Для хлорирования воды используются такие вещества, как собственно хлор (жидкий или газообразный), гипохлорит натрия, диоксид хлора и другие хлорсодержащие вещества.
4.2.1. Хлор
Хлор является самым распространенным веществом, используемым для обеззараживания питьевой воды. Это объясняется его высокой эффективностью, простотой используемого технологического оборудования, дешевизной применяемого реагента – жидкого или газообразного хлора – и относительной простотой обслуживания.
Хлор легко растворяется в воде, после смешения газообразного хлора с водой в водном растворе устанавливается равновесие:
Cl2 + H2O ↔ HClO + HCl.
Далее происходит диссоциация образовавшейся хлорноватистой кислоты:
НСlО ↔ Н+ + ОСl—
Наличие хлорноватистой кислоты в водных растворах хлора и получающиеся в результате ее диссоциации анионы ОСl— обладают сильными бактерицидными свойствами. Хлорноватистая кислота почти в 300 раз более активна, чем гипохлорит-ионы ClO—. Объясняется это уникальной способностью HClO проникать в бактерии через их мембраны. Хлорноватистая кислота подвержена разложению на свету:
2HClO → 2O + 2HCl → О2 + 2HCl
с образованием хлористоводородной кислоты и атомарного кислорода в качестве промежуточного вещества, который также является сильнейшим окислителем.
Обработку воды хлором осуществляют с помощью, так называемых, хлораторов, в которых газообразный (испаренный) хлор абсорбируют водой. Полученная хлорированная вода из хлоратора сразу подается к месту ее потребления. Несмотря на то что этот метод обработки воды и является наиболее распространенным, у него тоже есть ряд недостатков. Прежде всего, сложная транспортировка и хранение больших объемов жидкого высокотоксичного хлора. При такой организации процесса неизбежно присутствуют потенциально опасные стадии – прежде всего разгрузка емкостей с жидким хлором и его испарение для перевода в рабочую форму.
Создание рабочих запасов хлора на складах представляет опасность не только для рабочего персонала станции, но и для жителей расположенных рядом домов. Как альтернативный вариант хлорирования в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), этот метод находит применение как на промышленных станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе в частных домах.
4.2.2. Диоксид хлора
Диоксид хлора применяют для обеззараживания воды в Европе, США и России. В США в 1944 г. была введена в эксплуатацию одна из первых систем обеззараживания питьевой воды диоксидом хлора – система «Ниагара Фоллз». В Германии используют диоксид хлора с 1959 г. Мировой опыт применения диоксида хлора и многочисленные исследования показали его эффективность при подготовке и дезинфекции питьевых, производственных и сточных вод.
Основные способы получения диоксида хлора
Распространены три основных метода получения диоксида хлора:
– взаимодействие хлорита натрия с соляной кислотой:
5NaClO2 + 4HCl = 4ClO2 + 5NaCl + 2H2O;
– взаимодействие хлорита натрия с молекулярным хлором, (гипохлоритом натрия, хлорноватистой кислотой). Реакция проводится путем введения газообразного хлора в раствор хлорита натрия в условиях вакуума:
2NaClO2 + Cl2= 2ClO2 + 2NaCl;
– взаимодействие хлората натрия с серной кислотой и перекисью водорода:
2NaClO3 + H2SO4 + 2H2O = 2ClO2 + 2O2 + Na2SO4
Эффективное действие ClО2 обусловлено не только высоким содержанием при реакции высвобождающегося хлора, но и образующимся атомарным кислородом.
В настоящее время есть установки, использующие все эти способы получения диоксида хлора для его дальнейшего применения в процессах обеззараживания питьевой воды. Основным фактором, мешающим широкому распространению использования диоксида хлора, является его повышенная взрывоопасность, осложняющая производство, транспортировку и хранение. Современные технологии устранили этот недостаток за счет производства диоксида хлора непосредственно на месте применения в виде водного раствора безопасной концентрации. Процессы получения и дозирования диоксида хлора в обрабатываемую воду полностью автоматизированы, не требуется присутствия обслуживающего персонала. В связи с этим возможно его применение в установках относительно небольшой производительности.
