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[【原創作品】] 臭氧機的論述與運用

有鑑於科技發達,魚友可選擇維護水質的器材越來越多,臭氧即為其中的一種,淡/海水皆適合使用..........
+ D) k" ?% C: X" Q臭氧殺菌機理以氧化作用破壞微生物膜的結構實現殺菌作用。 臭氧首先作用於細胞膜,使膜構成成份受損傷而導致新陳代謝障礙,臭氧繼續滲透穿透膜而破壞膜內脂蛋白和脂多醣,改變細胞的通透性,導致細胞溶解、死亡。 而臭氧滅活病毒則認為氧化作用直接破壞其核糖核酸RNA或脫氧核糖核酸DNA物質而完成的。
2 ^+ f; z5 t  F( [臭氧水殺滅情況有些不同,其氧化反應有兩種,微生物菌體既與溶解水中的臭氧直接反應,又與臭氧分解生成之羥基OH的間接反應,由於羥基OH為極具氧化性的氧化劑,因此臭氧水的殺菌速度極快。
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; y  t7 y8 Q, |+ C7 K/ u空氣消毒的主要方法 ! M$ j7 Z) k' G# E% ~
空氣消毒目前比較常用的方法主要有三種:臭氧、紫外線和化學藥劑。 其中臭氧為無色、無殘留、有輕微氣味的氣體,有極強的消毒、殺菌功效,被稱為“綠色消毒劑”。
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常用化學藥劑的特點和用途 7 H( k* R9 u' |3 c+ m! p$ p! s$ y: b# J+ {
戊二醛:為高效消毒滅菌劑,有效期兩週,兩週後其濃度和殺菌作用明顯降低,加溫45℃以上也可降低殺菌效果。 2%鹼性戊二醛室溫下浸泡4-10h達到滅菌,戊二醛對皮膚粘膜有刺激性,對金屬腐蝕性較小,浸泡消毒後的物品需反復用無菌水沖洗後才能使用,價格較貴。 . w5 X, |9 e* r  G$ L( S
甲醛(40%水溶液,商品名:福爾馬林):殺菌譜廣,殺菌效果好,價格便宜,但腐蝕性強,穿透力差,對人刺激性強烈,並證明有潛在致癌性。 口服90ml,可導致死亡。 美國疾病控制中心CDC所發表的消毒技術規範中提出:甲醛製劑不應再在醫院作為常用消毒劑。
; g  N3 c4 b% v$ d/ ^! k過氧乙酸Peracetic Acid(PAA):過氧乙酸為冰醋酸與過氧化氫的合成品,具有廣譜、高效、快速殺滅微生物,毒性低等優點。 濃溶液有刺激性及腐蝕性,配製時要戴口罩和橡膠手套須謹慎防止濺到它處;因腐蝕性強不宜用金屬器皿盛裝;存於陰處,防高溫引起爆炸,易氧化分解可降低濃度和殺菌力,故須現配現用。
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/ p3 L( H- p, M0 o  H" ^何謂臭氧
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. W3 ^# O" e  s% V4 d! R臭氧層是分布在離地面20~30km的大氣層中,它最大的功能是吸收紫外線,保護曝露在紫外線照射下的人類與動植物。空氣中的臭氧量為0.01~0.04ppm,因臭氧具有極強淨化殺菌之作用,使得自然界中的細菌霉菌,無法異常繁殖因而保持平衡狀態.。
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, X! ?5 N9 L3 I臭氧分解速度會因熱、光、水份、PH值而不同,也會因金屬氧化物與其他觸媒等作用,而加快分解速度。當活躍的菌碰上臭氧時,臭氧的致死濃度會使它立刻失去活力,臭氧在分解的時候產生的自由基過程,是一連串的反應動作,一個反應產物又可接連另一個反應產物,且不一定有固定的反應式相當復雜。 ; d9 x# O# x' C" m, W
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(1)臭氧在大氣中(常溫)之半衰期為三十秒,會隨溫度不同而有所改變。 3 X7 T$ `, \8 D' u% ^
(2)臭氧在水中之半衰期為二十分鐘,,當水中PH值高時分解速度變快,PH值低時較緩慢。 1 F' ~) a$ r  c& D
(3)臭氧溶解於水中會因受水分子作用,急速分解具有極強氧化力,殺菌、脫臭、漂白等作用。 5 {( E  S4 y& r7 N1 ]
(4)臭氧水中分解前,或分解後都能與附著物發生反應。
# n; |. B) o1 E& U8 u/ @' h2 \( w/ o(5)臭氧分解反應後,最重要的分離產物是氫氧離子﹝HO-﹞。   P7 k4 v' A5 w
(6)氫氧離子的氧化能量為-2.8V,氧化能力比臭氧本身氧化能量還高。
4 e7 }# L  G' M: T- U4 m- U(7)臭氧在酸性溶液中有-2.7V,在鹼性溶液中有-1.24V。 . S( H$ J% c; ]) c8 g8 V- L( d
(8)臭氧與有害物質分解後,會還原成氧氣,不會再造成二次公害。" J: W8 T$ c5 r% H5 T

