談生活用水中心二氧化氯消毒

賈巧玲

水的消毒是指用化學和物理方法殺滅生活用水、城市污水和工業廢水中的病原體(病原菌、病毒、寄生蟲卵)，以防止疾病的傳染，維護人體健康。消毒方法有物理方法和化學方法，物理方法主要有機械過濾、加熱、冷凍、輻射、微電解、紫外線和微波消毒等等;化學方法主要有氯、二氧化氯、臭氧、氯胺、鹵素、金屬離子(銀和銅)、陰離子表面活性劑及其他殺生劑等等。但由于二氧化氯具有廣譜、高效(殺菌能力強)、安全(幾乎不產生三鹵甲烷及其他鹵化物)等優越性，現已被我國廣泛應用。

1 二氧化氯性質

1)物理性質:二氧化氯在常溫下為黃綠色～橙黃色氣體(顏色取決于濃度)，溶點－59℃，沸點11℃，密度3.09 g/L(11℃)，冷水中溶解度為2.9 g/L(即4℃時的溶解度)，熱水中分解成HClO2，Cl2和O2。二氧化氯易溶于水，當空氣中的含量大于10%或水溶液含量大于30%時都易于發生爆炸，但不和水起化學反應，在水中極易揮發，敞開存放時能被光分解，因此不宜貯存。

2)化學性質:分子式為ClO2，化合價為+4價，結構為Cl原子以sp2雜化軌道形成σ鍵，分子為V形分子，鍵角為117.4°。分子中還存在一個離域π鍵垂直于分子平面，鍵長147 pm。如果ClO2得到一個電子將變成ClO－2，實驗測定證明ClO－2中OClO鍵角為110.5°，鍵長為156 pm，同時二氧化氯得到進一步穩定，這也是制備穩定性二氧化氯溶液或固體的化學基礎。

2 二氧化氯的制備

由于二氧化氯是一種極易爆炸的強氧化性氣體，在生產和使用時必須避免光照、振動或受熱，因此二氧化氯的制備方法一直是科學家長期尋求解決的問題。二氧化氯制備方法分為化學法和電解法。

2.1 化學法

1)氯酸鈉與濃鹽酸反應(全鹽酸法或開斯汀法):反應方程式為:2NaClO3+4HCl=2NaCl+Cl2↑ +2ClO2↑ +2H2O，此方法二氧化氯的產率只有50%左右，同時還產生了大量的氯氣，而且產品難以分離，同時受到反應溫度和鹽酸濃度的影響。但由于運行成本低，工藝簡單，操作容易，因此國內大多采用此法。2)草酸還原法:反應方程式為:H2C2O4+2NaClO3+H2SO4=Na2SO4+2CO2↑+2ClO2↑+2H2O，此法是科學家研究的一種新方法，最大特點是由于反應過程中生成的二氧化碳的稀釋作用，大大提高了生產及儲存、運輸的安全性。3)亞氯酸鈉與氯氣反應法:反應方程式為:2NaClO2+Cl2=2NaCl+2ClO2↑，是我國科學家經過科學探索發現一種優于歐洲的制備方法，將經干燥空氣稀釋的氯氣通入填充有固體亞氯酸鈉的反應柱內制得，此法安全性好，沒有產生毒副

2.2 電解法

2.2.1 常規電解法

反應方程式:

此法特點是原料易得、工藝清潔、沒有污染物排放。但由于隔膜和電極壽命有限，易腐蝕老化，產率低，運行維護困難。

2.2.2 新型電解法

反應方程式:2NaClO2+2H2O→2NaOH+2ClO2↑ +H2↑，此法優點是只需使用亞氯酸鈉一種原料，同時其正極的電解液必須進行脫氣，以確保高的轉化率。產品。4)亞氯酸鈉與稀鹽酸(10%)反應:反應方程式為:5NaClO2+4HCl=5NaCl+4ClO2↑+2H2O，這是一個自氧化還原反應，亞氯酸鈉既是氧化劑又是還原劑，鹽酸是酸化劑，二氧化氯實際產率可達95%以上。

