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次氯酸鈉和二氧化氯的消毒效果比較

文章附圖

  目前,從水體消毒的種類來說,有氯氣、次氯酸鈉、漂白粉、三氯異氰尿酸(二氯異氰尿酸鈉)、二氧化氯、雙氧水、臭氧等藥劑和方式,此外還有紫外線消毒等一些手段。

  由于氯氣在運輸、存儲方面存在**隱患;在定量投加方面,因氯氣在水中的溶解度較低,氯氣容易散失,使得水中留存余量難以達到標準;同時,氯氣瓶氣壓不斷變化,存在投加計量不夠準確的問題;氯氣具有極強的擴散性,對環境存在毒害作用;游離氯的高活性容易形成許多象四氯化碳一類的致癌物質,故而,在常規消毒領域,取消液氯的主張越來越多,也日益受到人們的關注。

  就拿氯氣的**性來說,就始終是一個讓人時時警覺的問題。在我國,幾乎每年都有氯氣罐泄漏的**事故發生。氯氣作為危險品受到各國**機關的嚴格管制。前些年,發生在福建三明火車站氯氣瓶運輸中的跑氯事件,造成幾千人的緊急疏散;在北京有些游泳場由于操作人員不謹慎,三分鐘的跑氯,就有37名孩子住進醫院。2005年3月29日18時50分,江蘇省淮安市境內,一輛山東魯H-00099裝有液氯危險品的運輸車,行至京滬高速公路上行線103KM+300M處,與一輛魯QA0938貨車相撞,導致魯H-00099側翻液氯泄漏。截止3月31日8時,此事故已造成28人中毒死亡,285人被送往醫院救治。事故發生后,有關部門立即組織疏散村民群眾近1萬人,造成京滬高速公路宿遷至寶應段關閉20個小時。我國的天津地區就明確規定公共娛樂場所禁用氯氣進行消毒。

20190625

  在國外許多發達國家,如美國、德國、日本等對氯氣的使用有嚴格的限制,氯氣主要用于污水處理。而公用場所和中小型自來水廠一般不再使用液氯,而多使用次氯酸鈉液體進行消毒。當然,也可根據用水量的情況,采用其它消毒方法。如小量飲用水的消毒就可以采用諸如紫外線、臭氧、雙氧水等手段進行滅菌殺毒。

  氯氣、次氯酸鈉、二氧化氯和臭氧[1]都是工農業生產和日常生活中比較容易見到的幾種強氧化劑,除臭氧以外,它們均為非天然存在的化學物質。一般都可以用作水體殺生劑。它們不僅具有滅殺細菌和病毒的功能,還能夠漂白紙張、纖維以及用作化學合成等。廣泛用于自來水消毒、游泳池水消毒、污水處理、循環水除藻、造紙工業、化學合成業、以及醫藥衛生和防疫等各個領域。

  但是,不同的藥劑具有不同的性能和特點,就如同不同廠家的產品具有并不相同的質量一樣。氯氣、次氯酸鈉、二氧化氯和臭氧在物理化學性能上,以及實際使用中都有很大的區別。就這幾種消毒劑的應用來講,次氯酸鈉**有效,易于儲存,使用方便。

  有關氯氣的性能和使用情況,我們已很熟悉了。液氯的殺菌效果很好,且容易獲得,經濟廉價,而且投加方便,占用地方很小,但其**性比較低,管理上容易疏忽。在這里,不再對液氯的情況進行詳細分析,具體探討和比較一下次氯酸鈉、二氧化氯和臭氧三種消毒劑的性能以及相關設備的使用特點。

  次氯酸鈉

  次氯酸鈉的分子式是NaOCl,屬于強堿弱酸鹽,它清澈透明,是一種能完全溶解于水的液體。但由于次氯酸鈉液不易久存,次氯酸鈉多以電解低濃度食鹽水現場制備。

  次氯酸鈉液體可通過電解食鹽水制備,這種設備稱為次氯酸鈉發生器。次氯酸鈉的生成過程可以通過化學方程式表達如下:

