SIMDUT« Ozone » dans la base de données de produits chimiquesReptox de laCSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
Contrairement au dioxygène inodore, l'ozone est perçu par l'odorat humain (décelable dès la concentration de 0,01 ppm[4],[5]) ; son odeur caractéristiquequi rappelle l'eau de Javel[réf. nécessaire] est perceptible dans les endroits confinés où règne un champ électrique important (transformateur haute tension, soudure à l'arc, tubes UV,allume-gaz piézo-électrique). Respiré en grande quantité, il est toxique et provoque la toux.
L'ozone a été découvert en 1789 par le chimiste néerlandaisMartin van Marum en faisant passer un courant électrique à travers de l'oxygène enfermé dans une éprouvette. Il relève une odeur spécifique comparable à celle de l'acide sulfureux ou du phosphore. L'éprouvette trempée dans le mercure lui permet d'observer que le volume d'oxygène diminue presque de moitié et que le mercure est très rapidement oxydé. Sans savoir ce que révélait son travail, il définit cette odeur comme étant celle de l'électricité et l'espèce créée comme de l'acide azotique[7].
Cette étude est reprise en 1840 par le chimiste allemandChristian Friedrich Schönbein qui, en approfondissant les recherches de Van Marum, parvient à isoler la molécule[8]. Il la dénomma ainsi en se référant à la racine grecqueozein (exhaler une odeur, sentir). La formule de l'ozone, O3, n'a été déterminée qu'en 1865 parJacques-Louis Soret[9] puis confirmée en 1867 par Christian Friedrich Schönbein. Par la suite, de nombreuses recherches sur le mécanisme de désinfection par l'ozone suivirent.Werner von Siemens fabriqua le tout premier générateur d'ozone[10]. Ce fabricant écrivit d’ailleurs un livre sur l'application de l'ozone dans l'eau, ce qui entraînera une multitude de projets de recherches sur la désinfection par l'ozone.
En 1907, le chimiste françaisMarius-Paul Otto, qui reçut un doctorat pour ses travaux sur l'ozone, créa une entreprise appelée Compagnie des Eaux et de l'Ozone[11].
L'odeur associée à l'ozone provient de l'ionisation due à la destruction de l'ozone. Sa couleur est due à ladiffusion de Rayleigh qui donne une teinte bleutée en présence de hautes concentrations de la molécule[16].
En présence d'humidité, l'ozone oxyde tous les métaux à l’exception de l'or, duplatine et de l'iridium[4]. Ci-dessous, l'oxydation ducuivre par exemple :
L'ozone réagit avec lesmétaux alcalins etmétaux alcalino-terreux pour former desozonides(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 depolluant qui est attribué à l’ozone quand celui-ci est présent dans l’atmosphère près du sol.
L'ozone possède unedemi-vie assez courte, encore plus dans l'eau (où il se décompose enradicaux-OH) que dans l'air. Différents facteurs influencent la vitesse de décomposition de l'ozone[19] :
Le facteur qui influence le plus la demi-vie de l'ozone est sans aucun doute la température (voir tableau ci-dessous). De plus, l'ozone est moinssoluble dans l'eau (et moins stable) lorsque la température augmente[20].
L'ozone dissous dans l'eau réagit avec une grande variété de matière (composés organiques,virus,bactéries, etc.) par unphénomène d'oxydation de ces matières. L'ozone se décomposera alors en dioxygène (O2). C'est ainsi que l'ozone se décompose beaucoup moins vite dans de l'eau distillée que dans une simple eau de ville[20].
L'environnement
L'ozone gazeux possède une demi-vie théorique (voir tableau ci-dessus) plus longue que l'ozone dissous dans l'eau. Mais en pratique, l'ozone gazeux va oxyder tout ce qu'il y a autour de lui (métaux, machines, murs, personnel ou même odeurs) réduisant ainsi sa demi-vie à seulement quelques secondes.
Le trou dans la couche d’ozone leRépartition de l’ozone selon l’altitude dans l’atmosphère
Dans lahaute atmosphère terrestre, la couche d’ozone est une concentration d’ozone qui filtre une partie desrayons ultraviolets émis par le Soleil, ultraviolets notamment responsables ducancer de la peau. Cette couche protectrice est menacée par la pollution, en particulier par les émissions de gaz CFC (chlorofluorocarbure), qui montent dans la haute atmosphère et y catalysent la destruction de l’ozone en le transformant en dioxygène, étant ainsi à l’origine dutrou dans la couche d’ozone[24].