2 s/ k! Q) K7 k0 h臭氧的發現與特性9 x& [4 i6 H( d2 `  A8 t
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臭氧的發現─
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西元1785年時,德國人Van Marum在雷雨後之清新空氣中,從所含的草鮮味而發現臭氧的存在,至1840年才由Schonbein,以希臘字"OZONE"命名之。
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自然界臭氧的產生% i' i; o5 y; V+ D# Z
太陽所放射出的紫外線對氧分子(O2)作用而產生了微量的臭氧O3及4 L, n% T" {4 b8 @* P1 Y& r, t! p
閃電雷擊之電離作用將氧分子(O2)之鏈鍵擊潰形成氧原子(O)。' _0 Z; V8 C9 x2 b6 W
由一個氧分子(O2)和氧原子(O)結合成三氧原子的物質:
6 |4 E" k1 G" _7 v氧分子(O2) + 氧原子(O)---> 臭氧 (O3)
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2 g3 H+ n3 w1 b9 D4 v臭氧的特性─; l! _0 r6 [2 c. P" m/ ?  D
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臭氧O3味道有如收割稻草時的獨特氣味,重量約為空氣的1.5~1.7倍,為不燃性氣體,主要的性質如下:
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分子記號: O3
# C* ^5 a3 c6 J$ D5 d" t分 子 量: 48
6 e/ A' y2 `2 G沸 點: -112℃
6 e9 d" M! g+ z. K: T* X比 重: 2.141(20oC時) / ^  x$ t8 m( G3 P) U. T
臨界溫度: -12℃
: ]4 M* L. A7 X, n( a( Q4 S臨界壓力: 54.6氣壓
. L% _% y0 B+ B. m6 Y; m: u$ N: u熔 點: -193℃
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# I- j3 m) _' {4 q/ d. p自然臭氧與環境臭氧─+ d/ G' ~2 D* M. z% N" S

% u$ a' ]4 N- q: e臭氧其實它的味道並非是很臭,而是由三個單氧(O)經變化後結合在一齊形成O3,正確的中文名應該叫做『重疊原子氧』(Triatomic oxygen)。" F/ M) S' B/ [' k1 M* \" X# j2 f& \
臭氧在宇宙中有二種,一種是『大自然臭氧』,一種是『環境臭氧』。% @8 k. i, L  O1 }0 a