  其總反應表達如下:

  NaCl + H2O → NaOCl + H2↑

  電極反應:

  陽極: 2Cl- - 2e → Cl2

  陰極: 2H+ + 2e → H2

  溶液反應: 2NaOH + Cl2 → NaCl + NaOCl + H2O

  當然,次氯酸鈉消毒液體以次氯酸鈉發生器生產是好的。因為,它生產出的次氯酸鈉液體比較穩定、單一,也容易保存,不含制氯廠出品的那些復雜甚至有害的成分。

  關于次氯酸鈉發生器,我國已于1990年1月12日發布了GB 12176-90 國家標準。它是一種已經認可、可以信賴、十分穩定、并有權威資料可查詢的產品。次氯酸鈉發生器已經有一百多年的歷史了,已經證明是一種運行成本很低、藥物投加準確、消毒效果**的設備。

  就消毒而言,次氯酸鈉液還是具有明顯優勢的。作為一種真正高效、廣譜、**的強力滅菌、殺病毒藥劑,它同水的親和性很好,能與水任意比互溶,它不存在液氯、二氧化氯等藥劑的**隱患,且其消毒效果被公認為和氯氣相當加之其投加準確,操作**,使用方便,易于儲存,對環境無毒害,不存在跑氣泄漏,故可以在任意環境工作狀況下投加。

  事實上,次氯酸鈉廣泛用于包括自來水、中水、工業循環水、游泳池水、醫院污水等等各種水體的消毒。次氯酸鈉還能夠破壞氰根離子,用作處理含氰廢水。高濃度的次氯酸鈉液體還可以用于剝離設備及管道上附著的沾泥[2]。

  次氯酸鈉的殺菌原理主要是通過它的水解形成次氯酸,次氯酸再進一步分解形成新生態氧[O],新生態氧的極強氧化性使菌體和病毒的蛋白質變性,從而使病源微生物致死。(氯氣消毒的原理亦同)。

  根據化學測定,次氯酸鈉的水解受PH值的影響,當PH超過9.5就會不利于次氯酸的生成。但是,絕大多數水質的PH值都在6—8.5,而對于PPM級濃度的次氯酸鈉在水里幾乎是完全水解成次氯酸,其效率高于99.99%。其過程可用化學方程式簡單表示如下:

  NaOCl + H2O → HOCl + NaOH

  HClO → HCl + [O]

  次氯酸在殺菌、殺病毒過程中,不僅可作用于細胞壁、病毒外殼,而且因次氯酸分子小,不帶電荷,可滲透入菌(病毒)體內與菌(病毒)體蛋白、核酸、和酶等發生氧化反應,從而殺死病原微生物。

  R-NH-R + HOCl → R2NCl + H2O

  同時,氯離子還能顯著改變細菌和病毒體的滲透壓使其喪失活性而死亡。

  在消毒方面,值得肯定的是,由于次氯酸鈉發生器所生產的消毒液中不象氯氣、二氧化氯等消毒劑在水中產生游離分子氯,所以,一般難以形成因存在分子氯而發生氯代化合反應,生成不利于人體健康的有毒有害物質。并且,次氯酸鈉也不會象氯氣同水反應會形成鹽酸那樣,對金屬管道構成嚴重腐蝕。不過,它同氨可以發生反應,在水中生成微量的帶有氣味的氯氨化合物,但這種物質也是一種**的殺生藥劑,只是遠不及次氯酸鈉的殺生能力。

  NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O

  NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O

  NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O

  就運行成本而言,采用次氯酸鈉消毒的運行成本費用是很低的,稍比氯氣高一些。根據英國所統計的一組數據表明,次氯酸鈉同氯氣成本相比大約為1.05 :1[3]。

  使用次氯酸鈉消毒以采用次氯酸鈉發生器為優。以前,次氯酸鈉發生器未能在我國大范圍推廣的原因,主要是過去在陽極防腐材料方面不過關,其次是我國經濟發展滯后和對水處理技術不夠重視,再次是次氯酸鈉發生器比氯氣的一次性投入要略高等因素造成的。

