次氯酸鈉廣泛運(yùn)用于給水、排水工程及其它領(lǐng)域之中,可以進(jìn)行消毒、漂白、助凝、抑制絲狀菌、洗膜等等,作為一篇科普+專(zhuān)業(yè)類(lèi)文章,本文從次鈉的自身性質(zhì)及作用機(jī)理談起,方方面面討論一下次鈉。
一、次氯酸鈉的性質(zhì)
次氯酸鈉是一種無(wú)機(jī)物,分子式為NaClO,在沒(méi)有作為廣泛的水類(lèi)消毒劑之前,廣泛用于漂白、消毒中,近幾年來(lái),隨著氯氣及二氧化氯的弊端漸露,采用次鈉消毒大有取代了氯氣及二氧化氯消毒趨勢(shì),成為水處理消毒的主流消毒工藝。
次氯酸鈉消毒液一般成微黃色液體,顏色和二氧化氯溶液差不多,溶液隨著次鈉濃度的增加,黃色漸深,一般含量在13%的濃度達(dá)到極限,再高會(huì)有不少結(jié)晶析出,次鈉屬于強(qiáng)堿弱酸鹽,見(jiàn)光、遇熱均容易分解,生成氯化鈉和氧氣,此外次鈉屬于?;?5%以上溶液),但等級(jí)不高,在《危險(xiǎn)化學(xué)品名錄(2015版)》中:次氯酸鈉溶液[含有效氯>5%]的危險(xiǎn)貨物編號(hào)是:83501;別名:漂白水;UN號(hào):1791;CAS號(hào):7681-52-9。
二、次氯酸鈉的作用
1、消毒作用
消毒作用是次鈉的主要的作用之一,作為氯類(lèi)消毒劑,其消毒機(jī)理和氯氣基本相同,主流認(rèn)為有以下兩種:
其一是次氯酸鈉在水中水解成次氯酸:
NaC1O+H2O=NaOH+HC1O
HClO =HCl+{O}
而后次氯酸分解生成新生態(tài)氧,生態(tài)氧的極強(qiáng)氧化性使菌體和病毒的蛋白質(zhì)變性,從而使病源微生物致死;
其二是認(rèn)為次氯酸不僅可與細(xì)胞壁發(fā)生作用,且因分子小,不帶電荷所以可以侵入細(xì)胞內(nèi)與蛋白質(zhì)發(fā)生氧化作用,破壞其磷酸脫氫酶,使得其糖代謝失調(diào)死亡:
R-NH-R+HC1O=RNC+H2O
個(gè)人認(rèn)為,兩種反應(yīng)應(yīng)該都有作用。
在作為給水消毒劑的時(shí)候,一般后加氯投加量可以在2mg/l有效氯左右,而前加氯視原水特點(diǎn)而定,前后加氯量最好進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn),如果遇到水中有氨氮的時(shí)候,會(huì)發(fā)生折點(diǎn)加氯效應(yīng),更應(yīng)該進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行投加。
次鈉的投加點(diǎn)可以有多個(gè),一般設(shè)置在配水井、出水跌落井、消毒專(zhuān)用混合井等利于次鈉混合的地方,接觸時(shí)間不得小于30分鐘,但一些廠將次鈉投加點(diǎn)設(shè)置在濾池進(jìn)水端,認(rèn)為定量投加可以有利于濾砂的反洗,我個(gè)人是不推薦的,因?yàn)榇吴c的投加將破壞濾砂的生物作用,削弱濾砂的過(guò)濾效果,且影響后續(xù)投加的計(jì)量計(jì)算。
在作為污水的消毒劑的時(shí)候,投加量一般是自來(lái)水消毒的3~7倍,實(shí)際投加量也應(yīng)以小試實(shí)驗(yàn)作為指導(dǎo);投加點(diǎn)一般設(shè)置在總出水點(diǎn),如深床濾池出水處,生物濾池出水處,也可以設(shè)置在二沉池的出水處,并設(shè)置專(zhuān)門(mén)的清水池容納消毒后的水體,現(xiàn)階段,次鈉消毒多用在有深度處理的水廠,而沒(méi)有深度處理的水廠由于執(zhí)行排放標(biāo)準(zhǔn)較低,較少使用。
由于次鈉也是屬于氯類(lèi)消毒劑,其消毒機(jī)理也和氯氣一樣,所以副產(chǎn)物基本也和氯氣一樣,主要會(huì)產(chǎn)生一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三鹵甲烷、三溴甲烷等等,產(chǎn)生計(jì)量和投加量成正比例關(guān)系,但是值得注意的是,次鈉產(chǎn)生這些消毒副產(chǎn)物的量要比氯氣要少得多,所以相對(duì)氯氣來(lái)水,次鈉消毒又是較為安全的,需要主要的是,次鈉消毒還會(huì)產(chǎn)生二氧化氯消毒特有的消毒副產(chǎn)物,氯酸鹽及亞氯酸鹽,主要原因其實(shí)和次鈉本身沒(méi)有太大關(guān)系,主要還是由于久置后分解反應(yīng)和歧化反應(yīng)產(chǎn)生,其產(chǎn)生機(jī)理為:
分解反應(yīng):2NaC1O=2NaC1+O2
歧化反應(yīng):3NaC1O=2NaC1+NaC1O3
反應(yīng)過(guò)程中實(shí)際上氯酸鹽是亞氯酸鹽進(jìn)一步氧化得到,這里就不多論述了。
影響消毒效果的主要有PH、水溫、接觸時(shí)間、濁度、加氯量幾項(xiàng),加氯量很好理解,投加量越大消毒效果越好,但給水中需要考慮出水的性狀及副產(chǎn)物,所以投加量不宜過(guò)大,而渾濁度也好理解,水中雜質(zhì)越多,消耗的加氯量越大,所以投加點(diǎn)一般放在濾后的原因就在于此。而PH主要影響的是次鈉水解后生成次氯酸的多少,一般PH越高效果越差,一般不宜超過(guò)7.5,接觸時(shí)間前文已有論述,此處不再論述;水溫主要體現(xiàn)在影響余氯的損耗上,水溫越高余氯的損耗速度越快,但水溫越高殺毒效果也越好,此項(xiàng)一般不需特別調(diào)整,大部分地區(qū)的常溫即可。
2、氧化助凝、除藻及除鐵錳的作用
氯類(lèi)消毒劑由于強(qiáng)氧化性,幾乎都有助凝的作用,助凝作用在給水中用的較多,在污水中使用的較少。含藻類(lèi)原水是我國(guó)常見(jiàn)的原水類(lèi)型,藻類(lèi)本身及其代謝產(chǎn)物帶負(fù)電荷不容易被混凝去除,同時(shí)也會(huì)于水中的金屬離子絡(luò)合穿透濾池影響出水水質(zhì),而且藻類(lèi)吸附力極強(qiáng),會(huì)粘附在濾池表面影響過(guò)濾效果,縮短濾池壽命,而加氯對(duì)藻類(lèi)有抑制和滅除作用,從而改善后期混凝效果。從實(shí)際上來(lái)看,無(wú)論是氯氣還是次鈉,對(duì)藻類(lèi)的去除效果還是比較有限的,比臭氧及高錳酸鉀要弱,而且由于投加量有限制,所以在高藻類(lèi)的地區(qū)建議還是以高錳酸鉀或者臭氧結(jié)合氣浮去除藻類(lèi)。次鈉還有一個(gè)作用就是氧化鐵錳類(lèi)物質(zhì)起到后去絮凝沉淀去除的作用,但是實(shí)際上和藻類(lèi)一樣,次鈉氧化鐵錳的能力很弱,而且對(duì)PH的要求比較高,比他哥們二氧化氯要弱很多,所以在錳鐵超標(biāo)的地方建議采用高錳酸鉀預(yù)氧化去除鐵錳。
3、脫色及漂白的作用
次鈉的脫色作用主要是由于其有氧化性的作用,一般需要和混凝沉淀合用,次鈉的脫色作用主要也是展現(xiàn)在對(duì)有色物質(zhì)的氧化上,比如對(duì)將水中鐵從二價(jià)氧化為三價(jià),然后通過(guò)混凝將三價(jià)鐵沉淀下來(lái),完成水體脫色,或者將水體中一些帶顏色的有機(jī)物氧化后混凝沉淀下來(lái),起到脫色的作用。
而次鈉的漂白作用還是比較強(qiáng)的,筆者有幸在安裝次鈉設(shè)備的時(shí)候黃色襯衣被碰到,結(jié)果一大塊變成了不倫不類(lèi)的黃白色,其基本作用機(jī)理很簡(jiǎn)單:
HClO =HCl+{O}
其中的新生態(tài)氧氣,具有很強(qiáng)的氧化性,能將不少有機(jī)染料發(fā)生作用,起到漂白的作用。
三、次鈉的制備
工業(yè)上大規(guī)模制取次氯酸鈉的化學(xué)反應(yīng)為:
Cl2+2NaOH=NaCl+NaClO +H2O
其成品次鈉有效氯含量在10%-13%,成品次鈉遵循中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):次氯酸鈉(GB 19106-2013)要求,次鈉本身分為A等品和B等品兩大類(lèi),A和B下面又各自分為3小類(lèi),A型主要用于消毒、殺菌等作用,B等品主要是工業(yè)作用,兩者主要區(qū)別在于是否對(duì)重金屬含量存在要求。