4 E3 A: t' r5 H. u$ ?大自然臭氧:它是存在於太空之大氣層(約在37到74公里)它是由大氣中的氧分子受到太陽紫外線長期照射的作用而形成臭氧,再漂浮到大氣層同溫層的邊緣形成臭氧層,保護著地球,免受太陽的紫外線侵犯,且空氣中的臭氧量為0.01~0.04ppm,因臭氧具有極強淨化殺菌之作用,使得自然界中的細菌霉菌,無法異常繁殖因而保持平衡狀態.。
3 v4 e+ \1 s7 ]: I: K( E但如今大量汽機車及工業廢氣,大量往大氣層上升破壞大自然臭氧層,使大自然的臭氧層漸稀薄而破洞,使整顆地球表面上的生物受到太陽的紫外線侵襲,使整個地球的表面溫度在最近的五十年內平均溫度上昇2°C(溫室效應),使地球上的環境磁場由平均磁場0.5高絲(Gaus)降到0.45高絲(Gaus)。
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' Q8 W/ ]3 S$ W# X環境臭氧:是經過化學變化後所產生的臭氧,如工業廢氣、汽機車所排放的廢氣,均含有大量的臭氧,這種臭氧是較活躍,且不穩定的氣體,對人體有相當程度的害處。3 }5 j% L; v$ w, S" e* V% v
在強烈的光線照射下 氧氣O2 和二氧化氮NO2會反應產生臭氧。(尤其在空氣污染嚴重的都市)因為氧氣和氮氣不容易在室溫下產生反應,一般情形下二氧化氮NO2含量都很低。但是在高溫的引擎內 氧氣和氮氣會產生反應
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N2(氣體) + O2(氣體) ─ 熱 → 2 NO(氣體)
3 Y6 b. k, Y5 D2 M( D引擎內的一氧化氮排出後很快和空氣中的氧氣 形成二氧化氮。" f* ?+ `& ]: I7 u
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2 NO(g)+O2(g)→2NO2(g)# E! q  m! k2 r# G1 t; k9 ~# K
而二氧化氮在強光下則會產生分解
8 W' k( z, a! b* |! q9 {NO2(g) ─ 強光 → NO(g)+O(g)/ E: }, U: I" n/ O
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這種反應產生的氧原子O便會很容易和氧氣O2 形成臭氧。- ~5 b: _  U& L, I: I

/ o3 o- I6 ~  }. tO(g)+O2(g) →O3(g)9 I7 \9 [" Z0 ?) }; K  |
所以,在烈日下 當交通阻塞時汽車產生的二氧化氮夠多時,則很容易產生較多的環境臭氧。過多的環境臭氧對於生物都是不好的。當環境臭氧的比例超過十億分之125 (125ppb),則會開始對人體健康有影響。環境臭氧也會使得橡膠或塑膠等聚合物產品產生永久性的惡化。
+ [* K! b% w5 A, W雖然地面上有過多的環境臭氧是不好的,呼吸臭氧對人體不好,但是在大氣層高處(同溫層15-55公里高)的自然臭氧卻是地表生物生存很重要的關鍵因素。因為自然臭氧可以吸收太陽輻射中大量的紫外線。氧氣也會強烈吸收波長短於2400埃的紫外線,但是2400-2900埃間的紫外線卻無法被氧氣所吸收,而需要自然臭氧來完成使命。否則地表很多的生物將在強烈紫外光的照射下 死亡。
$ z8 \4 v" S: e# F7 b- h% a同溫層中臭氧是因氧氣在強烈紫外光照射下形成的。7 c, j+ \0 q- v4 Q
O2(g) ─ 紫外光 → 2O(g) (波長短於2400埃的紫外光)
- i  e* b, q, y( ?% r於是氧原子很快和氧氣形成臭氧。
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: V4 n, C$ e# K0 LO(g)+O2(g) → O3(g) 放熱反應 2 \2 N+ R' e1 M. h8 r4 H7 |
結合以上兩反應,於是每三個氧分子可以形成兩個臭氧,且將紫外光轉換成熱(紅外光)。 當自然臭氧吸收紫外線時又會分解成 氧氣與氧原子$ b8 |1 Y& ~* h' f