  實際中,還有一些單位對水體消毒使用的是從氯堿工廠出產的次氯酸鈉液。事實上,氯堿工廠生產的次氯酸鈉液同次氯酸鈉發生器現場制備的次氯酸鈉液還是有一定區別的。次氯酸鈉是氯堿工廠生產過程中必然留下的一種副產品,它是通過堿液吸收多余的氯氣生成的。這是為了保障****設置的一道工藝。對于大多數制氯堿的工廠來說,次氯酸鈉作為一種副產物,成分較復雜,還很容易分解。據一些報道分析,有些廠從經濟效益上考慮,使用石墨做電極還產生出相當多的二惡因成分。

  2OH- + Cl2 → Cl- + ClO- + H2O

  一般來講,該反應通常在低溫下進行,因為低溫下一分子氯氣還可以同八分子水結合成暫時性的水合氯,它在水中呈游離氯狀態。這樣,當溫度略高時,它就會很自然地從水中釋放出來,不能長時間保存,很容易揮發失效,投加中也散逸出一些氯氣。另外,它需要大型塑料桶裝儲,占用一定空間,在運輸、儲存和管理上也還是比較麻煩的。所以,這種含有一定游離分子氯的次氯酸鈉溶液用于水體消毒,當然不及現場使用次氯酸鈉發生器好。但它還是比使用液氯消毒更為**可靠。

  此外,還**說明的是,采用次氯酸鈉消毒,不可避免地使水中存在一定鹽分。不過,由于投加是按每一噸水幾克的標準進行的,象自來水等流動水體根本就不存在累積的問題,更不可能產生咸鹽的感覺。對于游泳池水來說,某一個較短時期可能有一些累積的,但由于游泳池本身會定期對凈化設備進行反沖洗,因而需要補充一部分新鮮水,加之投加的量很小,約為百萬分之幾的量,從長期來看,池中也不會有鹽分累積,池水更不可能變得咸鹽的。通過我們的調查和走訪,我們也沒有發現哪一家用戶有使用次氯酸鈉發生器設備而造成池水變咸了的事例出現。

  二氧化氯

  二氧化氯的分子式是ClO2,在高于11oC時,二氧化氯沸騰,成為一種黃綠色氣體。它是一種極活潑的化合物,稍經受熱,就會迅速而爆炸性分解為氯氣和氧氣。二氧化氯具有比氯氣更大的刺激性和毒性。由于它是氣體,易于擴散,受熱又容易分解,在纖維表面停留時間較短,并且與水反應還能生成具有較強漂白能力的HClO2, 能夠不降解和損傷纖維,所以在造紙、印染等行業得到很好應用。二氧化氯作為一種強氧化劑,同樣具有和氯相似的殺生能力。

  二氧化氯極其不穩定,不能象次氯酸鈉那樣可以運輸,運輸中很容易發生爆炸事故,所以只有依靠現場制備。一般都是通過氯酸鈉同酸的反應制備得到。但是,氯酸鈉與硫酸的反應十分劇烈,所產生二氧化氯幾乎是爆炸性分解為氯氣和氧氣,這當然與硫酸在反應中大量放出熱量有關。用化學方程式表達如下:

  3NaClO3 + 3H2SO4 → 3NaHSO4 + 3HClO3

  3HClO3 → 2ClO2↑ + HClO4 + H2O

  2ClO2 → Cl2↑ + 2O2↑

  溫和的方法是草酸與氯酸鈉的反應生成二氧化氯氣體:

