次氯酸钠、二氧化氯和臭氧的比较

次氯酸钠、二氧化氯和臭氧的比较

目前, 从水体消毒的种类来说, 有氯气、次氯酸钠、漂白粉、三氯异氰尿酸 (二氯异氰尿酸钠 )、二氧化氯、双氧水、臭氧等药剂和方式, 此外还有紫外线消毒等一些手段。

氯气、次氯酸钠、二氧化氯和臭氧都是工农业生产和日常生活中比较容易见到的几种强氧化剂, 除臭氧以外, 它们均为非天然存在的化学物质。一般都可以用作水体杀生剂。它们不仅具有灭杀细菌和病毒的功能, 还能够漂白纸张、纤维以及 用作化学合成等。广泛用于自来水消毒、游泳池水消毒、污水 处理、循环水除藻、造纸工业、化学合成业、以及医药卫生和防 疫等各个领域。

但是, 不同的药剂具有不同的性能和特点, 就如同不同厂 家的产品具有并不相同的质量一样。氯气、次氯酸钠、二氧化 氯和臭氧在物理化学性能上, 以及实际使用中都有很大的区 别。就这几种消毒剂的应用来讲, 次氯酸钠最为安全有效, 易 于储存, 使用最为方便。

在国外许多发达国家, 如美国、德国、日本等对氯气的使 用有严格的限制, 氯气主要用于污水处理。而公用场所和中 小型自来水厂一般不再使用液氯, 而多使用次氯酸钠液体进 行消毒。当然, 也可根据用水量的情况, 采用其它消毒方法。 如小量饮用水的消毒就可以采用诸如紫外线、臭氧、双氧水等 手段进行灭菌杀毒。

有关氯气的性能和使用情况, 我们已很熟悉了。液氯的 杀菌效果很好, 且容易获得, 经济廉价, 而且投加方便, 占用地 方很小, 但其安全性比较低, 管理上容易疏忽。在这里, 不再 对液氯的情况进行详细分析, 具体探讨和比较一下次氯酸钠、 二氧化氯和臭氧三种消毒剂的性能以及相关设备的使用 特点。 次氯酸钠 次氯酸钠的分子式是 N aOC ,l 属于强碱弱酸盐, 它清澈透 明, 是一种能完全溶解于水的液体。但由于次氯酸钠液不易 久存, 次氯酸钠多以电解低浓度食盐水现场制备。

次氯酸钠液体可通过电解食盐水制备, 这种设备称为次 氯酸钠发生器。次氯酸钠的生成过程可以通过化学方程式表达如下:

其总反应表达如下:

N aC l+ H2 O N aO C l+ H2 电极反应: 阳极:2Cl-- 2eCl2 阴极:2H++ 2e H2

溶液反应: 2N aOH + C l2 N aC l+ N aOC l+ H2 O 当然, 次氯酸钠消毒液体以次氯酸钠发生器生产为最佳。 因为, 它生产出的次氯酸钠液体比较稳定、单一, 也容易保存, 不含制氯厂出品的那些复杂甚至有害的成分。

次氯酸钠的杀菌原理主要是通过它的水解形成次氯酸, 次氯酸再进一步分解形成新生态氧 [ O ], 新生态氧的极强氧 化性使菌体和病毒的蛋白质变性, 从而使病源微生物致死。 (氯气消毒的原理亦同 ) 。

根据化学测定, 次氯酸钠的水解受 PH 值的影响, 当 PH 超过 9 5就会不利于次氯酸的生成。但是, 绝大多数水质的 PH 值都在 6 8 5, 而对于 PPM 级浓度的次氯酸钠在水里几 乎是完全水解成次氯酸, 其效率高于 99 99% 。其过程可用化 学方程式简单表示如下:

N aO C l+ H2O HOC l+ N aOH HC lO H C l+ [ O ]

次氯酸在杀菌、杀病毒过程中, 不仅可作用于细胞壁、病 毒外壳, 而且因次氯酸分子小, 不带电荷, 可渗透入菌 (病毒 ) 体内与菌 (病毒 ) 体蛋白、核酸、和酶等发生氧化反应, 从而杀 死病原微生物。

R - NH - R + HOC l R 2NC l+ H2 O

同时, 氯离子还能显著改变细菌和病毒体的渗透压使其 丧失活性而死亡。 在消毒方面, 值得肯定的是, 由于次氯酸钠发生器所生产 的消毒液中不象氯气、二氧化氯等消毒剂在水中产生游离分 子氯, 所以, 一般难以形成因存在分子氯而发生氯代化合反 应, 生成不利于人体健康的有毒有害物质。并且, 次氯酸钠也 不会象氯气同水反应会最后形成盐酸那样, 对金属管道构成 严重腐蚀。不过, 它同氨可以发生反应, 在水中生成微量的带 有气味的氯氨化合物, 但这种物质也是一种安全的杀生药剂，只是远不及次氯酸钠的杀生能力。

NH3 + HOC l ?? NH2 C l+ H2O NH2 C l + HOC l ?? NHC l 2 + H 2O NHC l 2 + HOC l ?? NC l 3 + H2O

就运行成本而言, 采用次氯酸钠消毒的运行成本费用是 很低的, 稍比氯气高一些。根据英国所统计的一组数据表明, 次氯酸钠同氯气成本相比大约为 1 05: 1。

使用次氯酸钠消毒以采用次氯酸钠发生器为最优。以 前, 次氯酸钠发生器未

能在我国大范围推广的原因, 主要是过 去在阳极防腐材料方面不过关, 其次是我国经济发展滞后和 对水处理技术不够重视, 再次是次氯酸钠发生器比氯气的一 次性投入要略高等因素造成的。

