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    十年經驗總結,次氯酸鈉在水處理中的應用!

    2020-09-30 10:49:18來源:環保工程師 許謙 閱讀量:11492

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    導讀:次氯酸鈉廣泛運用于給水、排水工程及其它領域之中,可以進行消毒、漂白、助凝、抑制絲狀菌、洗膜等等,本文從次鈉的自身性質及作用機理談起,方方面面討論一下次鈉。
      次氯酸鈉廣泛運用于給水、排水工程及其它領域之中,可以進行消毒、漂白、助凝、抑制絲狀菌、洗膜等等,作為一篇科普+專業類文章,本文從次鈉的自身性質及作用機理談起,方方面面討論一下次鈉。
     
      一、次氯酸鈉的性質
     
      次氯酸鈉是一種無機物,分子式為NaClO,在沒有作為廣泛的水類消毒劑之前,廣泛用于漂白、消毒中,近幾年來,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,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%的濃度達到極限,再高會有不少結晶析出,次鈉屬于強堿弱酸鹽,見光、遇熱均容易分解,生成氯化鈉和氧氣,此外次鈉屬于危化品(5%以上溶液),但等級不高,在《危險化學品名錄(2015版)》中:次氯酸鈉溶液[含有效氯>5%]的危險貨物編號是:83501;別名:漂白水;UN號:1791;CAS號: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,作為氯類消毒劑,其消毒機理和氯氣基本相同,主流認為有以下兩種:
     
      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氧,生態氧的極強氧化性使菌體和病毒的蛋白質變性,從而使病源微生物致死;
     
      其二是認為次氯酸不僅可與細胞壁發生作用,且因分子小,不帶電荷所以可以侵入細胞內與蛋白質發生氧化作用,破壞其磷酸脫氫酶,使得其糖代謝失調死亡:
     
      R-NH-R+HC1O=RNC+H2O
     
      個人認為,兩種反應應該都有作用。
     
      在作為給水消毒劑的時候,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而定,前后加氯量最好進行小試實驗,如果遇到水中有氨氮的時候,會發生折點加氯效應,更應該進行小試實驗進行投加。
     
      次鈉的投加點可以有多個,一般設置在配水井、出水跌落井、消毒專用混合井等利于次鈉混合的地方,接觸時間不得小于30分鐘,但一些廠將次鈉投加點設置在濾池進水端,認為定量投加可以有利于濾砂的反洗,我個人是不推薦的,因為次鈉的投加將破壞濾砂的生物作用,削弱濾砂的過濾效果,且影響后續投加的計量計算。
     
      在作為污水的消毒劑的時候,投加量一般是自來水消毒的3~7倍,實際投加量也應以小試實驗作為指導;投加點一般設置在總出水點,如深床濾池出水處,生物濾池出水處,也可以設置在二沉池的出水處,并設置專門的清水池容納消毒后的水體,現階段,次鈉消毒多用在有深度處理的水廠,而沒有深度處理的水廠由于執行排放標準較低,較少使用。
     
      由于次鈉也是屬于氯類消毒劑,其消毒機理也和氯氣一樣,所以副產物基本也和氯氣一樣,主要會產生一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三鹵甲烷、三溴甲烷等等,產生計量和投加量成正比例關系,但是值得注意的是,次鈉產生這些消毒副產物的量要比氯氣要少得多,所以相對氯氣來水,次鈉消毒又是較為安全的,需要主要的是,次鈉消毒還會產生二氧化氯消毒特有的消毒副產物,氯酸鹽及亞氯酸鹽,主要原因其實和次鈉本身沒有太大關系,主要還是由于久置后分解反應和歧化反應產生,其產生機理為:
     
     分解反應:2NaC1O=2NaC1+O2
     
      歧化反應:3NaC1O=2NaC1+NaC1O3
     
      反應過程中實際上氯酸鹽是亞氯酸鹽進一步氧化得到,這里就不多論述了。
     
      影響消毒效果的主要有PH、水溫、接觸時間、濁度、加氯量幾項,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物,所以投加量不宜過大,而渾濁度也好理解,水中雜質越多,消耗的加氯量越大,所以投加點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7.5,接觸時間前文已有論述,此處不再論述;水溫主要體現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,此項一般不需特別調整,大部分地區的常溫即可。
     
