Материал: Гончарук учебник

Рис. 22. Технологическая схема электролитического получения натрия гипохлорита:

1 — растворный бак; 2 — насос; 3 — распределительный тройник; 4 — рабочий бак; 5 — дозатор; 6 — электролизер с графитовыми электродами; 7 — бак-накопитель натрия гипохлорита; 8 — зонт вытяжной вентиляции

Натрия гипохлорит в значительной мере диссоциирует с образованием СЮ", который обладает высокой антимикробной активностью:

NaCIO ^ Na+ + СЮ",

сю- + н+;^нсю.

Электролизерные установки разделяют на проточные и порционные. В их состав входят электролизеры, разнотипные баки. Принципиальная схема пор­ ционной установки изображена на рис. 22. Раствор натрия хлорида 10% кон­ центрации подают в бак постоянного уровня, откуда он вытекает с постоян­ ным расходом. После заполнения бачка-дозатора срабатывает сифон и сливает определенный объем раствора в электролизер. Под воздействием электричес­ кого тока в электролизере образуется натрия гипохлорит. Новые порции раст­ вора соли выталкивают натрия гипохлорит в расходный бак, из которого он дозируется насосом-дозатором. Бак-накопитель должен вмещать объем натрия гипохлорита не менее чем на 12 ч.

Преимуществом получения натрия гипохлорита электролитическим мето­ дом в месте употребления является то, что отпадает необходимость в транспор­ тировке и хранении токсического сжиженного хлора. Среди недостатков мож­ но назвать значительные энергозатраты.

Обеззараживание воды прямым электролизом. Метод состоит в прямом электролизе пресной воды, в которой природное содержание хлоридов не ни-

166

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

же 20 мг/л, а жесткость — не выше 7 мг-экв/л. Применяют на водопроводных станциях мощностью до 5000 м3/сут. Вследствие прямого электролиза на ано­ де происходит разряжение находящихся в воде хлорид-ионов и образуется мо­ лекулярный хлор, который гидролизуется с образованием хлорноватистой кис­ лоты:

2СГ ^ С12 + 2е, С12 + Н 2 О^НС1 + НСЮ.

Во время обработки электролизом воды с pH в пределах 6—9 главными дезинфекционными агентами являются хлорноватистая (гипохлоритная) кис­ лота НСЮ, гипохлорит-анион С10~ и монохлорамины NH2C1, которые образу­ ются вследствие реакции между НСЮ и аммонийными солями, содержащими­ ся в природной воде. Одновременно во время обработки воды электролитичес­ ким методом на микроорганизмы действует электрическое поле, в котором они находятся, что усиливает бактерицидный эффект.

Обеззараживание воды хлорной известью применяют на малых водоп­ роводных станциях (производительностью до 3000 м3/сут), предварительно приготовив раствор. Хлорной известью также заполняют керамические патро­ ны для обеззараживания воды в шахтных колодцах или на локальных водопро­ водах.

Хлорная известь — белый порошок с резким запахом хлора и сильными окисляющими свойствами. Это смесь кальция гипохлорита и кальция хлорида. Получают хлорную известь из известняков. Кальция карбонат при температу­ ре 700 °С распадается с образованием негашеной извести (кальция оксид), ко­ торая после взаимодействия с водой превращается в гашеную известь (кальция гидроксид). При взаимодействии хлора с гашеной известью образуется хлор­ ная известь:

СаСОз ^ СаО + С02 , СаО + Н2 0 = Са(ОН)2,

2Са(ОН)2 + 2С12 = Са(ОС1)2 + СаС12+ 2Н2 0 или 2Са(ОН)2 + 2С12= 2СаОС12 + 2Н2 0.

Основную составную часть хлорной извести выражают формулой:

Технический продукт содержит не более 35% активного хлора. В процессе хранении хлорная известь частично разлагается. То же происходит с кальция гипохлоритом. Свет, влажность и высокая температура ускоряют потерю ак­ тивного хлора. Хлорная известь теряет приблизительно 3—4% активного хло­ ра в месяц вследствие реакций гидролиза и разложения на свету. Во влажном помещении хлорная известь разлагается, образуя хлорноватистую кислоту:

2СаОС12 + С02 + Н2 0 = СаС03 + СаС12 + 2НСЮ.