近幾年來(lái),電解次鈉發(fā)展迅猛,已經(jīng)趨于成熟,實(shí)際上電解次鈉并不是近幾年才出現(xiàn)的,但是之前技術(shù)一直不算成熟,基本停留在陽(yáng)離子隔膜法制取的辦法之上,雖然隔膜法制取的次鈉純度高,但是相應(yīng)的昂貴的但不耐用的隔膜阻礙了電解次鈉的運(yùn)用,還有一個(gè)阻礙的因素就是電極,早些年的電極涂料及壽命比較差,技術(shù)并不成熟。但,電解次鈉經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展,當(dāng)初的技術(shù)瓶頸均已突破,加上本身原料來(lái)源簡(jiǎn)單,濃度低基本不存在成品次鈉的腐蝕、結(jié)垢、衰減的溫度,所里越來(lái)越多的污水廠及水廠選用了電解次鈉消毒。
水處理行業(yè)一般使用的是電解稀食鹽水的辦法制取次氯酸鈉,其工作原理為:
NaCl + H2O → NaClO + H2↑
電極反應(yīng):
陽(yáng)極:2Cl- - 2e → Cl2
陰極:2H+ + 2e → H2
溶液反應(yīng):2NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O
電解法制取的次氯酸鈉濃度一般為0.6%-0.9%,一套次氯酸鈉發(fā)生器一般包括:溶鹽系統(tǒng)、軟水系統(tǒng)、溶液配比系統(tǒng)、電解系統(tǒng)、儲(chǔ)藥及投加系統(tǒng)、排氫系統(tǒng)、酸洗系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及PLC系統(tǒng)。
?、偃茺}系統(tǒng)。溶鹽系統(tǒng)即為將工業(yè)級(jí)精鹽配置成飽和食鹽水的系統(tǒng),主要由溶鹽罐(食品級(jí)PE材質(zhì))及計(jì)量泵組成,溶鹽罐預(yù)先將軟化水注入溶鹽罐中,然后由人工將鹽按照設(shè)計(jì)的比例倒入溶鹽罐制成飽和食鹽水,根據(jù)中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn):次氯酸鈉發(fā)生器GB 12176-90標(biāo)準(zhǔn)。
②軟水系統(tǒng)。由于一般水體中均含有相當(dāng)濃度的鈣鎂離子,為防止鈣鎂離子在之后的流程中產(chǎn)生沉淀所以對(duì)飽和食鹽水進(jìn)行軟化處理,主要就是將溶鹽罐中的飽和食鹽水通入軟水器中進(jìn)行軟化,去除鈣鎂離子,軟水器中,軟水器中去除鈣鎂離子的主要“樹(shù)脂粒”,該物質(zhì)與水的鈣鎂離子進(jìn)行離子交換達(dá)到軟化水的目的。軟水器需要定期反沖洗,反沖洗時(shí)間一般為一周,反沖洗歷時(shí)一般為半小時(shí),“樹(shù)脂粒”壽命約為三年。
?、廴芤号浔认到y(tǒng)。溶液配比系統(tǒng)即為將軟化后的飽和食鹽水配比成濃度約為2.5%-4%的稀食鹽水,系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單,通過(guò)PLC按一定比例將軟化水注入飽和食鹽水中。
④電解系統(tǒng)。電解系統(tǒng)為電解法制取次氯酸鈉的核心系統(tǒng),電解系統(tǒng)又由電解槽、電極、整流系統(tǒng)、及循環(huán)冷卻系統(tǒng)組成,電解槽一般采用有機(jī)玻璃或耐腐蝕材料制成。
而電極而位于電解槽的中心位置。
一般電極采用純鈦制作,壽命約4-6年,在電解過(guò)程中需控制電解溫度在40度以下。
?、菖艢湎到y(tǒng)。由于電解法制取次氯酸鈉無(wú)可避免的會(huì)產(chǎn)生氫氣,氫氣為易燃易爆氣體,氫氣的爆燃點(diǎn)為4%,所以對(duì)氫氣一般的處理方法為稀釋及強(qiáng)排,簡(jiǎn)單的說(shuō)就是根據(jù)系統(tǒng)產(chǎn)生的氫氣量設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī),將所產(chǎn)生的氫氣稀釋并排出室外,進(jìn)入大氣。
⑥酸洗系統(tǒng)。雖然使用了軟化系統(tǒng),但是電解槽使用久之后無(wú)可避免的會(huì)結(jié)垢附著與電極之上,此時(shí)需要對(duì)電極進(jìn)行酸洗,酸洗由PLC控制,采用檸檬酸進(jìn)行酸洗,一般半年一次。
四、次鈉的存儲(chǔ)與投加