      2、氧化助凝、除藻及除鐵錳的作用
     
      氯類消毒劑由于強氧化性,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。含藻類原水是我國常見的原水類型,藻類本身及其代謝產物帶負電荷不容易被混凝去除,同時也會于水中的金屬離子絡合穿透濾池影響出水水質,而且藻類吸附力極強,會粘附在濾池表面影響過濾效果,縮短濾池壽命,而加氯對藻類有抑制和滅除作用,從而改善后期混凝效果。從實際上來看,無論是氯氣還是次鈉,對藻類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,所以在高藻類的地區建議還是以高錳酸鉀或者臭氧結合氣浮去除藻類。次鈉還有一個作用就是氧化鐵錳類物質起到后去絮凝沉淀去除的作用,但是實際上和藻類一樣,次鈉氧化鐵錳的能力很弱,而且對PH的要求比較高,比他哥們二氧化氯要弱很多,所以在錳鐵超標的地方建議采用高錳酸鉀預氧化去除鐵錳。
     
      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在對有色物質的氧化上,比如對將水中鐵從二價氧化為三價,然后通過混凝將三價鐵沉淀下來,完成水體脫色,或者將水體中一些帶顏色的有機物氧化后混凝沉淀下來,起到脫色的作用。
     
      而次鈉的漂白作用還是比較強的,筆者有幸在安裝次鈉設備的時候黃色襯衣被碰到,結果一大塊變成了不倫不類的黃白色,其基本作用機理很簡單:
     
      HClO =HCl+{O}
     
      其中的新生態氧氣,具有很強的氧化性,能將不少有機染料發生作用,起到漂白的作用。
     
      三、次鈉的制備
     
      工業上大規模制取次氯酸鈉的化學反應為:
     
      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國家標準: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,A和B下面又各自分為3小類,A型主要用于消毒、殺菌等作用,B等品主要是工業作用,兩者主要區別在于是否對重金屬含量存在要求。
     
      近幾年來,電解次鈉發展迅猛,已經趨于成熟,實際上電解次鈉并不是近幾年才出現的,但是之前技術一直不算成熟,基本停留在陽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,但是相應的昂貴的但不耐用的隔膜阻礙了電解次鈉的運用,還有一個阻礙的因素就是電極,早些年的電極涂料及壽命比較差,技術并不成熟。但,電解次鈉經過十幾年的發展,當初的技術瓶頸均已突破,加上本身原料來源簡單,濃度低基本不存在成品次鈉的腐蝕、結垢、衰減的溫度,所里越來越多的污水廠及水廠選用了電解次鈉消毒。
     
      水處理行業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:
     
      陽極:2Cl- - 2e → Cl2
     
      陰極:2H+ + 2e → H2
     
      溶液反應:2NaOH + Cl2 → NaCl + NaClO + H2O
     
      電解法制取的次氯酸鈉濃度一般為0.6%-0.9%,一套次氯酸鈉發生器一般包括:溶鹽系統、軟水系統、溶液配比系統、電解系統、儲藥及投加系統、排氫系統、酸洗系統、冷卻系統及PLC系統。
     
      ①溶鹽系統。溶鹽系統即為將工業級精鹽配置成飽和食鹽水的系統,主要由溶鹽罐(食品級PE材質)及計量泵組成,溶鹽罐預先將軟化水注入溶鹽罐中,然后由人工將鹽按照設計的比例倒入溶鹽罐制成飽和食鹽水,根據中華人民共和國國家標準:次氯酸鈉發生器GB 12176-90標準。
     
      ②軟水系統。由于一般水體中均含有相當濃度的鈣鎂離子,為防止鈣鎂離子在之后的流程中產生沉淀所以對飽和食鹽水進行軟化處理,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“樹脂粒”,該物質與水的鈣鎂離子進行離子交換達到軟化水的目的。軟水器需要定期反沖洗,反沖洗時間一般為一周,反沖洗歷時一般為半小時,“樹脂粒”壽命約為三年。
     