Comme instrument de mesure, on peut noter l’instrumentGOMOS du satelliteENVISAT.
Ozone dans la basse atmosphère - Pollution à l'ozone
Au-delà d'un certain seuil dans labasse atmosphère, l'ozone est l'un des polluants de l'air les plus dangereux pour la santé.
Causes naturelles :
lesfeux de forêt en sont 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[25] ;
l'ozone est aussi produit avec leséclairs de l'orage ainsi que, plus généralement, à partir de toute étincelle ouarc électrique ;
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. Ainsi, chaque été, en France, c'est la régionProvence-Alpes-Côte d'Azur (et plus particulièrement lesBouches-du-Rhône), qui est la plus touchée par les pics de pollution à l’ozone ;
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[26].
Causes humaines :
l'ozone touche tout particulièrement les zones industrialisées ayant un fort ensoleillement (en été comme en hiver). Il est surtout produit par l'action durayonnement solaire (UV) sur des produits chimiques ditsprécurseurs de l'ozone. Ces derniers sont des polluants industriels, issus des chaudières, des centrales électriques thermiques et des incinérateurs. Il est aussi produit directement en faibles quantités par certains matériels électriques ;
l’ozone est aussi très présent autour des grands centres urbains, notamment lors descanicules où on le trouve en grandes quantités dans les basses couches de l’atmosphère. Il y est principalement produit par la réaction despolluants précurseurs : principalement leshydrocarbures imbrûlés et ledioxyde d’azote (NO2) des gaz d’échappement des véhicules, avec ledioxygène de l’air et sous l’influence de la lumière solaire ;
photocopieuses et imprimantes laser ou moteurs électriques dégagent de l'ozone, pouvant conduire à des concentrations significatives dans un local mal ventilé.
Cette pollution dans son ensemble a un impact très important en agriculture (attaque descuticules foliaires) avec perte de productivité, et pour la santé humaine. En effet, l'ozone irrite et attaque lesmuqueuses oculaires et desbronches etbronchioles, tout particulièrement chez les populations les plus sensibles. En 2010, une étude américaine[27] 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. Ces pics sont aussi associés à unesurmortalité des personnes ayant des problèmes respiratoires (lors decanicules notamment, mais également en hiver par temps ensoleillé). Laprévalence de l'asthme ainsi que la mortalité due à l'asthme a augmenté des années 1980 à 2000[28], 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 produits au Canada sont exportés par le vent jusqu'au centre de l'atlantique Nord. Ces quantités dépassent largement celles qui proviennent de lastratosphère (principale source naturelle d'ozone). Les taux d'ozone peuvent aussi fortement augmenter dans le panache d'émission riches enoxydes d'azote descentrales thermiques[29]. Dans l'hémisphère nord au moins, la pollution anthropique par l'ozone a un effet qui dépasse l'échelle des continents[30].
C'est pour toutes ces raisons que l'Association santé environnement France (ASEF), qui réunit près de 2 500 médecins en France, a réclamé une prise en charge politique du problème[31].
L'ozone fait l'objet de modélisations et de prévisions accessibles depuis les années 1990[32].
Machine électrostatique de Whimshurst, parfois utilisée comme générateur d'ozone pour des applications pédagogiques
Un appareil de laboratoire couramment utilisé pour la démonstration de production d'ozone était lamachine 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 unarc électrique autour duquel apparait de l'ozone (alors diffusé dans l'air)[33].
L'ozone se dégrade très vite (cfr. décomposition de l'ozone) mais il est néanmoins indispensable de pouvoir détruire l'ozone résiduel lorsque cette molécule est utilisée en industrie dans le but évident de protection du personnel. L'ozone peut être dégradé en dioxygène par différentes façons :
destruction thermique : les destructeurs thermiques d'ozone sont utilisés pour de grandes concentrations d'ozone. Le principe est simple : l'ozone est chauffé jusqu'à la température de350 °C pendant un certain temps, ce qui réduit sademi-vie à quelquesmillisecondes[34]. Les molécules d'ozone sont alors dégradées en dioxygène[35] ;
utilisation decatalyseurs : la destruction d'ozone au moyen de catalyseurs est la plus utilisée[36]. C'est une réaction catalytiqueexotherme[37]. L'oxyde de magnésium et une solution à 2 % deKI[38] sont parmi les catalyseurs les plus répandus ; la catalyse est le procédé qui permet de purifier l'air dans les avions de ligne[39], dont les trajets peuvent traverser le bas de la couche d'ozone.