  2NaClO3 + 2H2C2O4 → Na2C2O4 + 2H2O + 2CO2↑ +2ClO2↑

  國內一些廠家采用鹽酸進行定量控制滴加氯酸鈉的方法生成二氧化氯,這種設備有的可以獲得高不超過50%的二氧化氯和大于50%的氯氣。

  一般來說,氯酸鈉與鹽酸發生反應過程比較復雜一些。如果使用稀鹽酸反應,生成物可以獲得二氧化氯和氯氣的混合物氣體[4],但規模制備還**設防爆裝置,操作也**十分小心,因為二氧化氯受熱很容易爆炸性分解:

  NaClO3 + HCl(稀) → NaCl + Cl2↑ + 2ClO2↑ + 2H2O

  實際上,這個反應也是分為兩步完成的,氯酸鈉先同鹽酸反應生成氯酸和氯化鈉,氯酸隨后分解成二氧化氯、氯氣和水。

  當使用濃鹽酸與氯酸鈉反應時,生成物中只有氯氣放出,而沒有二氧化氯氣體[4]:

  NaClO3 + 6HCl(濃) → NaCl + 3Cl2↑ + 3H2O

  很顯然,在某一中間范圍的鹽酸濃度中,上述兩種反應均有發生,可將上兩反應方程式相加表述為[4]:

  ClO3- + 7Cl- + H+ → 4Cl2↑ + 2ClO2↑ + 5H2O

  從上面方程表達式是來看,鹽酸同氯酸鈉反應生成的二氧化氯含量是很不穩定的,所生成氣體主要部分還是氯氣,少量為二氧化氯。

  由于制取二氧化氯需要使用氯酸鈉或者氯酸鉀,所以運行成本很高,大約為次氯酸鈉運行成本的5倍以上[2]。此外,由于鹽酸容易揮發,并具有強烈腐蝕性,因此,在管理上相對比較麻煩,需要較多的**容器來儲存保管。

  在工業上,有一種制備二氧化氯水溶液的工藝[1],工藝比較復雜,具體方法是:讓二氧化氮由底部向上通過一個填充塔,而氯酸鈉溶液由上往下流動,反應方程式表達如下:

  ClO3- + NO2 → NO3- + ClO2

  這種水溶液濃度不高,處理起來比較**(水溶液中二氧化氯含量超高30%時處理不當也會引起爆炸),溶解實際上是一個物理過程。置于日光下時,溶液會緩慢地分解成酸的混合物。但是,這種方式的運行成本更高,一般也不用于生活飲用水中消毒。

  據有關資料記載,純二氧化氯用于水的消毒也與氯氣近似,但稍有所不同。它具有兩個氯氣不具備的特點:一是它使用的PH范圍廣,在PH6—10內能有效地殺滅絕大多數的微生物;二是它不會與氨發生反應產生令人不愉快的味道。但是,它在水中分解時會產生亞氯酸鹽這種副產品,如用于游泳池消毒,亞氯酸鹽長時間的積累起來會使水變黃,還會出現對皮膚和眼睛的刺激,一般采用投加一定量氯的辦法來消除[3]。

  有些資料上有關于二氧化氯可以殺滅芽孢的說法,但具體機理和實際效果并不詳。目前,國內使用二氧化氯用于自來水、中水等消毒非常成功的實例較少。由于所有氣體消毒劑溶解于水的能力較低,都存在非常不穩定、不**、易揮發的因素,很難使水體中達到應有的余氯檢測量,故而,對自來水、游泳池等需要維持一定消毒藥量來說,二氧化氯消毒比較困難達標,其水體中余氯檢測值也較難得到保證。更何況,二氧化氯尚沒有氯氣那么高的氣壓可通過加氯機同水體形成暫時水合物的能力,所以,從技術上來講,大規模使用二氧化氯投加也還非常不現實。