5 q2 s* M( _0 {1 N/ w臭氧如何消毒殺菌、分解異味4 W1 n% ^& Y( |3 |

$ ?. R7 r5 l8 i$ [: p3 M消毒殺菌─臭氧的殺菌力為氯的 3000 倍,消毒力為甲酚原液的 30 倍。細菌以蛋白質、 RNA、 DNA為主要成分,由多糖類、蛋白質、脂質等構成。病毒則是由蛋白質、 RNA、 DNA所構成。要使細菌或病毒死亡以及不活性化,必須損傷其成分或加以破壞、分解。臭氧能滲透到細菌或病毒中,使其變成酵素。而RNA 、溶霉菌等物質會被分解,DNA 則於受損後被擊潰。8 j- X3 Q+ B5 p7 v/ s, D, j# L' H
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分解異味─臭氧脫臭的構造在於其電氣分解的秘密。臭氧的構成原子─氧原子 (O) 帶有負電,氧分子 (O2) 帶有正電,臭氧則是帶有負電。若找帶有正電的結合對象,臭氧即會氧化,這種作用與造成極大脫臭效果的電氣分解有關。亦即,惡臭的臭味多帶有正電,而臭氧與其結合(離子結合)後,會反應成為其它物質。即可達到脫臭效果,這種作用與殺菌相同,藉由氧化分解後達到脫臭效果,並非利用臭氧獨特的氣味來掩蓋惡臭,而是將臭味根源物質加以分解。
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0 P+ V% ]% {3 q3 o例如:甲烷(放屁的臭氣以及甲烷氣體)與臭氧的反應式:EX:CH4(甲烷)+O3(臭氧)→CO (一氧化碳)+2H2O(水分)CO(一氧化碳)+O3(臭氧)→CO2(二氧化碳)+O2 (氧)甲烷與臭氧結合後,變成二氧化碳及氧二種無臭,無毒穩定化學物質。
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人工臭氧生成方式比較─
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臭氧產生的方式包括:紫外線法、電解法、無聲放電法、尖端放電…等數種方式。
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! w3 J' Z; y& ?; o% |% h( P" u* a# E紫外線法:濃度低,消耗電力大。燈管不能直射眼睛或皮膚,燈管壽命約3000~4000小時。1 A; ~, r. ^# B

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電解法:耗電力大。成本高、尚未符合經濟效益。無聲放電法:分為平板放電、管狀放電、利用石英管玻璃、耐熱玻璃、陶瓷、不鏽鋼等誘電體,當直流高壓高頻電流通過時,與接地電極便會產生放電電暈現象。而即分解反應,從3O2 成為2O3,得到臭氧,為目前一般在經濟考量下,普遍所選用之方式,但一般而言此種產生臭氧之方式受限於產生器本身之使用壽命較短且於臭氧產生同時溫度會上升,影響臭氧正常輸出。8 k, F/ P8 r; E# P& ?' p5 S) T2 n
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3.
7 F( R; g! ?4 Q2 c5 I+ B/ F尖端放電法: 以大自然閃電原理相同方式產生自然臭氧,並克服上項各式產生缺點,產生器壽命長且經濟省電,為最新一代臭氧產生裝置。
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5 v; A5 O. F) ]9 r9 r& V! G臭氧的應用與研究
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; n' L" _1 J' j1.臭氧在生活上之應用$ p, c9 _& p# r$ t& P1 ~
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應 用 範 圍
2 Y3 e0 h' d0 M6 o; `功 能 及 用 途2 q; i; Y6 [4 u1 L
# Q! J) C6 [2 A. Y
空氣處理
; R6 H8 j6 U# I* U, p醫院消毒, 家庭空氣清淨, 工業廢氣處理, 塑膠回收, 皮革及紡織工業, 家畜繁殖場, 化學製藥工業
& g& ]! d/ ?0 L+ a! \* D# K
/ j1 s9 M/ `/ A  |淨水處理5 j9 |7 {0 }" k; }6 o, S4 _; p
飲用水水質處理, 游泳池水質處理, 超純水處理, 冷卻水處理, 製程用水處理
* S0 X+ a) ]$ x0 c  r# I; q1 A" f3 ^' S/ E! h7 A  t& X
廢水處理
$ a; y, Y2 L7 m4 s7 o5 s: [6 i9 H廢水污染物氧化, 分解, 淨化, 脫色, 除味除臭, 殺菌殺藻類殺病毒, 降低 BOD/COD, 消除表面活性劑泡沫
/ c8 m8 b0 y+ e5 _" I9 M: H- c; l: S/ _- M5 Z0 i% s
食物處理
) A& J- k" }0 \* |, O魚粉飼料業除臭, 蔬果保鮮, 清除果菜中殘餘農藥, 消除肉類中的菌類
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工業製程應用, g9 }  Y' u, k7 R
人造纖維製造, 農藥與殺蟲劑, 紙漿裂解, 紙張及塑膠表面處理, 製造樂器之木材處理, 半導體工業TEOS系統與濕式清洗, 橡膠工業之臭氧耐候試驗, 醫學科技工業.! g7 U+ Y: `- L% I: ?+ n6 T
5 a2 F/ y" N! t8 m' _) Q" ?