L'ozone résiduel peut également être rejeté dans l'atmosphère après dilution dans un grand volume d'air, opération réalisée par de puissants ventilateurs.
Les contacteurs à membrane permettent d'obtenir une haute concentration d'ozone dissous dans l'eau. La membrane permet les échanges entre l'ozone gazeux et l'eau à traiter. Le principe du contacteur suit laloi de Henry en abaissant la pression de l'ozone gazeux en contact avec l’eau (qui circule transversalement) pour créer une force conductrice permettant l'injection de l'ozone dans l'eau.
Un injecteur-venturi est utilisé le plus souvent pour obtenir une concentration maximale d'ozone dissous dans l'eau, en effet, un injecteurventuri permet un rendement d'environ 90 %.Le principe duventuri est une application de l'équation deBernoulli[40] qui exprime le bilan hydraulique d'un fluide dans une conduite en régime permanent :
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) etv : 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.
En reprenant l'équation simplifiée deBernoulli : si la vitesse augmente, alors la pression diminue. Il y a donc une dépression dans la zone contractée duventuri (là où le tuyau d'ozone gazeux est raccordé) ce qui permet l'aspiration de l'ozone gazeux dans l'eau à ozoner.
L’ozone est unoxydant et un désinfectant puissant. Il présente certains avantages par rapport à d’autres oxydants habituellement utilisés dans l’industrie, en particulier lechlore.
C'est l'un des désinfectants les plus puissants. Sonpotentiel d'oxydoréduction (ou potentielredox) de 2,07 est très largement supérieur à celui duchlore qui est de 1,35. Cela revient à dire que l'ozone oxydera des éléments qui ne l'auraient pas été par le chlore, d'où des temps de contact bien plus courts pour un même résultat de désinfection.
L'ozone est un assemblage de 3atomes d'oxygène, qui une fois produit n'aura qu'une priorité : oxyder tout ce qu'il rencontre (murs, machines, sols, personnel et mêmebactéries ambiantes et odeurs) en se dégradant endioxygène. D'où aucun résidu dû à la dégradation de l'ozone et surtoutdemi-vie extrêmement courte en industrie (quelques minutes voire quelques secondes en pratique). Dans l'eau, l'ozone tend à redevenir de l'oxygène ne laissant ici non plus aucun résidu, il peut dès lors être utilisé pour le traitement d'eau ultra-pure.
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, conséquence directe de son instabilité.
De manière générale, les inconvénients en sont :
le coût des équipements de production d'ozone, comparés à d'autres méthodes ;
impossibilité de stocker l'ozone sous forme gazeuse ou dissous dans l'eau car il se dégrade très vite ;
Pour la désinfection de l'eau potable, l’ozone présente des avantages par rapport auchlore : il ne reste pas présent dans l’eau et n'altère donc pas son goût, et ne provoque pas l’apparition decomposés organochlorés, qui peuvent êtrecancérogènes.
L’ozone est employé dans le traitement de l’eau pour plusieurs fonctions :
oxydation du fer ;
amélioration de la performance de filtres à sable ;
amélioration de lafloculation (appelée « ozofloculation ») ;
élimination decomposés organiques nocifs, en particulierpesticides etherbicides. Pour cette application l’ozone est en général injecté en amont d’un filtre à charbon.
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 par la ville deNice depuis maintenant1907 (première usine au monde purifiant l'eau par l'ozone à Bon-Voyage et après à Rimiez)[43] ;
l'ozone a permis à la ville deMarseille et à son agglomération d'être classée en 1998, à partir des normes de l'Organisation mondiale de la santé (OMS), par le magazineça m'intéresse : première ville de France pour la qualité de son eau[44].