  通常認為,二氧化氯的消毒原理也是和氯氣一樣,少量二氧化氯先同水發生反應產生亞氯酸HClO2,亞氯酸是一種相當弱的弱酸,具有氧化漂白作用。

  2ClO2 + H2O → HClO2 + HClO3

  工業上一般并不直接使用二氧化氯,而是應用亞氯酸鈉溶液進行漂白。通過將立時產生的二氧化氯水溶液和過氧化鈉混合即可得到單一的亞氯酸鈉。

  2ClO2 + Na2O2 → 2NaClO2 + O2

  亞氯酸鈉是一種軟性漂白劑,通過水解逐步釋放出亞氯酸,可以漂白許多天然和合成纖維而不會使它們降解,也可以漂白油、油漆和蜂蠟等[1]。這一技術的出現和運用在時間上并不長。誠然,使用該技術,從設備投資到運行成本都是很高的,小規模的企業都難以承受。

  國內生產二氧化氯發生器的企業很少有掌握生產二氧化氯水溶液這種較高**性技術的,多數都是采用氯酸鈉同鹽酸定量滴定,控制反應生成量的辦法來實現。這樣的設備成本很低,但**性是非常差的,稍不謹慎就會釀成事故,管理上需要特別細心。國家正在通過技術部門對于此類設備的**性提出質詢和鑒定,有關方面的專家要求對其進行技術規范或者取締和淘汰。

  比如,在北京大學游泳館、北京的天壇醫院、二龍路醫院等單位使用二氧化氯用作水體消毒,都因相繼發生過**事故而被迫停用。因為,受熱的二氧化氯很容易發生爆炸性分解,直接造成毒氣泄漏而污染環境:

  2ClO2 → 2O2 + Cl2

  此外,現在市面上還有一種采用與工業上使用電解飽和食鹽水生產氯氣完全相同的辦法,生產一種稱為可以制備出二氧化氯的設備。其實,通過隔膜隔離陰陽兩極,這之中98%以上還是產生的氯氣。從原理上講,電解飽和食鹽水首先是氯離子得到電子生成氯氣,一部分氯氣同水反應生成次氯酸根離子,次氯酸根在電解中還可以進一步氧化生成亞氯酸根、氯酸根離子,它們受熱分解可以產生一氧化二氯、二氧化氯等氣體。但是,在這種電解方法中,生成亞氯酸根、氯酸根離子的效率是很低的。也就是說通過電解轉換成二氧化氯的效率不僅很低,而且這種方式沒有必要,既浪費電力,又很不經濟。

  并且,作為氯氣、二氧化氯這些比空氣重的氣體也是很容易泄漏的,并會沿地面進行擴散。一旦污染形成,這些有毒氣體就不可能在一個較短的時間里消除。由于氯氣劇毒,腐蝕性也很強烈,二戰時期希特勒就曾用來毒殺猶太人,所以氯氣一般由專門的氯堿工業生產廠家生產,采用特制且干燥的氯氣瓶進行封裝和運輸。國家對氯氣還有專門**機關監管審查。

  事實上,這種設備在實際使用中也不是很成功的,出現了很多問題。跑泄氯氣嚴重,隔膜一般半年左右就損壞了,維修頻繁,藥物投加也達不到水質設定的要求。象東單游泳館、北京體育大學游泳館、國家體委訓練中心跳水館和一些醫院自安裝以后就無法正常使用,都不得不陸續改裝成使用次氯酸鈉進行消毒。

  二氧化氯極強的化學f腐蝕性幾乎同氯氣一樣,而且它的毒性還是氯氣的四十倍。

  拿氯氣來講,現代醫學研究已經證明,由于氯氣能同水中許多有機物發生氯化反應,生成很多氯代有機物,而氯代有機物大多是極其有害健康的,比如生成的三氯甲烷、四氯甲烷、二惡因等氯代物。專家們也經常在使用氯氣消毒的自來水中檢測到致癌的三氯甲烷、四氯甲烷等氯代物。據美國醫學學會統計,長期飲用使用氯氣消毒的自來水人群中,膀胱癌、直腸癌、結腸癌的發病率高對照組幾十倍,甚至上幾百倍。

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