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2.臭氧之研究
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5 [! n1 u$ |& r0 i' o國外有關臭氧研究之概況  
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1. 目前國際臭氧研究所設在加拿大渥太華,大致分為臭氧科學及臭氧醫學兩大類,7 T! J4 B5 m4 e4 L: Z0 o
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並行研究 。
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7 k6 b/ f3 i- |1 t2. 美國將臭養科學用於飲水殺菌及廢水處理,將臭氧醫學用於細胞活化及抑制癌症
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  l. ^) w! E, E& u* \6 P% C成長(聯合報載),易另闢太空臭氧學,再太空艙及潛水艇內設置臭氧機以淨化
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密閉內空氣,調整工作人員身心。. v+ {2 m$ a' m" [
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3. 蘇俄除典型應用外,將臭氧醫學用於運動訓練上26日後運動員運動量增加
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59.7%。6 \- G8 }) m% n$ V+ z

1 D0 Q9 a" P( f4. 日本將臭氧科學應用於環境衛生、勞工衛生、食品衛生及生產過程改善並於東京, W4 Y& N$ M# Q  O3 U% E' a4 |$ B

: W# M& ]! a& l2 M$ M% Y' u: }/ _市區內, 裝置大型臭氧產生機,使東經污染能控制於6度以下(日本都市污染指. a" `$ v1 y# J6 \& i. ]. J9 q
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標為8度)。
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4 Z- b. O+ G+ B4 f8 y6 Y$ e臭氧比氯及其他化學藥劑的優點在哪裡
2 F/ i8 c- y4 ?5 _9 m5 G9 z- C; K- m3 N! Z- ]( p. X9 J7 W
這要看您是將臭氧用在何處。大致上的優點如下:
0 z: a$ }, |+ Q; [  M- U6 b% @) G
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# d1 [9 f3 Z4 G( ]2 M6 s- h$ y臭氧可以殺死的微生物總類比氯還要多。(特別是抗氯力強的梨型蟲胞囊,只有使用臭氧才能殺死)1 E$ ~9 R  s' }! V! G