L’ozone est utilisé dans des procédés detraitement des eaux usées, en particulier pour rendre digestible par des bactéries lademande chimique en oxygène (DCO) dite « dure », pour le traitement de la couleur, et pour la désinfection de l’eau en sortie destations d’épuration (traitement dittertiaire). Ces applications nécessitent la maîtrise de plusieurs techniques : ozonisation, mais aussibioréacteurs. Parfois la performance de l'ozone peut être améliorée en combinant l’ozonisation à un traitementUV à haute dose d’irradiation. On parle alors deprocédés d’oxydation avancés.
L'ozone est également une alternative aux agents chlorés (eau de javel) pour la désinfection des eaux de piscine.
Les propriétés oxydantes et désinfectantes de l'ozone sont encore mises à profit dans diverses situations.
En blanchisserie, pour le lavage de linge blanc dans les installations commerciales ou hospitalières. Cette application est très répandue dans lespays anglo-saxons mais peu enEurope continentale.
Dans l'industrie agroalimentaire, pour la désinfection deschambres froides ou de produits alimentaires comme des légumes, des fruits, de la viande ou du poisson par bain d’eau ozonée. L'utilisation d'eau ozonée permet de ne modifier ni le goût ni l'aspect des aliments.
En micro-électronique, leswafers destinés à la fabrication de circuits intégrés sont lavés avec de l’eau ozonée avec pour objectif l’élimination de traces éventuelles de matières organiques.
En papeterie, l'ozone est employé commeagent de blanchiment alternatif au chlore.
L'eau ozonée est un moyen simple à mettre en œuvre pour la destruction debiofilms dans des conduites.
C'est la méthode la plus simple et la moins coûteuse. L'échantillon d'eau à analyser passe dans un tube contenant un réactif à l'ozone (réactif DPD ou dipropyl-p-phénylènediamine appelé aussiréactif indigo), la lecture de la concentration se fait grâce à un disque colorimétrique ou unspectrophotomètre. Le problème de cette technique est le manque de précision. De plus, cette méthode nécessite un personnel avec une formation de laborantin.
Sondes électrochimiques
Les sondesélectrochimiques contiennent unélectrolyte qui est séparé de l'eau par une membrane sélective. On mesure alors uncourant électrique entre ces deuxélectrodes placées de part et d'autre de la membrane. La concentration d'ozone dans l'eau fera varier ce courant électrique.
Analyseur d'ozone
Analyseur à mesure directe dans l'eau
Ces analyseurs utilisent laloi de Beer-Lambert. Une longueur d'eau connue est traversée par un rayonultraviolet. On mesure l'absorptionUV de l'échantillon et un simple calcul donne laconcentration 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, par la suite la concentration d'ozone dans l'eau est déduite à l'aide de laloi de Henry. Le gros avantage de ces analyseurs est la possible utilisation 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 redox de l'eau. C'est vrai, mais il faudra alors que laqualité de l'eau reste parfaitement constante. Sans cela, les mesures de potentiel redox risquent d'être erronées. De plus, cette méthode nécessite unpré-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. L'échantillon d'air à analyser passe dans un tube contenant un réactif à l'ozone (réactif DPD ou dipropyl-p-phénylènediamine), la lecture de laconcentration se fait grâce à une échelle colorimétrique. Le problème de cette technique est le manque de précision.
Système de capteurs à semi-conducteur
Ces appareils utilisent un matériausemi-conducteur dont les caractéristiques électriques varient en fonction de la concentration d'ozone dans l'air.
Analyseur d'ozone
Les analyseurs d'ozone (ou ozomètre à ozone gazeux) calculent la concentration d'ozone dans l'air à l'aide de laloi de Beer-Lambert qui détermine la concentration d'ozone en fonction de l'absorption du rayonnementUV. 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[47]. À noter aussi, qu'étant donné la toxicité de l'ozone gazeux, la plupart des générateurs d'ozone sont couplés à un analyseur d'ozone gazeux qui arrête la production d'ozone lorsque la valeur seuil d'ozone dans l'air ambiant (généralement 0,3 ppm) est dépassée.
↑a etbEntrée « Ozone » dans la base de données de produits chimiquesGESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand,anglais), accès le 18 janvier 2009(JavaScript nécessaire)
↑Advanced oxidation processes for the organic matter removal of agro-food brine wastewater, M. Fiteret al., IOA Conference and Exhibition Valencia, Spain, 29-31 octobre 2007
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