      ③溶液配比系統。溶液配比系統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,系統比較簡單,通過PLC按一定比例將軟化水注入飽和食鹽水中。
     
      ④電解系統。電解系統為電解法制取次氯酸鈉的核心系統,電解系統又由電解槽、電極、整流系統、及循環冷卻系統組成,電解槽一般采用有機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,在電解過程中需控制電解溫度在40度以下。
     
      ⑤排氫系統。由于電解法制取次氯酸鈉無可避免的會產生氫氣,氫氣為易燃易爆氣體,氫氣的爆燃點為4%,所以對氫氣一般的處理方法為稀釋及強排,簡單的說就是根據系統產生的氫氣量設計風機,將所產生的氫氣稀釋并排出室外,進入大氣。
     
      ⑥酸洗系統。雖然使用了軟化系統,但是電解槽使用久之后無可避免的會結垢附著與電極之上,此時需要對電極進行酸洗,酸洗由PLC控制,采用檸檬酸進行酸洗,一般半年一次。
     
      四、次鈉的存儲與投加
     
      近幾年來,隨著給水、排水工程的蓬勃發展,一些地區為生產次鈉自建化工城,制造有涉水許可證的成品次鈉,大部分地區依然還是遵循采用國標(GB 19106-2013)要求的次鈉,使用成品次鈉好處很多,最大的優點就是不用擔心“在自己廠里又建一個迷你化工廠的問題”,而且成品次鈉一次性投資省,后期維護成本低,在擁有穩定的貨源的和較低的運費的基礎上是不錯選擇。
     
      值得注意的是,成品次鈉需要注意2個問題:
     
      1、衰減及存儲
     
      一般來說次鈉濃度越高衰減越快,根據作者自身的一些研究,成品次鈉衰減的罪魁禍首有2個,一個是紫外線,一個是溫度,一般來說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,所以不少文章認為稀釋成5%存放是可以的,實際上由于10%次鈉的稀釋需要軟水,而不少地區的自來水的硬度均在100以上,稀釋的時候會大量結垢,而水軟化需要上設備,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好處就是可以減少氯酸鹽個亞氯酸鹽的產生。次鈉有腐蝕性和易分解性,所以在存儲中盡量采用遮光及耐腐蝕的材料保存,PE桶是個不錯的選擇,在采用PE桶的時候,可以留有一個出氣的通道,預防積氣。
     
      2、成品次鈉宜采用單獨投加
     
      成品次鈉宜采用單獨投加而不要想二氧化氯那樣利用廠用水帶至投加點,因為這樣會使管道迅速結垢,反應機理為:
     
      NaClO有見光或遇熱分解的特性,在NaClO生產、運輸、儲存、投加的過程中,NaClO溶液分解 ,生成 NaOH 、NaC1和Na2CO3 等雜質;反應方程式如式(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溶液的投加進入加藥管道,CO32-及OH-與壓力水中的Mg2+及Ca2+發生化學反應,產生CaCO3沉淀。反應方程式如式(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。
     
      五、對采用次鈉來去除氨氮的看法
     
      次鈉用來降低氨氮的化學反應式為:
     
      2NH3+3NaClO→N2↑+3H2O+3NaCl
     
      實際上在常溫及中性的PH中,投加適量的次鈉溶液反應基本上會進行至三步,第三步也是自來水上常用的氯氨消毒法的一般原理,而要進行到第五步反應需要較為合適的PH、溫度的支持及大量投加次鈉來支持,根據相關研究,有效氯投加量(以Cl2計)與氨氮的量的比值在1.5:1的情況下能達到去除氨氮的最大效率,實際上,由于污水中的雜質較多,渾濁度較高,大量的雜質嚴重耗費了次氯,所以一般次鈉投加量遠遠不止1.5:1。在氨氮超標不高的情況下,采用次鈉投加去除氨氮,是可行的,但是一旦遇到超標嚴重,采用次鈉來去除,成本太高,還帶來大量副產物,并不實用。

           原標題:十年經驗總結,次氯酸鈉在水處理中的應用!

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