オゾンの殺菌メカニズムとは?オゾンの基本から除去方法まで解説!

オゾンと聞けば、オゾン層を連想する人も少なくないでしょう。
オゾン層は、太陽が放つ有害な紫外線を吸収して地球上の生物を守っている不可欠なものです。

オゾンにはもう一つ、殺菌や消毒の役割があります。
この記事では、オゾンが果たしている、殺菌や消毒効果のメカニズムについて解説します。オゾン発生器導入の参考にしてください。

オゾンの殺菌メカニズムを知るためには、オゾンの基礎知識を得ることが重要です。
オゾンの基本的な情報を知ればオゾンの有効利用に役立ちます。ここでは、オゾンの基礎知識について解説します。

オゾンとは

オゾン(O₃)は自然の空気中に存在する気体で、語源はギリシャ語のOzein(臭うという意味)からきています。

名前のとおりオゾンには青臭い、特有の刺激臭があり、その存在は紀元前から知られていました。自然界におけるオゾンは、大部分が地球のオゾン層に紫外線が到達する際に化学反応によって作られます。

ほかには雷やオーロラが放電する際にもオゾンを生成しますが、量としてはわずかです。こうして作られるオゾンは、地表近くの自然環境下にも存在します。オゾン層が位置するのは、地上から約30Km上空の成層圏です。オゾン層には濃度10~20ppmのオゾンが地球の周りを囲むように存在し、地表に紫外線が到達することを防いでいます。

実際にオゾン層で吸収される紫外線は全体の約95%で、地上へ届く紫外線は、残りの約5%です。紫外線のなかには殺菌線と呼ばれる、非常に強い殺菌力をもつ波長の電磁波が含まれています。

この電磁波に触れるとDNAが光化学反応を引き起こすため非常に有害です。したがって地球にオゾン層がなければ生物の存続は難しいといえます。

オゾン層

オゾンは身近に発生している

オゾンは、身近な自然のなかでも微量ながら常に発生している気体です。

オゾンの生成には紫外線が関わるため紫外線の強い場所では発生しやすく、記録によれば日中の海岸、反照の強い場所では0.1ppm~0.3ppmのオゾンが測定されています。

また、成層圏では、地球の大気が紫外線の影響をより強く受けることができます。大気中の酸素分子(O₂)は紫外線によって酸素原子(O)2つに光分解され、それぞれが別の酸素分子(O₂)と結合することによってオゾン(O₃)が生成されるメカニズムです。
一方、対流圏では、大気酸化反応によってCOやメタンなどの反応性有機物がO原子と結びつき酸化する関係で、オゾンが生成されます。

通常、私たちが生活している大気中に存在するオゾンは0.005ppm程度で、大気の自浄作用を担っています。大型コピー機などからも、コロナ放電によって微量のオゾンが発生するなど、オゾンは元々、身近にある気体なのです。

  参考資料 ▶  

大気中でのオゾン生成プロセス|環境儀 No.68|国立環境研究所

オゾンは自然のなかでもさまざまな方法で発生しているものです。
このメカニズムを利用し、人工的にオゾンを発生させる方法もあります。
ここでは、オゾンを発生させる方法について解説します。

【オゾン発生方法1】光化学反応法

光化学反応法によるオゾン発生は、オゾン層でオゾンが生成されるときと同じメカニズムです。
波長の短い紫外線であるオゾン発生線を酸素分子(O₂)に照射すると、酸素分子は酸素原子(O)2個に光分解されます。
こうしてできた酸素原子は、電子のはたらきによって他の酸素分子と結合するため、オゾン(O₃)が生成されるのです。

この方法では紫外線のなかにオゾンを分解する波長も含まれているために、生成と同時にオゾンを分解する作用がはたらきます。
したがって、高濃度のオゾンを発生させることはできません。

【オゾン発生方法2】電解法

電解法は電気分解を利用した方法です。電解液には硫酸もしくは塩酸の水溶液を使います。
現在では、固体電解質を使用してオゾンを発生させる方法があるほか、電解液として四フッ化ホウ酸を使う方法研究が進められています。

ただし、電解法でオゾンを発生させるためには大きな電源装置が必要になるため、普及はしていません。

【オゾン発生方法3】放射線照射法

放射線照射法によるオゾンの発生は、放射線の電離作用を利用した方法です。

放射線の高エネルギー領域内では空気が化学反応を起こし、オゾンが発生します。
これを応用してオゾンを発生させる方法が放射線照射法ですが、現状ではまだ研究が進められている段階で、オゾン発生装置として実用化の目処はたっていません。

【オゾン発生方法4】放電によるオゾン発生

放電によってオゾンを発生させる方法もあります。一般的に使われるのは、無声放電方式とコロナ放電方式、2種類の方法です。

しかし、ほかの放電方式や、複数の方式を組み合わせた複合放電方式によってオゾンを発生させる方法もあります。
現在、オゾン発生器においては放電による方法が最もよく使われています

放電

オゾンを発生させるときは、毒性のある二次生成物が生じることはないため、安全性が高い気体です。

濃度が高ければ強い酸化力を持ちます。
高濃度のオゾンは反応性が高く、鼻やのどへの刺激を皮切りに人体へのさまざまな影響も考えられます。

毒性を発揮する濃度のオゾンは、特有のオゾン臭を強烈に放ちます。
したがって強いオゾン臭がしたときには、すぐに換気をおこない空気中のオゾン濃度を下げることが重要です。

また、換気がうまくいかずオゾンが残留してしまう場合は、分解させる必要があります。

オゾンの性質

オゾンは酸素(O₂)の同素体で、分子記号はO₃です。
オゾンの沸点は-112℃で融点は-193℃、臨界温度は-12℃です。比重は空気の1.54倍、酸素の3倍あります。

オゾン(O₂)を構成する3つの酸素原子(O)のうち、第三の酸素原子の結合は構造上ゆるいものとなっています。
容易に1原子の酸素(O)を放出してしまうのです。

このためオゾンは非常に不安定で、生成されても常温で徐々に分解し、構造が安定した酸素(O₂)に変化します。

通常の化学反応では、オゾンが毒性のある副次物を生成することはありません。
また、原料は空気または酸素であるため、どのような場所でも必要量を得られることがメリットです。

これらの特徴がオゾンの除菌メカニズムにつながっています。

不安定な気体であるオゾン(O₃)は、酸素 (O₂)と酸素原子 (O)に分解しやすい性質をもちます。
放出された酸素原子(O)は、安定した構造を得るため、ほかの物質と結合しようとします。
このとき細菌やウイルス、カビの胞子、臭いの原因物質などに結合すると、殺菌や除菌、消臭の効果を発揮できるのです。

酸素原子(O)と結びつくと細菌やウイルスに強酸化作用が起こり、細胞が破壊されて死滅につながります。臭いの原因物質も同じく、酸化によって他の物質に変化することで臭いがなくなります。

自然の状態では、大気中の酸素は約20%あるのに対し、オゾンは極めて少量しか存在しません。強酸化作用のあるオゾンは、自然界のなかで発生しても16時間程度で半減してしまいます。

しかし、こうして迅速に酸化する作用によって、オゾンによる殺菌や除菌、消臭のメカニズムが成り立っています。

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