表1 二氧化氯與其他消毒劑比較結果

3 二氧化氯的殺菌、消毒及除臭機理

1)殺菌機理:ClO2對細胞壁有較好的吸附和透過作用，可有效地氧化細胞內含硫基的酶，抑制微生物蛋白質的合成。另外ClO2不需要載體蛋白運輸，就可以透過微生物細胞膜進入細胞內部，從而殺菌性極強。2)控制藻類機理:ClO2可以有效地控制藻類以及由此而產生的異味，并能控制產生異味的防線菌。原因是由于其對葉綠素的吡咯環有一定的親和性，與之反應，生成無臭無味的產物，ClO2氧化葉綠素，植物的新陳代謝終止，使得蛋白質的合成中斷。此外，藻類中產生氣味的組織經處理后也無臭無味。3)消毒機理:ClO2的氧化性可將有毒物轉化為無毒物。常見有毒物轉化方式如下:S2－→SO2－4，CN－→CO2+N2，NH－2→N2+H2O，苯酚→對苯醌。4)除臭機理:惡臭氣味主要來自硫醇、硫醚、其他無機硫化物以及胺類等物質(含H2S，—SH，—S—，—NH2等集團)。ClO2能與這些物質發生脫水反應，使其迅速氧化為其他物質，能阻止蛋氨酸分解成乙烯，也能破壞已形成的乙烯，延緩腐爛。5)脫色機理:ClO2能將染料中的發色集團和助色集團氧化破壞，從而達到脫色的目的。

4 二氧化氯與其他消毒劑的比較

4.1 綜合比較

二氧化氯與其他消毒劑的比較見表1。

4.2 ClO2的優點

1)用量少，作用快，持續時間長。ClO2溶于水后，在水中的擴散速度與滲透能力都比氯快，溶解度約為氯的5倍，氧化能力是氯的2.63倍。特別在低濃度時更突出。當細菌濃度在105個/cm3～106個/cm3時，0.5 mg/L的ClO2作用5 min后即可殺滅99%以上的厭氧菌，殺菌率維持4 h不變;而0.5 mg/L的氯氣殺菌率最高只能達到75%，只有當加入1.0 mg/L的氯氣時才能殺死99%的厭氧菌。在一般情況下，0.2 mg/L～0.25 mg/L的 ClO2可在5 min～15 min內殺滅肝炎病毒、性病病毒、腸道病毒、皰疹病毒、腦髓炎病毒等。此外，對水中的藻類、鐵細菌、硫酸鹽還原菌去除效果極佳。2)對環境的pH不敏感。ClO2的殺菌率基本不受介質pH值的影響。而在堿性條件下，氯大部分以殺菌較差的次氯酸根(ClO－)存在。根據報道，ClO－的殺菌效果是HOCl的5%～10%。這是因為ClO－帶負電，難于擴散到細菌表面。當pH＜5時，ClO－以100%的HOCl形式存在，而當pH＞9.5時，以100%的ClO－形式存在，水中沒有HOCl，所以殺菌效果大幅下降，這就是在pH值較高時殺菌效果較差的原因。3)屬于安全消毒劑。由于ClO2無致癌、致畸形和致突變性，世界衛生組織(WHO)將ClO2列為A1級安全消毒劑。而氯氣在水中與腐殖質等有機物通過氧化和取代反應進入有機分子形成氯仿或三氯甲烷(THMS)等有機氯化物，這些氯化物中的部分物質如THMS的致癌性逐漸被認識。如美國國家癌病研究所在20世紀70年代從加氯的自來水中檢出THMS等22種致癌或可疑致癌物質;清華大學1989年從加氯的自來水中發現2種強致突變物質。為此，人們對加氯自來水中的有機物給予了更多的關注。

5 二氧化氯的應用

ClO2是強氧化劑，是一種廣譜、高效、安全的消毒劑，特別是在水處理中具有殺菌、脫色、除臭、除味、控制藻類生長的作用。同時在其他領域中也得到廣泛的應用。

1)電力行業中的循環冷卻水系統中可有效控制微生物的生長和玷污，提高循環冷卻系統的工作效率。2)游泳池循環水、浴池水的滅菌消毒。3)餐廳、賓館、家庭、餐具和衛生設施的滅菌消毒。4)水果、蔬菜、魚肉食品的保鮮及最終淋洗消毒。5)魚蝦疾病防治、池水消毒與增氧殺滅甲肝病毒及蘑菇生產滅菌消毒、保鮮處理，達到防病、增產、提高質量的效果。6)中水回用中的滅菌與脫臭。7)面粉與各種食品的漂白劑。8)造紙、印染行業的漂白藥劑。9)石油管道中硫酸鹽還原菌的滅除。

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