近幾年來(lái),隨著給水、排水工程的蓬勃發(fā)展,一些地區(qū)為生產(chǎn)次鈉自建化工城,制造有涉水許可證的成品次鈉,大部分地區(qū)依然還是遵循采用國(guó)標(biāo)(GB 19106-2013)要求的次鈉,使用成品次鈉好處很多,最大的優(yōu)點(diǎn)就是不用擔(dān)心“在自己廠里又建一個(gè)迷你化工廠的問(wèn)題”,而且成品次鈉一次性投資省,后期維護(hù)成本低,在擁有穩(wěn)定的貨源的和較低的運(yùn)費(fèi)的基礎(chǔ)上是不錯(cuò)選擇。
值得注意的是,成品次鈉需要注意2個(gè)問(wèn)題:
1、衰減及存儲(chǔ)
一般來(lái)說(shuō)次鈉濃度越高衰減越快,根據(jù)作者自身的一些研究,成品次鈉衰減的罪魁禍?zhǔn)子?個(gè),一個(gè)是紫外線(xiàn),一個(gè)是溫度,一般來(lái)說(shuō)在遮光的室溫條件下10%成品次鈉衰減到5%在120天左右,再往下衰減速度陡然變慢,所以不少文章認(rèn)為稀釋成5%存放是可以的,實(shí)際上由于10%次鈉的稀釋需要軟水,而不少地區(qū)的自來(lái)水的硬度均在100以上,稀釋的時(shí)候會(huì)大量結(jié)垢,而水軟化需要上設(shè)備,所以一般建議10%成品次鈉在保存在7日左右用完,在短期用完還有一個(gè)好處就是可以減少氯酸鹽個(gè)亞氯酸鹽的產(chǎn)生。次鈉有腐蝕性和易分解性,所以在存儲(chǔ)中盡量采用遮光及耐腐蝕的材料保存,PE桶是個(gè)不錯(cuò)的選擇,在采用PE桶的時(shí)候,可以留有一個(gè)出氣的通道,預(yù)防積氣。
2、成品次鈉宜采用單獨(dú)投加
成品次鈉宜采用單獨(dú)投加而不要想二氧化氯那樣利用廠用水帶至投加點(diǎn),因?yàn)檫@樣會(huì)使管道迅速結(jié)垢,反應(yīng)機(jī)理為:
NaClO有見(jiàn)光或遇熱分解的特性,在NaClO生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、投加的過(guò)程中,NaClO溶液分解 ,生成 NaOH 、NaC1和Na2CO3 等雜質(zhì);反應(yīng)方程式如式(1)、(2)、(3)所示 :
(1) NaClO+H20=HClO+NaOH
(2) 2NaClO=2NaCl+02
(3) 2NaOH+CO2=Na2CO3+H20
其中的CO32-及OH-隨著NaClO溶液的投加進(jìn)入加藥管道,CO32-及OH-與壓力水中的Mg2+及Ca2+發(fā)生化學(xué)反應(yīng),產(chǎn)生CaCO3沉淀。反應(yīng)方程式如式(4)、(5)、(6)所示 :
(4)OH-+HCO3- —H20+CO32-
(5)Ca2++CO32-—CaCO3
(6)Mg2++CO32-—MgCO3
所以投加的時(shí)候盡量采用原液投加,管道可以盡量采用CPVC或者UPVC管道,這些管道抗腐蝕能力均不錯(cuò)。
五、對(duì)采用次鈉來(lái)去除氨氮的看法
次鈉用來(lái)降低氨氮的化學(xué)反應(yīng)式為:
2NH3+3NaClO→N2↑+3H2O+3NaCl
實(shí)際上在常溫及中性的PH中,投加適量的次鈉溶液反應(yīng)基本上會(huì)進(jìn)行至三步,第三步也是自來(lái)水上常用的氯氨消毒法的一般原理,而要進(jìn)行到第五步反應(yīng)需要較為合適的PH、溫度的支持及大量投加次鈉來(lái)支持,根據(jù)相關(guān)研究,有效氯投加量(以Cl2計(jì))與氨氮的量的比值在1.5:1的情況下能達(dá)到去除氨氮的最大效率,實(shí)際上,由于污水中的雜質(zhì)較多,渾濁度較高,大量的雜質(zhì)嚴(yán)重耗費(fèi)了次氯,所以一般次鈉投加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止1.5:1。在氨氮超標(biāo)不高的情況下,采用次鈉投加去除氨氮,是可行的,但是一旦遇到超標(biāo)嚴(yán)重,采用次鈉來(lái)去除,成本太高,還帶來(lái)大量副產(chǎn)物,并不實(shí)用。
原標(biāo)題:十年經(jīng)驗(yàn)總結(jié),次氯酸鈉在水處理中的應(yīng)用!