167

РАЗДЕЛ I. ГИГИЕНА ВОДЫ И ВОДОСНАБЖЕНИЯ НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ

Поэтому перед использованием хлорной извести и кальция гипохлорита проверяют их активность — выраженное в процентах содержание активного хлора в хлорсодержащем препарате.

Бактерицидным действием хлорная известь, так же, как и гипохлориты, обя­ зана группе (ОСГ), которая в водной среде образует хлорноватистую кислоту:

2СаОС12 + 2Н2 0 -> СаС12 + Са(ОН)2 + 2НС10.

Хлора диоксид (ClOJ — газ желто-зеленого цвета, легко растворяется в воде (при температуре 4 °С в 1 объеме воды растворяется 20 объемов газооб­ разного СЮ2). Не гидролизует. Его целесообразно применять в случае, если особенности природной воды являются неблагоприятными для эффективного обеззараживания хлором, например, при высоких значениях pH или в присут­ ствии аммиака. Однако получение хлора диоксида является сложным процес­ сом, который требует специального оборудования, квалифицированного пер­ сонала, дополнительных финансовых затрат. Кроме того, хлора диоксид взры­ воопасен, что требует строгого соблюдения требований техники безопасности. Указанное ограничивает использование хлора диоксида для обеззараживания воды на хозяйственно-питьевых водопроводах.

Кхлорсодержащим препаратам относятся и хлорамины (неорганические

иорганические), которые в практике водоподготовки используют ограничено, но применяют как обеззараживающие агенты во время проведения мероприя­ тий по дезинфекции, в частности в лечебно-профилактических учреждениях.

Неорганические хлорамины (монохлорамины NH2C1 и дихлорамины NHC12) образуются при взаимодействии хлора с аммиаком или аммонийными солями:

NH3 + CI2 = NH2CI + HCI,

NH2CI + CI2 = NHCI2 + HCl.

Вместе с неорганическими соединениями хлора для обеззараживания ис­ пользуют и органические хлорамины (RNHC1, RNC12). Их получают в процес­ се взаимодействия хлорной извести с аминами или их солями. При этом один или два атома водорода аминной группы замещаются хлором. Разные хлора­ мины содержат 25—30% активного хлора.

Процесс обеззараживания воды хлорсодержащими препаратами прои­ сходит в несколько стадий:

1. Гидролиз хлора и хлорсодержащих препаратов: С12 + Н2 0 = HCl + НС10;

Са(ОС1)2 +2Н20 = Са(ОН)2+ 2НС10; 2СаОС12 + 2Н2 0 = Са(ОН)2 + СаС12 + 2НС10.

2. Диссоциация хлорноватистой кислоты.

При pH ~ 7,0 НС10 диссоциирует: НС10 <± Н+ + СЮ".

3.Диффузия в бактериальную клетку молекулы НС10 и иона СЮ".

4.Взаимодействие обеззараживающего агента с энзимами микроорганиз­ мов, которые окисляются хлорноватистой кислотой и гипохлорит-ионом.

168

ВОДОПРОВОД ИЗ ПОВЕРХНОСТНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВОДОСНАБЖЕНИЯ

Активный хлор (НСЮ и СЮ") сначала диффундирует внутрь бактериаль­ ной клетки, а затем вступает в реакцию с ферментами. Наибольшее бактери­ цидное и вирулицидное действие оказывает недиссоциированная хлорноватис­ тая кислота (НСЮ). Скорость процесса обеззараживания воды определяется кинетикой диффузии хлора внутрь бактериальной клетки и кинетикой отмира­ ния клеток в результате нарушения метаболизма. С повышением концентра­ ции хлора в воде, ее температуры и с переходом хлора в недиссоциированную форму легко диффундируемой хлорноватистой кислоты общая скорость про­ цесса дезинфекции повышается.