此外, 还必须说明的是, 采用次氯酸钠消毒, 不可避免地 使水中存在一定盐分。不过, 由于投加是按每一吨水几克的 标准进行的, 象自来水等流动水体根本就不存在累积的问题, 更不可能产生咸盐的感觉。对于游泳池水来说, 某一个较短 时期可能有一些累积的, 但由于游泳池本身会定期对净化设 备进行反冲洗, 因而需要补充一部分新鲜水, 加之投加的量很 小, 约为百万分之几的量, 从长期来看, 池中也不会有盐分累 积, 池水更不可能变得咸盐的。通过我们的调查和走访, 我们 也没有发现哪一家用户有使用次氯酸钠发生器设备而造成池 水变咸了的事例出现。

二氧化氯

二氧化氯的分子式是 C Ol2, 在高于 11 时, 二氧化氯沸 腾, 成为一种黄绿色气体。它是一种极活泼的化合物, 稍经受 热, 就会迅速而爆炸性分解为氯气和氧气。二氧化氯具有比 氯气更大的刺激性和毒性。由于它是气体, 易于扩散, 受热又 容易分解, 在纤维表面停留时间较短, 并且与水反应还能生成 具有较强漂白能力的 HC lO2, 能够不降解和损伤纤维, 所以在 造纸、印染等行业得到很好应用。二氧化氯作为一种强氧化 剂, 同样具有和氯相似的杀生能力。

二氧化氯极其不稳定, 不能象次氯酸钠那样可以运输, 运 输中很容易发生爆炸事故, 所以只有依靠现场制备。一般都 是通过氯酸钠同酸的反应制备得到。但是, 氯酸钠与硫酸的 反应十分剧烈, 所产生二氧化氯几乎是爆炸性分解为氯气和 氧气, 这当然与硫酸在反应中大量放出热量有关。用化学方程式表达如下:

3NaClO3 + 3H2SO4 3Na HSO4 + 3HClO3 3HC lO3 2C lO2+ HC Ol4 + H 2O 2C lO 2 C l2 + 2O2

最为温和的方法是草酸与氯酸钠的反应生成二氧化氯 气体:

2N aC lO3 + 2H2 C2 O4 N a2 C2O4 + 2H2 O + 2CO 2+ 2C l O ?? 国内一些厂家采用盐酸进行定量控制滴加氯酸钠的方法 生成二氧化氯, 这种设备有的可以获得最高不超过 50% 的二 氧化氯和大于 50% 的氯气。

一般来说, 氯酸钠与盐酸发生反应过程比较复杂一些。 如果使用稀盐酸反应, 生成物可以获得二氧化氯和氯气的混 合物气体, 但规模制备还必须设防爆装置, 操作也必须十分小 心, 因为二氧化氯受热很容易爆炸性分解:

N aC Ol3 + H C l( 稀 ) N aC l+ C l2 + 2C Ol2 + 2H2O

实际上, 这个反应也是分为两步完成的, 氯酸钠先同盐酸 反应生成氯酸和氯化钠, 氯酸随后分解成二氧化 氯、氯气 和水。

当使用浓盐酸与氯酸钠反应时, 生成物中只有氯气放出, 而没有二氧化氯气体:

NaC l O3 + 6HC l(浓 ) ?? NaC l+ 3C l 2 ?? + 3H2O

很显然, 在某一中间范围的盐酸浓度中, 上述两种反应均 有发生, 可将上两反应方程式相加表述为:

C lO-3 + 7C l- + H + 4C l2 + 2C lO2 + 5H2O

从上面方程表达式是来看, 盐酸同氯酸钠反应生成的二 氧化氯含量是很不稳定的, 所生成气体主要部分还是氯气, 少 量为二氧化氯。

由于制取二氧化氯需要使用氯酸钠或者氯酸钾, 所以运 行成本很高, 大约为次氯酸钠运行成本的 5倍以上。此外, 由于盐酸容易挥发, 并具有强烈腐蚀性, 因此, 在管理上相对比 较麻烦, 需要较多的安全容器来储存保管。

在工业上, 有一种制备二氧化氯水溶液的工艺, 工艺比较 复杂, 具体方法是: 让二氧化氮由底部向上通过一个填充塔, 而氯酸钠溶液由上往下流动, 反应方程式表达如下:

C lO-3 + NO2 NO3- + C lO2

这种水溶液浓度不高, 处理起来比较安全 (水溶液中二氧 化氯含量超高 30% 时处理不当也会引起爆炸 ), 溶解实际上 是一个物理过程。置于日光下时, 溶液会缓慢地分解成酸的 混合物。但是, 这种方式的运行成本更高, 一般也不用于生活 饮用水中消毒。

通常认为, 二氧化氯的消毒原理也是和氯气一样, 少量二 氧化氯先同水发生反应产生亚氯酸 H C Ol 2, 亚氯酸是一种相 当弱的弱酸, 具有氧化漂白作用。

2C lO2 + H2 O HC lO2 + HC lO 3

工业上一般并不直接使用二氧化氯, 而是应用亚氯酸钠 溶液进行漂白。通过将立时产生的二氧化氯水溶液和过氧化 钠混合即可得到单一的亚氯酸钠。

2C Ol2 + N a2O2 2N aC Ol 2 + O2

亚氯酸钠是一种软性漂白剂, 通过水解逐步释放出亚氯 酸, 可以漂白许多天然和合成纤维而不会使它们降解, 也可以 漂白油、油漆和蜂蜡等。这一技术的出现和运用在时间上并不长。诚然, 使用该技术, 从设备投资到运行成本都是很高的, 小规模的企业都难以承受。