Les analyseurs d'ozone calculent la concentration d'ozone dans l'air à l'aide de la loi de Beer-Lambert qui détermine la concentration d'ozone en fonction de l'absorption du rayonnement UV. Ces appareils, extrêmement coûteux par rapport aux autres systèmes, présentent de nombreux avantages comme une grande précision, aucune interférence avec d'autres éléments, une réponse très rapide et aucun consommable à prévoir.
L'ozone en tant que désinfectant présente de nombreux avantages. Tout d'abord, c'est l'un des désinfectants les plus puissants. En effet, son potentiel d'oxydation (ou potentiel rédox) de 2,07 est très largement supérieur à celui du chlore de 1,35. En fait, cela revient à dire que l'ozone oxydera des éléments qui ne l'aurait pas été par le chlore d'où des temps de contact bien plus courts pour un même résultat de désinfection.
En second lieu, l'ozone n'est en fait qu'un assemblage de 3 atomes d'oxygène, qui une fois produit n'aura qu'une priorité : oxyder tout ce qu'il rencontre (murs, machines, sols, personnel et même bactéries ambiantes et odeurs) en se dégradant en dioxygène. D'où aucun résidu dû à la dégradation de l'ozone et surtout demi-vie extrêmement courte en industrie (quelques minutes voire quelques secondes en pratique). Dans l'eau, l'ozone tend à redevenir de l'oxygène donc aucun résidus, il peut dès lors être utilisé pour le traitement d'eau ultra-pure.
De plus, contrairement aux autres techniques de désinfection, l'utilisation d'ozone ne nécessite pas de stockage de produits dangereux puisqu'il est produit directement sur place et uniquement lorsque l'on en a besoin.
Le principal inconvénient de l'utilisation d'ozone (qu'il soit en phase gazeuse ou en phase liquide d'ailleurs) est le coût de l’installation d'équipements de production d'ozone dans le process d'une industrie.
De plus, une telle installation (production d'ozone puis injection dans l'eau dans certains cas) est relativement complexe en regard d'autres méthodes de désinfection (à base de chlore par exemple) et nécessite un personnel qualifié.
Autre point à se rappeler, l'ozone est un produit dangereux pour la santé et il faudra prévoir diverses mesures de précaution en vue de sauvegarder le bien-être du personnel.
À tout cela, nous pourrions ajouter aussi une augmentation de la consommation d'énergie due à la production d'ozone par décharge électrique.
L’utilisation de l’ozone dans le traitement de l’eau reste actuellement l’application industrielle prévalente. Toutefois une série d’autres applications ont été développées au cours des 2 dernières décennies, essentiellement en substitution du chlore.
L’ozone est un oxydant et un désinfectant puissant. Il présente certains avantages par rapports à d’autres oxydants habituellement utilisés dans l’industrie, en particulier le chlore. Le principal avantage est l’absence de rémanence : l’ozone étant chimiquement instable, il ne reste pas de traces d’oxydant ou de produits dérivés sur les produits traités.
Cette application est très répandue dans les pays anglo-saxons et peu en Europe continentale. L’ozone est utilisé essentiellement pour le lavage de linge blanc dans les installations commerciales.
L’ozone est employé dans l’agroalimentaire pour deux applications bien distinctes :
Les wafers destinés à la fabrication de circuits intégrés sont lavés avec de l’eau ozonée avec pour objectif l’élimination de traces éventuelles de matière organique.
L'ozone est employé comme blanchissant alternatif au chlore, et pour le traitement des eaux usées de papeterie.
L'eau ozonée est un moyen simple à mettre en œuvre pour la destruction de biofilms dans des conduites.
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