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二氧化氯在水处理中的作用

文章来源:东北亚水网 作者:水处理设备 时间:2010-03-29 09:06:36

目前,我国给水中应用的氧化消毒剂以液氯为主。但随着源水污染的变化,废水处理中各种有机物的含量有所增加,运用液氯消毒会产生氯代有机物,其中有的产物具有致突变作用。为满足人们对水质要求皀不断提高,寻求能替代氯的更安全而经济的新型氧化消毒剂,成为今后给水处理的一个发展方向。其中,较有前途的是二氧化氯(ClO2)和臭氧(O3)。

 

    1.二氧化氯的应用
十九世纪初,美国科学家 Dary H.发现了ClO2气体。二十世纪40年代,二氧化氯开始应用于食品加工的杀菌消毒,造纸的漂白和净化水处理等。由于二氧化氯不会与有机物反应而生成 THMs,所以在饮用水处理中应用越来越广泛。1983年,美国国家环保局(EPA)提出饮用水中三氯甲烷含量必需低于0.1mg/L,并推荐使用 ClO2消毒。二氧化氯消毒的安全性被世界卫生组织(WHO)列为A1级,被认定为氯系消毒剂最理想的更新换代产品。目前,美国和欧洲已有上千家水厂采用 ClO2消毒;我国则多用于造纸、纺织等行业,并逐步应用于自来水厂。在给水处理中,ClO2不仅可以作为高效的消毒剂,还可考虑投加在原水、沉淀池前或滤池前,进行预氧化或中间氧化,以控制嗅味(尤其是氯酚或藻类副产物嗅味等)防止微生物滋长,加强混凝过滤;也可用于去除水中的铁、锰和度。另外,欧洲一些国家将 ClO2 、O3即Cl2结合起来用于饮用水处理,取得较好的效果。
    2.二氧化氯的物理性质
二氧化氯(ClO2)常温(20℃)下是一种黄绿色的气体,具有与氯气、臭类似的刺激性气味,分子量67.45,比空气重,熔点-59℃,沸点11℃。ClO2极易溶于水而不与水反应,22℃时溶解度约为氯的5倍,达2.9g/L。Cl在水中的溶解度随温度升高而降低。同时二氧化氯分子的电子结构虽是不饱和态,在水中却不以聚合状态存在,这对 ClO2在水中迅速扩散十分有利。但 Cl水溶液易挥发,在较高温度与光照下会生成 ClO2-与ClO3-,应避光低温保存据介绍,ClO2在常温下可压缩成深红色液体,极易挥发,极不稳定,光照机械碰撞或接触有机物都会发生爆炸;在空气中的体积浓度超过10%或在水中度超过30%时也会发生爆炸。不过 ClO2溶液浓度在10g/L以下时基本没有爆炸危险。由于 ClO2对压力、温度和光线敏感,不能压缩进行液化储存和运输,只在使用时现场临时制备。
    3.二氧化氯的氧化消毒机理
作为强氧化剂,ClO2在酸性条件下具有很强的氧化性:
ClO2 + 4H+ + 5e = Cl- + 2H2O
在水厂 pH≈7的中型条件下,
ClO2 + e = ClO2-
ClO2- + 2H2O + 4e = Cl? - + 4OH-
ClO2能将水中少量的 S2-、SO32-、NO2-等还原性酸根氧化去除,还可去除水中的 Fe2+、Mn2+及重金属离子等。另外,对水中有机物的氧化,Cl2以亲电取代为主,而 ClO2以氧化还原为主,能将腐殖酸、富里酸等降解,且降解产物不以三氯甲烷形式存在。ClO2是一种光谱、高效的杀菌消毒剂,实验证实,它对细菌、芽孢、藻类、真菌、病毒等均有良好的杀灭效果。关于 ClO2的消毒机理,由多种解释,一般认为 ClO2对微生物细胞壁有较好的吸附和穿透作用,能渗透到细胞内部与含巯基(-SH)的酶反应,使之迅速失活,抑制细胞内蛋白质的合成,从而达到将微生物灭活的目的。由于细菌、病毒、真菌都是单细胞的低级微生物,其酶系分布于细胞膜表面,易于受到 ClO2攻击而失活。而人和动物细胞中,酶系位于细胞质之中受到系统的保护,ClO2难以和酶直接接触,故其对人和动物的危害较小。
    4. 二氧化氯的氧化消毒特性
ClO2 时较强的氧化剂,氧化水中有机物具有选择性。
(1) ClO2 氧化能力强,其氧化能力是氯的2*5倍,能迅速杀灭水中的病原菌、病毒和藻类(包括芽孢、病毒和蠕虫等)。
(2) 与氯不同,ClO2 消毒性能不受 pH值影响。这主要是因为氯消毒靠次氯酸杀菌而二氧化氯则靠自身杀菌。
(3)ClO2不与氨或氯胺反应,在含氨高的水中也可以发挥很好的杀菌作用,而使用氯消毒则会受到很大影响。
(4) ClO2随水温升高灭活能力加大,从而弥补了因水温升高 ClO2在水中溶解度的下降。
(5) ClO2的残余量能在管网中持续很长时间,故对病毒、细菌的灭活效果比臭氧和氯更有效。
(6) ClO2具有较强的脱色、去味及除铁、锰效果。
(7) ClO2消毒只是有选择的与某些有机物进行氧化反应将起降解为含氧基团为主的产物,不产生氯化有机物,所需投加量小,约为氯投加量的40%,且不受水中氨氮的影响。因此,采用 ClO2代替氯消毒,可使水中三氯甲烷生成量减少90%。
    5. 二氧化氯的制备及经济性比较
ClO2 的制备方法有化学反应法、电解食盐法、离子交换法等。其中化学法和电解法在生产上应用较多。
     5.1 化学法
化学反应制取 ClO2的方法有:
(1) 盐酸与亚氯酸钠反应
5NaClO2 + 4HCl = 5NaCl + 4HCl + 2H2O
(2) 盐酸与氯酸钠反应
2NaClO3 + 4HCl = 2NaCl + 2ClO2 + 2H2O
    6 .使用二氧化氯存在的问题
ClO2加入水中后,会有50%~70%转变为ClO2-与ClO3-。很多实验表明ClO2-、ClO3-对血红细胞有损害,对碘的吸收代谢有干扰,还会使血液中胆固醇升高。美国 EPA建议二氧化氯消毒时残余氧化剂总量(ClO2+ClO2-+ClO3-)<1.0mg/L,使对正常人群健康不致有影响。而实际应用中 ClO2的剂量都控制在0.5mg/L以下。ClO2氧化分解有机物具有较强的选择性。它能氧化去除水中皀 Fe2+、Mn2+、氰化物、酚等;能氧化硫醇、仲胺和叔胺,消除水中的不愉快气味,却不易氧化醇、醛、酮、伯胺等有机物,导致去除不彻底。二氧化氯性质比较活泼,易爆炸,且其本身也有毒性。因此在使用 ClO2时要十分注意安全。一般在 ClO2制备系统中应严格控制原料稀释浓度,防止误操作并应建立相应安全措施。ClO2储存要低温避光;ClO2车间禁用火种,设良好的通风换气设备。
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