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第 第 PAGE 1 頁 共 NUMPAGES 1 頁二氧化氯（ClO2）在飲用水處理中的應(yīng)用（劉粵明）摘 要：消毒通常是傳統(tǒng)飲用水處理工藝關(guān)鍵一步，從而保證了水質(zhì)的安全可靠。加入到水中消毒劑可以從根本上消除或是抑制傳播水生疾病的病菌，就目前來說，氯氣（Cl2）以及次氯酸鹽（ClO-）是給水處理工業(yè)當(dāng)中最常見的消毒劑。由于認(rèn)識到加氯消毒副產(chǎn)品的危害，現(xiàn)在研究人員越來越多的把目光投向了其他的替代消毒劑。主要從水處理替代消毒劑二氧化氯（ClO2）的制造，氧化方式乙炔報(bào)警器，消毒效率以及副產(chǎn)物等方面進(jìn)行論述。 關(guān)鍵詞：飲用水處理、消毒、二氧化氯（ClO2）、PH值 1 二氧化氯（ClO2）消毒1.1簡介。二氧化氯是一種含氯的中性化合物，由于其在化學(xué)反應(yīng)中的單電子轉(zhuǎn)移能力，二氧化氯通常在水消毒的過程中被用作高效率的氧化劑，氧化還原反應(yīng)后的產(chǎn)物為亞氯酸根離子（ClO2-）。亞氯酸鹽與亞氯酸根離子之間的電離平衡常數(shù)相對較小,這也與次氯酸（HOCl）與其共軛堿對之間的電離平衡關(guān)系有著很大的不同,次氯酸的電離平衡反應(yīng)多發(fā)生在中性的PH范圍內(nèi),這就決定了在飲用水的應(yīng)用范圍內(nèi),水中的主要成分還是次氯酸根離子（ClO-）。

根據(jù)Werdehoff和Singer的研究,在使用二氧化氯進(jìn)行給水消毒的過程中,大約有50%到70%的二氧化氯被轉(zhuǎn)化成亞氯酸根離子（ClO2-），還有30%左右的ClO2被轉(zhuǎn)化成氯酸根離子（ClO3-）或氯離子（Cl-）。由于其超強(qiáng)的氧化能力，二氧化氯通常被用作初級或是二級消毒劑，并在對水中的氣、味控制；含氯消毒副產(chǎn)品的消除；鐵、錳離子的氧化，顏色調(diào)節(jié)以及硫化物和酚類物質(zhì)的去處方面有著廣泛的應(yīng)用。作為一種應(yīng)用水處理中的替代消毒劑，二氧化氯對于病毒，細(xì)菌等微生物的抑制能力要超出氯氣和氯氨類消毒劑。1.2二氧化氯的制取。因?yàn)槎趸染哂休^強(qiáng)的膨脹性并且在壓力下容易發(fā)生爆炸二氧化氯水中，因此二氧化氯不可以被壓縮或是簡單的以氣態(tài)的形式儲(chǔ)存。通常的情況下，二氧化氯多數(shù)是在現(xiàn)場制取。在給水消毒的應(yīng)用過程中，二氧化氯可以通過利用亞氯酸鹽（如NaClO2）分別與氯氣（Cl2）、次氯酸（HOCl）或是鹽酸（HCl）直接反應(yīng)而生成二氧化氯。具體的反應(yīng)過程如下所列：（1）直接與鹽酸的反應(yīng)：反應(yīng)一般發(fā)生在較低的PH值范圍內(nèi)柴油報(bào)警器，并且反應(yīng)速率較低。（2）亞氯酸鹽與氯氣的反應(yīng)：這是在水處理應(yīng)用中最為常見的制取二氧化氯的方式。反應(yīng)包括了兩個(gè)階段：第一，通過向水中通入過量的氯氣來生成次氯酸（HOCl）和鹽酸（HCl）；第二，次氯酸與亞氯酸鈉反應(yīng)生成二氧化氯。