Применение диоксида хлора для обеззараживания воды обладает рядом преимуществ:
– диоксид хлора не образует тригалометанов при взаимодействии с органическими веществами, при этом способствует снижению концентраций железа и марганца в воде;
– является эффективным окислителем и дезинфектантом для всех видов микроорганизмов, включая цисты (Giardia, Cryptosporidium), споровые формы бактерий и вирусы;
– дезинфицирующее действие практически не зависит от pH воды, в то время как эффективность хлора снижается с отклонением значения pH от pH=7,4;
– дезодорирует воду, разрушает фенолы – источники неприятного вкуса и запаха;
– не образует броматов и броморганических побочных продуктов дезинфекции в присутствии бромидов.
Основным недостатком применения диоксида хлора является образование побочных продуктов – хлоратов и хлоритов, содержание которых в питьевой воде необходимо контролировать. В соответствии с СанПиН, предельно допустимая концентрация хлоритов – 0,2 мг/дм3 с санитарно-токсикологическим лимитирующим показателем, соответствующим третьему классу опасности. Эти нормы ограничивают предельную дозу диоксида при дезинфекции воды.
4.2.3. Гипохлорит натрия
В качестве альтернативного варианта в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлорита натрия (NaClO), причем этот реагент находит применение как на больших станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах.
Водные растворы гипохлорита натрия получают химическим:
Cl2 + 2NaOH = NaClO + NaCl + H2O
или электрохимическим методом по реакции:
NaCl + H2O = NaClO + H2.
Вещество гипохлорит натрия (NaClO) в чистом химическом виде (т. е. без воды) представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, легко разлагающееся на хлорид натрия (поваренная соль) и кислород:
2NaClO = 2NaCl + O2.
При растворении в воде, гипохлорит натрия диссоциирует на ионы:
Гипохлорит-ион OCl- в воде подвергается гидролизу, образуя хлорноватистую кислоту HOCl:
ОCl- + H2O = HOCl + OH-.
Именно наличие хлорноватистой кислоты в водных растворах гипохлорита натрия объясняет его сильные дезинфицирующие и отбеливающие свойства. Наивысшая бактерицидная способность гипохлорита проявляется в нейтральной среде, когда концентрации HClO и гипохлорит-анионов ClO- приблизительно равны.
Разложение гипохлорита сопровождается образованием ряда активных частиц, в частности, атомарного кислорода, обладающего высоким биоцидным действием. Образующиеся частицы принимают участие в уничтожении микроорганизмов, взаимодействуя с биополимерами в их структуре, способными к окислению. Исследованиями установлено, этот процесс аналогичен тому, который происходит естественным образом во всех высших организмах. Некоторые клетки человека (нейтрофилы, гепатоциты и др.) синтезируют хлорноватистую кислоту и сопутствующие высокоактивные радикалы для борьбы с микроорганизмами и чужеродными субстанциям.
Обеззараживание воды и окисление примесей с использованием гипохлорита натрия, производимого электрохимически, впервые было применено в США в конце 30-х гг. XX в… Гипохлорит натрия обладает рядом ценных свойств. Его водные растворы не имеют взвесей и поэтому не нуждаются в отстаивании в противоположность хлорной извести. Применение гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, поскольку не содержит солей кальция и магния как хлорная известь или гипохлорит кальция.
Бактерицидный эффект раствора NaClO, полученного электролизом, выше, чем у других дезинфектантов, действующее начало которых – активный хлор. Кроме того, раствор обладает еще большим окислительным действием, чем растворы, приготовленные химическим методом, поскольку содержит больше хлорноватистой кислоты (HClO).
Недостатком данного метода является то, что водные растворы гипохлорита натрия неустойчивы и со временем разлагаются даже при комнатной температуре.
Промышленностью нашей страны гипохлорит натрия выпускается в виде водных растворов различной концентрации.
В соответствии с ГОСТ 11086-76 раствор гипохлорита натрия, получаемый по химическому методу, выпускается в виде трех марок. Ниже приведены показатели по составу продуктов.
