談生活用水中心二氧化氯消毒

賈巧玲

水的消毒是指用化學(xué)和物理方法殺滅生活用水、城市污水和工業(yè)廢水中的病原體(病原菌、病毒、寄生蟲卵)，以防止疾病的傳染，維護(hù)人體健康。消毒方法有物理方法和化學(xué)方法，物理方法主要有機(jī)械過濾、加熱、冷凍、輻射、微電解、紫外線和微波消毒等等;化學(xué)方法主要有氯、二氧化氯、臭氧、氯胺、鹵素、金屬離子(銀和銅)、陰離子表面活性劑及其他殺生劑等等。但由于二氧化氯具有廣譜、高效(殺菌能力強(qiáng))、安全(幾乎不產(chǎn)生三鹵甲烷及其他鹵化物)等優(yōu)越性，現(xiàn)已被我國廣泛應(yīng)用。

1 二氧化氯性質(zhì)

1)物理性質(zhì):二氧化氯在常溫下為黃綠色～橙黃色氣體(顏色取決于濃度)，溶點(diǎn)－59℃，沸點(diǎn)11℃，密度3.09 g/L(11℃)，冷水中溶解度為2.9 g/L(即4℃時的溶解度)，熱水中分解成HClO2，Cl2和O2。二氧化氯易溶于水，當(dāng)空氣中的含量大于10%或水溶液含量大于30%時都易于發(fā)生爆炸，但不和水起化學(xué)反應(yīng)，在水中極易揮發(fā)，敞開存放時能被光分解，因此不宜貯存。

2)化學(xué)性質(zhì):分子式為ClO2，化合價為+4價，結(jié)構(gòu)為Cl原子以sp2雜化軌道形成σ鍵，分子為V形分子，鍵角為117.4°。分子中還存在一個離域π鍵垂直于分子平面，鍵長147 pm。如果ClO2得到一個電子將變成ClO－2，實(shí)驗(yàn)測定證明ClO－2中OClO鍵角為110.5°，鍵長為156 pm，同時二氧化氯得到進(jìn)一步穩(wěn)定，這也是制備穩(wěn)定性二氧化氯溶液或固體的化學(xué)基礎(chǔ)。

2 二氧化氯的制備

由于二氧化氯是一種極易爆炸的強(qiáng)氧化性氣體，在生產(chǎn)和使用時必須避免光照、振動或受熱，因此二氧化氯的制備方法一直是科學(xué)家長期尋求解決的問題。二氧化氯制備方法分為化學(xué)法和電解法。

2.1 化學(xué)法

1)氯酸鈉與濃鹽酸反應(yīng)(全鹽酸法或開斯汀法):反應(yīng)方程式為:2NaClO3+4HCl=2NaCl+Cl2↑ +2ClO2↑ +2H2O，此方法二氧化氯的產(chǎn)率只有50%左右，同時還產(chǎn)生了大量的氯氣，而且產(chǎn)品難以分離，同時受到反應(yīng)溫度和鹽酸濃度的影響。但由于運(yùn)行成本低，工藝簡單，操作容易，因此國內(nèi)大多采用此法。2)草酸還原法:反應(yīng)方程式為:H2C2O4+2NaClO3+H2SO4=Na2SO4+2CO2↑+2ClO2↑+2H2O，此法是科學(xué)家研究的一種新方法，最大特點(diǎn)是由于反應(yīng)過程中生成的二氧化碳的稀釋作用，大大提高了生產(chǎn)及儲存、運(yùn)輸?shù)陌踩浴?)亞氯酸鈉與氯氣反應(yīng)法:反應(yīng)方程式為:2NaClO2+Cl2=2NaCl+2ClO2↑，是我國科學(xué)家經(jīng)過科學(xué)探索發(fā)現(xiàn)一種優(yōu)于歐洲的制備方法，將經(jīng)干燥空氣稀釋的氯氣通入填充有固體亞氯酸鈉的反應(yīng)柱內(nèi)制得，此法安全性好，沒有產(chǎn)生毒副

2.2 電解法

2.2.1 常規(guī)電解法

反應(yīng)方程式:

此法特點(diǎn)是原料易得、工藝清潔、沒有污染物排放。但由于隔膜和電極壽命有限，易腐蝕老化，產(chǎn)率低，運(yùn)行維護(hù)困難。

2.2.2 新型電解法

反應(yīng)方程式:2NaClO2+2H2O→2NaOH+2ClO2↑ +H2↑，此法優(yōu)點(diǎn)是只需使用亞氯酸鈉一種原料，同時其正極的電解液必須進(jìn)行脫氣，以確保高的轉(zhuǎn)化率。產(chǎn)品。4)亞氯酸鈉與稀鹽酸(10%)反應(yīng):反應(yīng)方程式為:5NaClO2+4HCl=5NaCl+4ClO2↑+2H2O，這是一個自氧化還原反應(yīng)，亞氯酸鈉既是氧化劑又是還原劑，鹽酸是酸化劑，二氧化氯實(shí)際產(chǎn)率可達(dá)95%以上。