為了提高亞氯酸鹽的使用率，通常需要向水中同入過量的氯氣，以生成足夠反應(yīng)的次氯酸。在反應(yīng)中，由于次氯酸的生成，從而降低了水的PH值，這將更加有利于反應(yīng)的正常進(jìn)行。通過這種方式來制取二氧化氯的反應(yīng)速率要比前一種方式來的快，但比較下面所介紹的第三種方法來說就相對較慢了。（3）氯氣直接與亞氯酸鹽反應(yīng)：此類反應(yīng)多發(fā)生在中性的PH值環(huán)境下，而且反應(yīng)速率相對較快。1.3通過氧化反應(yīng)去除水中的鐵、錳離子。鐵離子（Fe2+）和錳離子（Mn2+）是水中最為常見的兩種金屬離子，因此在飲用水處理的過程中，通常要采用一些特殊的方法來對水中的鐵、錳離子加以去除。其中最常見的方法就是通過加入強(qiáng)氧化劑來與鐵、錳離子反應(yīng)，從而生成沉淀物，再通過后續(xù)處理，例如沉淀和過濾加以去除。而由于二氧化氯具有很強(qiáng)的氧化性二氧化氯水中，因此在給水處理中被用來作為氧化劑來去除水中過量的鐵、錳離子。為了能夠生成氫氧化鐵沉淀（Fe（OH）3），通?？刂品磻?yīng)發(fā)生在堿性環(huán)境下，與1.0mg/l的鐵離子反應(yīng)需要1.2mg/L的二氧化氯。在實(shí)際的給水消毒應(yīng)用過程中，特別是在高濃度的鐵、錳離子原水處理中，二氧化氯的用量還要考慮到消毒副產(chǎn)物的生成、氯酸根離子（ClO3-）和亞氯酸根離子（ClO2-）的濃度等因素，因此在實(shí)際應(yīng)用中，二氧化氯的用量應(yīng)控制在0.07~2.0mg/L的范圍內(nèi)，一般不超過1.0mg/L。

1.4水中天然有機(jī)物的去除。從在水中的濃度以及活性的角度來說，天然有機(jī)物是地表水和地下水中的一種重要成分。存在于水中的天然有機(jī)物，影響微量金屬和親水有機(jī)化合物的流動(dòng)性以及在一定范圍內(nèi)的膠狀顆粒的聚合速度。同時(shí)，對于微生物和依靠本身特性例如分子重量，分子組成和官能團(tuán)進(jìn)行反應(yīng)的物質(zhì)來說，天然有機(jī)物也是有機(jī)碳的來源。通過進(jìn)一步對天然有機(jī)化合物成分的研究，它們被分成以下幾部分：腐殖質(zhì)酸（HA）；非水溶性酸性物質(zhì)（HOA）；非水溶性堿性物質(zhì)（HOB）；非水溶性中性物質(zhì)（HON）；水溶性酸性物質(zhì)（HIA）；水溶性堿性物質(zhì)（HIB）；水溶性中性物質(zhì)（HIN）。在大多數(shù)的情況下，飲用水中的天然有機(jī)物的主要成分是非水溶性酸性物質(zhì)，約占54%，腐殖質(zhì)酸和非水溶性中性物質(zhì)分別占19%和12%。通常情況下，天然水體中非水溶性堿性物質(zhì)的含量微乎其微，另外水溶性物質(zhì)的比例也相對較小，大約占總的有機(jī)物的15%左右。根據(jù)以往的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過二氧化氯的氧化作用，HA，HON和HIB在水中所占的比例明顯減少，而對于HOA來說，去除量不會(huì)超過9%。HIA的成分會(huì)少許增加，而HIN的成分會(huì)有明顯的增加。二氧化氯打碎大分子量的有機(jī)物質(zhì)使其變成小分子量的物質(zhì)，從而使非生物降解的有機(jī)物轉(zhuǎn)變成可生物降解的有機(jī)物。