3 h- ]- O& g) E8 {, q: a2.
( ?1 R* O: F: ?0 D  c" l$ ?0 ^殺菌速率比氯快,因而可以降低接觸時間,減少反應槽體積,增大處理量。
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$ p& d; N6 r& J4 t, D2 u1 p/ \3.
: B; y; w6 H. w: b. |6 _臭氧在完成氧化、消毒後,臭氧會自行還原成氧氣。而氯仍會殘留於水中,需要後續處理才能消除之。
& e  J! h! Z, R! h
1 Y7 A7 Q6 g( S1 l5 P3 c( `5 h0 A4.
& @" b( A; `8 [% s臭氧不會產生有致癌風險的消毒副產物。而氯消毒會產生氯胺類、三鹵甲烷類之消毒副產物。而法規對於自來水、廢水的消毒副產物管制將越趨嚴格,臭氧將會取代大部分的氯。
) G/ P% U; {* j/ h2 g& }5 V( o1 P6 G+ u: u9 A) ?
5.
$ q, r. y( h" f0 p( |3 m2 G臭氧無法儲存,必須現場製造立刻使用。因此不像氯氣有發生運輸洩漏的風險,也沒有儲存問題。
' E6 J- j$ U+ Z
2 W, P- f9 Q' |& p6.6 Y8 d# Q# P% ^. ]; R. W
臭氧機只要買一次,就可以持續製造臭氧。而加氯系統,則需要持續購買氯。
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1 }) o( [; s& b: k; Y5 R  I' O% ]
) V: ]: Y- w1 I - [; x: S% d* F$ s. f; J) g) j: I6 C$ o
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臭氧有害嗎?) k  M6 z; k; \# f0 b3 W" m* ?0 J
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1、產生O3之方式與大自然閃電原理相同,是利用高壓放電方式產生具有活潑性之氧原子(O),常溫下為一不累積且可自然分解之氣體,不如一般現有之芳香劑或樟腦丸屬人工化學合成物質,於空氣中揮發後並不會自然分解,吸入人體可能會造成殘留,長期使用下累積於體內造成傷害。
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" Q+ y7 b: p; x7 F. `0 ^3 X; `/ a2、O3是一種活性的氣體,它的活潑性與溫度習習相關。在常溫下(18℃-30℃),O3約在30秒內就會還原成O2,而溫度愈高O3的還原速度則愈快(更活潑);反之溫度愈低時,O3的還原速度則變慢(不活潑),當溫度低於6℃以下時,則O3幾乎不還原。
1 ?) o0 _; F, d. T. C; f5 a
0 Z* X, x4 X. J% u# r3、至於O3可能對呼吸器官造成傷害,其實是因為長期處於O3濃度較高之環境下。首先應先由其對人的黏膜組織影響開始說起;當我們有眼睛感到乾澀、喉嚨及嗅覺不適時,若擔心對人體造成傷害,只要將機器關閉或調低濃度,或者暫時離開該空間待其還原後再進入即可,如此並不會對您有所傷害反而有助於皮膚及黏膜表面的組織新陳代謝。% ?" W" d5 w9 E  i9 w7 [+ w

% [, x$ s& Q& U4、一般對於O3有負面報導的事件,多發生於美加地區,其最重要的原因是因其緯度關係,其普遍溫度多於低於常溫(18℃-30℃)以下,O3的活性降低,造成殘留於空氣中的機率變高(見說明2),一旦經人吸入體內後O3在人體中,因體溫之因素,讓O3大量還原,而有濃度過量的情形產生,進而可能對人體造成傷害。5 l# {  c! v3 ?- \( B, U3 a- X
3 t! A$ V% i4 Y3 }) d
5、台灣地屬亞熱帶氣候,溫度適中,頗適合O3進行正常的還原反應,較難有殘留現象發生,讓O3能徹底還原不會累積,完全與大自然閃電原理相同,和市售傳統芳香除臭類化學合成物質比較,更無所謂的有機溶劑方面傷害。
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9 Q( J& q' L+ c, E. N6、任何產品若不適當的操作使用,不但未能達到原有效果,更會造成各種程度性之傷害(如食物為養生之東西,過量與不當飲食一樣會造成身體不適與傷害);只要使用者能真正膫解O3殺菌除臭原理及還原特性、及與溫度、環境大小、污染源、通風情形等之關係,相信只有將O3之優點更加受惠於使用者。(傷害之始皆由不瞭解而起,加上不當使用)
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7 g. |" f% E- s! w, {) E" H, M+ z7、由於國內目前的資源與技術並無法對O3做一確切認證與實驗,而一些所謂學者、教授等人士便依其局部特性,非全盤性之論據,大做對O3過度之報導與說法;試想在我們的生活中,有甚麼是絕對安全與無害的?連我們賴以生存的氧氣若過量吸入一樣會可能造成嗆傷、肺發炎、頭痛、噁心及昏迷等情形,但是我們並不會因此而害怕,因為我們不會去過量使用。況且O3活用於生活中,已數十年之久,現今病症與死亡原因無奇不有,但可曾聽聞過有人因使用O3產品而致病或死亡?
                   

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