表1 二氧化氯與其他消毒劑比較結(jié)果

3 二氧化氯的殺菌、消毒及除臭機(jī)理

1)殺菌機(jī)理:ClO2對細(xì)胞壁有較好的吸附和透過作用，可有效地氧化細(xì)胞內(nèi)含硫基的酶，抑制微生物蛋白質(zhì)的合成。另外ClO2不需要載體蛋白運(yùn)輸，就可以透過微生物細(xì)胞膜進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部，從而殺菌性極強(qiáng)。2)控制藻類機(jī)理:ClO2可以有效地控制藻類以及由此而產(chǎn)生的異味，并能控制產(chǎn)生異味的防線菌。原因是由于其對葉綠素的吡咯環(huán)有一定的親和性，與之反應(yīng)，生成無臭無味的產(chǎn)物，ClO2氧化葉綠素，植物的新陳代謝終止，使得蛋白質(zhì)的合成中斷。此外，藻類中產(chǎn)生氣味的組織經(jīng)處理后也無臭無味。3)消毒機(jī)理:ClO2的氧化性可將有毒物轉(zhuǎn)化為無毒物。常見有毒物轉(zhuǎn)化方式如下:S2－→SO2－4，CN－→CO2+N2，NH－2→N2+H2O，苯酚→對苯醌。4)除臭機(jī)理:惡臭氣味主要來自硫醇、硫醚、其他無機(jī)硫化物以及胺類等物質(zhì)(含H2S，—SH，—S—，—NH2等集團(tuán))。ClO2能與這些物質(zhì)發(fā)生脫水反應(yīng)，使其迅速氧化為其他物質(zhì)，能阻止蛋氨酸分解成乙烯，也能破壞已形成的乙烯，延緩腐爛。5)脫色機(jī)理:ClO2能將染料中的發(fā)色集團(tuán)和助色集團(tuán)氧化破壞，從而達(dá)到脫色的目的。

4 二氧化氯與其他消毒劑的比較

4.1 綜合比較

二氧化氯與其他消毒劑的比較見表1。

4.2 ClO2的優(yōu)點(diǎn)

1)用量少，作用快，持續(xù)時間長。ClO2溶于水后，在水中的擴(kuò)散速度與滲透能力都比氯快，溶解度約為氯的5倍，氧化能力是氯的2.63倍。特別在低濃度時更突出。當(dāng)細(xì)菌濃度在105個/cm3～106個/cm3時，0.5 mg/L的ClO2作用5 min后即可殺滅99%以上的厭氧菌，殺菌率維持4 h不變;而0.5 mg/L的氯氣殺菌率最高只能達(dá)到75%，只有當(dāng)加入1.0 mg/L的氯氣時才能殺死99%的厭氧菌。在一般情況下，0.2 mg/L～0.25 mg/L的 ClO2可在5 min～15 min內(nèi)殺滅肝炎病毒、性病病毒、腸道病毒、皰疹病毒、腦髓炎病毒等。此外，對水中的藻類、鐵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌去除效果極佳。2)對環(huán)境的pH不敏感。ClO2的殺菌率基本不受介質(zhì)pH值的影響。而在堿性條件下，氯大部分以殺菌較差的次氯酸根(ClO－)存在。根據(jù)報道，ClO－的殺菌效果是HOCl的5%～10%。這是因?yàn)镃lO－帶負(fù)電，難于擴(kuò)散到細(xì)菌表面。當(dāng)pH＜5時，ClO－以100%的HOCl形式存在，而當(dāng)pH＞9.5時，以100%的ClO－形式存在，水中沒有HOCl，所以殺菌效果大幅下降，這就是在pH值較高時殺菌效果較差的原因。3)屬于安全消毒劑。由于ClO2無致癌、致畸形和致突變性，世界衛(wèi)生組織(WHO)將ClO2列為A1級安全消毒劑。而氯氣在水中與腐殖質(zhì)等有機(jī)物通過氧化和取代反應(yīng)進(jìn)入有機(jī)分子形成氯仿或三氯甲烷(THMS)等有機(jī)氯化物，這些氯化物中的部分物質(zhì)如THMS的致癌性逐漸被認(rèn)識。如美國國家癌病研究所在20世紀(jì)70年代從加氯的自來水中檢出THMS等22種致癌或可疑致癌物質(zhì);清華大學(xué)1989年從加氯的自來水中發(fā)現(xiàn)2種強(qiáng)致突變物質(zhì)。為此，人們對加氯自來水中的有機(jī)物給予了更多的關(guān)注。

5 二氧化氯的應(yīng)用

ClO2是強(qiáng)氧化劑，是一種廣譜、高效、安全的消毒劑，特別是在水處理中具有殺菌、脫色、除臭、除味、控制藻類生長的作用。同時在其他領(lǐng)域中也得到廣泛的應(yīng)用。

1)電力行業(yè)中的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中可有效控制微生物的生長和玷污，提高循環(huán)冷卻系統(tǒng)的工作效率。2)游泳池循環(huán)水、浴池水的滅菌消毒。3)餐廳、賓館、家庭、餐具和衛(wèi)生設(shè)施的滅菌消毒。4)水果、蔬菜、魚肉食品的保鮮及最終淋洗消毒。5)魚蝦疾病防治、池水消毒與增氧殺滅甲肝病毒及蘑菇生產(chǎn)滅菌消毒、保鮮處理，達(dá)到防病、增產(chǎn)、提高質(zhì)量的效果。6)中水回用中的滅菌與脫臭。7)面粉與各種食品的漂白劑。8)造紙、印染行業(yè)的漂白藥劑。9)石油管道中硫酸鹽還原菌的滅除。

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