Механизм бактерицидного действия хлора состоит в окислении органи­ ческих соединений бактериальной клетки: коагуляции и повреждении ее обо­ лочки, угнетении и денатурации ферментов, обеспечивающих обмен веществ и энергии. Наиболее всего повреждаются тиоловые ферменты, содержащие SH-группы, которые окисляются хлорноватистой кислотой и ионом гипохлорита. Среди тиоловых ферментов активнее всего угнетается группа дегидрогеназ, которые обеспечивают дыхание и энергетический обмен бактериальной клетки1. Под влиянием хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона угнетают­ ся дегидрогеназы глюкозы, этилового спирта, глицерина, янтарной, глютаминовой, молочной, пировиноградной кислот, формальдегида и др. Угнетение дегидрогеназ приводит к торможению процессов окисления на начальных эта­ пах. Последствием этого является как торможение процессов размножения бак­ терий (бактериостатическое действие), так и их гибель (бактерицидное действие).

Механизм действия активного хлора на вирусы состоит из двух фаз. Сна­ чала происходят адсорбция хлорноватистой кислоты и гипохлорит-иона на обо­ лочке вируса и проникновение через нее, а затем — инактивация ими РНК или ДНК вируса.

С повышением значения pH бактерицидность хлора в воде снижается. На­ пример, для уменьшения количества бактерий в воде на 99% при дозе свобод­ ного хлора 0,1 мг/л продолжительность контакта увеличивается с 6 до 180 мин при повышении pH соответственно с 6 до 11. Следовательно воду целесообраз­ но обеззараживать хлором при низких значениях pH, то есть до введения ще­ лочных реагентов.

Наличие в воде органических соединений, способных к окислению, неор­ ганических восстановителей, а также коллоидных и взвешенных веществ, об­ волакивающих микроорганизмы, приводит к замедлению процесса обеззара­ живания воды.

Взаимодействие хлора с компонентами воды — сложный и многостадий­ ный процесс. Небольшие дозы хлора полностью связываются органическими веществами, неорганическими восстановителями, взвешенными частицами, гуминовыми веществами и микроорганизмами воды. Для надежного обеззара­ живающего эффекта воды после ее хлорирования необходимо определять оста­ точные концентрации свободного или связанного активного хлора.

Энергетический метаболизм у бактерий происходит в мезосомах — аналогах митохондрий.

169

Рис. 23. График зависимости величины и вида остаточного хлора от введенной дозы хлора

На рис. 23 приведена зависимость между дозой введенного хлора и оста­ точным хлором при наличии в воде аммиака или аммонийных солей. При хло­ рировании воды, не содержащей аммиака или других азотсодержащих соеди­ нений', с увеличением количества внесенного в воду хлора возрастает содер­ жание в ней остаточного свободного хлора. Но картина меняется при наличии

вводе аммиака, аммонийных солей и других азотсодержащих соединений, ко­ торые являются составной частью природной воды или искусственно вносятся

внее. При этом хлор и хлорные агенты взаимодействуют с присутствующим в воде аммиаком, аммонийными и органическими солями, содержащими амино­ группы. Это приводит к образованию моно- и дихлораминов, а также чрезвы­ чайно нестойких трихлораминов:

NH3 + Н2 0 = NH4OH;

С12 + Н2 0 = НС10 + HCl;

НСЮ + NH4OH = NH2C1 + Н2 0;

НСЮ + NH2C1 = NHC12+ H2 0;

НСЮ + NHC12 = NC13 + Н2 0.

Хлорамины представляют собой связанный активный хлор, обладающий бактерицидным действием, которое в 25—100 раз меньше, чем у свободного хлора. Кроме того, в зависимости от pH воды изменяется соотношение между моно- и дихлораминами (рис. 24). При низких значениях pH (5—6,5) преиму­ щественно образуются дихлорамины, а при больших значениях pH (больше 7,5) — монохлорамины, бактерицидное действие которых в 3—5 раз слабее, чем дихлораминов. Бактерицидность неорганических хлораминов в 8—10 раз выше, чем хлорпроизводных органических аминов и иминов. При добавлении к воде невысоких доз хлора при молярном соотношении С12 : NH* < 1 образу­ ются моно- и дихлорамины. Поэтому на отрезке II кривой (см. рис. 23) в воде

Безаммиачной воды в природе нет. Ее можно приготовить лишь в лабораторных условиях из дистиллированной воды.

170