二氧化氯發生器在工業循環冷卻水處理中的應用

鄭 偉 潘 姣 姚 蕾

（東北制藥集團股份有限公司，遼寧 沈陽110027）

0 引言

工業循環冷卻水系統是醫藥、化工、制冷、食品等行業中常見的公用工程系統。在生產運行中，由于循環冷卻水系統的特殊生態環境，導致微生物很容易在其中大量繁殖，并且混雜無機物、泥沙、灰塵等形成生物粘泥沉積在金屬表面，使設備傳熱效率降低，誘導金屬腐蝕，嚴重時會造成管路堵塞，給生產帶來影響。所以，微生物的控制成了制約循環冷卻水系統成功運行的主要因素。

控制冷卻水系統中微生物生長最直接的方法是投加殺菌劑。常見的殺菌劑有液態Cl2、NaClO、ClO2、ClC6H4OH、季銨鹽、有機胺類等，選擇原則是能夠有效抑制菌藻生長、使用成本低、不影響循環水中其他添加劑的效果。

1 ClO2殺菌劑

ClO2是國內外公認的高效、廣譜、快速、安全無毒的水處理劑，是目前實踐中使用最理想的殺菌消毒劑，其應用領域涉及水處理、飲食、造紙、食品等多個行業。

ClO2殺菌機理是強氧化降解，其在酸性條件下具有很強的氧化作用，可以氧化水中的還原型酸根，如S2－、SO2－3等；還能氧化有機化合物形式的Fe2＋、Mn2＋等及水中殘存有機物。

ClO2是一種安全高效的強力殺菌劑，其有效氯是Cl2的2．63倍，殺菌效果是Cl2的5倍、NaClO的50倍以上。它可以在pH＝3～9范圍內有效殺滅細菌，投加量小，殺生速度快，藥效時間長，使用安全，不污染環境。ClO2用于循環水處理，與水中Fe2＋和Mn2＋化合物相作用，可消除水中的臭味，控制水中藻類生長，清除渾濁。

由于ClO2的不穩定性和高濃度時的易爆性，目前國內外使用的ClO2殺菌劑大多采用ClO2發生器現場制備或穩態ClO2現場活化。

2 ClO2發生器簡介

現場制備ClO2的裝置叫做ClO2發生器，其通常有兩種類型，一種是通過電解食鹽水，產生以ClO2為主，含Cl2、O3、H2O2等多種強氧化混合氣體的設備；另一種是通過化學方法制備ClO2的發生器，是目前應用較廣泛的設備。根據原料不同可分為NaClO3工藝和NaClO2工藝，兩者的主要工作原理基本相同，即以HCl與NaClO3或NaClO2溶液在一定溫度和負壓下反應，生成ClO2和Cl2的混合氣體，再將生成的氣體經水射器吸收制成一定濃度的消毒液，即可通入待處理的水中使用。制取流程示意圖如圖1所示。

圖1 ClO2發生器工作流程示意圖

NaClO3工藝和NaClO2工藝在生產成本及ClO2的轉化率方面存在著不同。

（1）NaClO3工藝反應方程式為：

此工藝中ClO2的有效轉化率一般只有50%左右，并且受到反應溫度和HCl濃度的影響。要提高ClO2的轉化率，必須保持較高的反應溫度（約70℃）和加大HCl的過剩量。

（2）NaClO2工藝常見的反應原理有以下2種：

反應式（1）是自氧化還原反應，NaClO2既是氧化劑又是還原劑，HCl是酸化劑。因此，理論上有20%的NaClO2被還原成NaCl，如果以NaClO2轉化為ClO2為有效轉化來計，其最高有效轉化率只有80%。但從產物中ClO2的實際收率來看，通常可以達到95%以上。反應式（2）中Cl2作為還原劑參與反應，使NaClO2的有效轉化率理論上可達到100%，在產物中，ClO2純度同樣可達到95%以上。

由于NaClO3價格遠低于NaClO2，以制取1kg ClO2來計，NaClO2法的成本約為NaClO3法的2倍左右，所以NaClO3法是目前使用比較廣泛的ClO2制取工藝。

3 ClO2發生器在工業循環冷卻水系統中的應用

3．1 ClO2投加濃度

為保證冷卻循環水系統中ClO2的濃度，以保持殺生能力，日常控制菌藻每天ClO2可按0．5～1ppm濃度投加，每月1～2次沖擊性投加ClO22～5ppm用于系統剝泥、除藻等；同時還可根據季節菌藻生長速度的不同，選擇不同的投加方式。

3．2 ClO2發生器類型及投加位置選擇

為不影響工業循環冷卻水系統的正常運轉，同時保證ClO2發生器生成的消毒液快速被循環水吸收并混合均勻，發揮作用，多采用管道投加方式，所以應選擇可帶壓（0．3～0．4MPa）投加的ClO2發生器。對于一些循環水系統的改造項目，在考慮增加ClO2發生器時，由于空間、位置等限制，通常會選擇可帶壓投加的ClO2發生器。

在發生量規格的選用方面，一般按保有水量每千噸投加ClO2500～1 000g，投藥開機時間以2h來計算，其公式如下：

保有水量（t）×（0．5～1）（g／t）÷2（h）＝確定規格（g／h）

按此方法選用的設備在作沖擊性投藥的時候，可延長開機操作時間，以滿足沖擊性投藥需要。

在投加位置的選擇上一般選擇投加點在進入換熱器之前的管道里，這樣一方面避免了ClO2的揮發損失，另一方面可使其盡快進入換熱器發揮剝泥效能。

4 ClO2發生器的應用實例及經濟性比較

4．1 應用實例

某企業循環水系統原采用交替投加優氯凈、穩態ClO2等處理方式，由于成本高、投加不方便、藥效不穩定等原因，改采用1臺ClO2發生器（型號為OTH1000）來代替投藥。實際運行后，對循環水系統的殺菌效果明顯，對緩蝕阻垢劑無影響，規定濃度下與水中其他藥劑彼此相容，具有良好的除垢和清洗剝泥效果。

4．2 經濟性比較

4．2．1 ClO2發生器

ClO2發生器額定產氣量為1 000g／h，平均每45min消耗NaClO32．5kg，HCl 5kg，每天運行2～3h，每月原料消耗費用為：

［（2．5kg×3．8元／kg＋5kg×0．3元／kg）／0．75h］×2．5h×30天＝1 100元

電費為：

0．75kW×2．5h／天×30天×0．55元／kW·h＝31元每月總費用為1 131元。

4．2．2 穩態ClO2消毒劑（含2%ClO2）

目前穩態ClO2消毒劑5 000元／t左右，每月使用1t，月費用5 000元。

兩者比較，改造后每年節約循環水處理費用約4．6萬元。使用ClO2發生器后，循環水系統運行穩定，水質得到有效保證，提高了設備的換熱效率，節省了大量的清洗費用。

5 結語

ClO2發生器產生的消毒液可有效殺滅循環冷卻水中的細菌和藻類，而且對緩蝕阻垢劑無影響，規定濃度下與水中其他藥劑彼此相容，具有良好的除垢和清洗剝泥效果，不產生環境污染物，運行費用比投加其他殺菌劑顯著減少。因此，ClO2發生器在醫藥、化工、電力等行業的循環冷卻水處理中有很好的經濟效益和環境效益，并且在飲用水／游泳池水消毒、醫院廢水處理等方面具有廣闊的應用前景。