可生物降解的有機(jī)物成分會(huì)在后續(xù)的水處理過程中增加水中微生物的增長。1.5周圍環(huán)境的影響以及消毒效率。研究表明周圍的環(huán)境因素，例如溫度，水質(zhì)，PH值也會(huì)對二氧化氯的消毒效率產(chǎn)生影響。PH對于消毒效率的影響取決于受抑制的對象。與加氯消毒相比較，二氧化氯對于病原體的抑制能力要相對較弱。同加氯消毒一樣，二氧化氯的消毒能力隨著溫度的降低而減弱。某些研究表明當(dāng)水溫從20°C下降到10°C時(shí)，二氧化氯對于似隱孢菌（Cryptosporidium）的抑制能力會(huì)下降40%左右。原水的水質(zhì)，例如水里的懸浮顆粒和病原體的聚集體的數(shù)量對于消毒能力都有著重要的影響。實(shí)驗(yàn)表明，通過向水中加入斑脫土來調(diào)節(jié)原水的濁度，當(dāng)濁度從5NTUs上升到17NTUs時(shí)，原水中的病原體的抗抑制能力從11%升高到25%。早在1944年二氧化氯就已經(jīng)被用作飲用水處理的消毒劑，多年來大量的研究工作以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示二氧化氯對于水中大腸桿菌具有很強(qiáng)的抑制能力，在5分鐘的接觸時(shí)間內(nèi)要強(qiáng)于同等濃度下的氯氣，而當(dāng)接觸時(shí)間延長到30分鐘時(shí)，二氧化氯對于細(xì)菌的殺滅能力就要稍低于氯氣。在較高的PH范圍內(nèi)，二氧化氯的消毒能力要明顯優(yōu)于氯氣。1.6二氧化氯的消毒副產(chǎn)物。

在原水中大量存在的無機(jī)生物物質(zhì)將與二氧化氯發(fā)生反應(yīng)。在配水管網(wǎng)中氯離子和亞氯酸根離子是二氧化氯降解后的主要產(chǎn)物。如上所述，在正常的水處理過程中大約有50%~70%的二氧化氯通過氧化還原反應(yīng)被轉(zhuǎn)化成亞氯酸根離子，30%被轉(zhuǎn)換成氯酸根離子和氯離子。另外亞氯酸根離子和氯酸根離子的分配比例受PH值和日照的影響。在較高的PH值范圍內(nèi)，二氧化氯被分解成亞氯酸根離子和氯酸根離子。通常來說，含有二氧化氯的原水在日光的照射下，水中氯酸鹽的濃度增加。研究表明，當(dāng)二氧化氯作為消毒劑在水處理的過程中并不產(chǎn)生三鹵甲烷（THMs）等有害的副產(chǎn)品，但會(huì)產(chǎn)生少量的有機(jī)消毒副產(chǎn)品二氧化氯水中，關(guān)于這些有機(jī)副產(chǎn)品的成因和種類并沒有得到足夠的研究，但是大多數(shù)的研究表明水中天然有機(jī)物質(zhì)的存在并與二氧化氯反應(yīng)是導(dǎo)致大量醛類和羧酸類有機(jī)副產(chǎn)品生成的主要原因。因此當(dāng)用二氧化氯做消毒劑時(shí)，對于水中天然有機(jī)物的去除就顯得額外重要。2 二氧化氯消毒的優(yōu)缺點(diǎn)2.1優(yōu)點(diǎn)（1）二氧化氯對于水中病毒，隱孢菌等微生物的抑制作用要強(qiáng)于氯氣。（2）二氧化氯可以氧化掉水中的鐵離子（Fe2+），錳離子（Mn2+）和硫化物。（3）二氧化氯可以增強(qiáng)水的凈化過程。（4）二氧化氯可以有效控制水中的酚類化合以及由于藻類和腐敗的植物所產(chǎn)生的氣味。

（5）不會(huì)生成鹵化副產(chǎn)物。（6）二氧化氯易于制取。（7）生物特性不受水中PH值的影響。（8）二氧化氯可以保持一定的殘留量。2.2缺點(diǎn)（1）二氧化氯在消毒過程中會(huì)生成亞氯酸鹽和氯酸鹽副產(chǎn)物。（2）過多的加藥量將會(huì)產(chǎn)生鹵化副產(chǎn)物。（3）較高的設(shè)備以及操作費(fèi)用。（4）二氧化氯氣體是易燃?xì)怏w，因此必須在現(xiàn)場制取。（5）二氧化氯不穩(wěn)定，在日照下會(huì)分解。作為很有前途的替代消毒劑，ClO2逐漸受到人們的重視，隨著人們對其特性和在水中的反應(yīng)機(jī)制的進(jìn)一步的研究，我相信它將在水處理工業(yè)中得到更廣泛的應(yīng)用。

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