二氧化氯制造工藝的選擇與分析

周騰龍

（廣東省安全生產技術中心有限公司，廣東 廣州 510000）

隨著城市化的不斷推進，新開發區域的配套設施也逐漸完備。然而在配套布置學校、醫院等敏感單位的同時，原有企業內重大危險源的安全距離就可能達不到標準要求。

佛山市某水廠日供應水量達到50萬m3，承擔著禪城區居民日常用水的重任。該水廠原采用前加氯及后加氯兩點加氯的消毒工藝，前加氯藥劑為液氯，投加位置在折板反應池配水井前，投加量為0.5～1.0mg／L；后加氯在進入清水池前的管道上，消毒劑采用液氯、液氨聯合投加，液氯投加量約0.8～1.0mg／L。液氯日使用量約為400kg，投加時采用氯瓶在線3用3備，離線3～5個氯瓶的儲存模式。每個氯瓶氯儲量為1 t，因此氯倉液氯儲量為9～11 t，已遠超其重大危險源的臨界量。然而，由于當地規劃于水廠旁新建一所學校，這就意味著水廠加氯間可能對學校有潛在的安全影響。為了既不影響區域供水需求，同時降低水廠對學校的安全影響，除了加強監控、泄露探測及氣瓶緊急自動關閉系統、增設泄露吸收裝置外，最重要的還是要盡可能減少液氯的庫存量，才能有效降低危險源的等級，以使其安全風險可以被公眾接受。

為保證凈水消毒效果，后加氯消毒工藝仍采用液氯、液氨聯用消毒工藝，而對前加氯消毒劑可采用液氯的替代物質，以此降低液氯使用量，并相應減少液氯的庫存量，保證水廠正常生產活動。

1 前加氯替代物選擇

前加氯的作用機理是利用氯的氧化水中的腐殖質和膠體，使之混凝沉淀，并有殺藻劑的作用。而滿足原水前處理要求的除了液氯外，還可選擇二氧化氯、臭氧、次氯酸鈉等，對比情況見表1。

表1 幾種前加氯替代藥劑對比

表1 （續）

根據表1的比較［1］，二氧化氯在四種對比藥劑中均居于居中的位置，也即其各方面的兼顧性相對較好，其作為替代前加氯消毒劑，具有如下優勢：可以有效改善原水的濁度、色度、嗅味及含藻量，同時可在前加氯階段氧化去除水體中的有機污染物，減少后續液氯消毒副產物，達到與液氯聯合協同消毒的最優效果；由于其具有較強的氧化性，可作為水源突發污染時一種有效的應急處理手段和措施。同時，二氧化氯的建設費用及運行成本相對較低。

2 二氧化氯制備工藝的選擇

二氧化氯由于較難儲存，使用時多為現場配制。化學法二氧化氯發生器按其生產工藝不同，主要分為以下兩大類：氧化法和還原法。

2.1 氧化法制備二氧化氯

氧化法制備二氧化氯原料一般為亞氯酸鈉和鹽酸，反應原理如下：

該工藝具有工藝簡單，產物中二氧化氯純度高等優點，是國外水廠二氧化氯發生器常用的工藝。我國目前亞氯酸鈉產生二氧化氯的發生器也基本都以此工藝為基礎。

采用亞氯酸鈉（NaClO2）和鹽酸（HCl）為原料，生產純二氧化氯溶液，其優點是：生產的二氧化氯溶液純度高，設備制造簡單。缺點是：采用的原料亞氯酸鈉屬于強氧化劑，性質活潑，遇碰撞或摩擦容易爆炸，水溶液濃度超過30%也容易發生爆炸，運輸及儲存要求嚴格，并且生產成本較高，生產1gnm有效氯原料消耗成本為0.016～0.02元左右。

2.2 還原法制備二氧化氯

1）復合法制備工藝。復合法制備工藝一般采用氯酸鈉（NaClO3）和鹽酸（HCl）為原料，生產二氧化氯和氯氣復合消毒劑，其優點是：復合消毒劑具有協同、高效殺菌效果，原料儲存、使用安全，價格便宜，運行成本低，生產1 g有效氯原料消耗成本為0.004～0.006元。但是復合法也存在二氧化氯的轉化率較低，一般有效轉化率只有50%左右，只有加大氯氣的投加量才能提高二氧化氯的轉化率，但是反應物中氯氣的含量也會提高，從而失去了二氧化氯投加的意義。

2）高純型制備工藝。高純法制備工藝一般采用氯酸鈉和硫酸作為主要原料，并加入適量的還原劑生產純二氧化氯溶液，常用的還原劑有雙氧水、蔗糖、尿素等。其優點是：生產的二氧化氯溶液純度高，要求不小于95%，設備價格適中，原料比亞氯酸鈉便宜，生產1 g有效氯原料消耗成本為0.005～0.006元，接近復合型發生器運行費用，生產成本適中。

復合法和高純法制備工藝的分析比較見表2。

表2 復合法與高純法工藝比較

根據以上比較［2-3］，復合法雖然具有設備投資低，使用范圍廣，但由于其具有產物中二氧化氯含量低，氧化性較差，原料的轉化率低等缺點，經綜合分析比較，高純法作為二氧化氯的制備工藝更具優越性。

高純法制備工藝一般采用氯酸鈉和硫酸作為主要原料，并加入適量的還原劑生產純二氧化氯溶液，常用的還原劑有甲醇、雙氧水、尿素等。根據高純法各制備工藝的特點，甲醇作還原劑制備法能夠生成的二氧化氯含量高，但在反應時需要投加CH3OH（即甲醇），由于甲醇的成本較高，且產品中常混有甲醇，而甲醇屬于有毒物質。因此，在飲用水處理上不適合采用。雙氧水法及尿素法兩種工藝法進行分析比較。見表3。

表3 兩種還原劑比較

根據特性分析，從二氧化氯生產角度采用雙氧水作還原劑制備工藝具有二氧化氯純度高，運行成本相對低等優點，但由于雙氧水可自行分解的化學特性，存在一定安全風險；如采取新工藝，將雙氧水與氯酸鈉溶液進行混裝等措施，可大大降低雙氧水的其濃度，在使用上就比較安全。目前，在國內用雙氧水作還原劑制備高純二氧化氯有比較多的成功運行案例，國內比較知名的幾個二氧化氯發生器生產廠家均采用該生產工藝。尿素工藝從二氧化氯生產工藝及還原劑特性來說，是比較適宜的制備工藝，生產原料性能穩定，使用安全，還原劑易于運輸和儲存，缺點是目前國內生產該工藝二氧化氯發生器的廠家相對較少，選擇性較少。

3 結論

經過對比，最終選擇利用雙氧水·氯酸鈉溶液及硫酸作為原料制二氧化氯來代替原有液氯作為前加氯，僅后加氯工序采用氯、氨聯合消毒，采用4用4備單罐0.5 t的氯氣瓶代替原有氯氣瓶，不再構成重大危險源。設備運行至今已有三年多時間，總體運行平穩，二氧化氯產生穩定，管網中有效氯含量穩定，達到了預期效果。