不同方法的二氧化氯发生器在饮用水处理中的比较
一、 前言
饮用水消毒已经发展了一百多年，其中液氯在控制各种危害人类健康的疾病方面功不可没。然而，随着水质的不断恶化，最近的研究表明，液氯（包括其它氯制剂）会与水中的有机物反应生成危害人类健康的消毒副产物三氯甲烷等致癌物质。
二氧化氯作为一种新型的消毒剂，替代氯气消毒具有诸多优点。但由于二氧化氯的不稳定性与一定的腐蚀性，使得商业上不便制成压缩气体或浓缩液，必须现场制备、就地使用，二氧化氯发生器就是其中一种现场发生二氧化氯的方法。目前，发生二氧化氯的方法至少有十几种，二氧化氯发生器的厂家和型号更是多种多样。如何区别不同二氧化氯发生器的性能、并选择质优价廉的二氧化氯发生器产品，对于二氧化氯发生器用户来说显得至关重要。
二、不同二氧化氯发生技术的介绍
二氧化氯很不稳定，无论气态还是液态，均容易发生爆炸，所以其储存运输也比较困难。因而，二氧化氯一般采用现场发生制取。根据其制备的原理，可以分为电解法和化学法。不管采用哪一种发生工艺，评价发生器性能的优劣的标准应该是一致的，即转化率、二氧化氯纯度、有害副产物和安全性。
1．电解法
该方法由美国四价公司首先研制开发成功。其原料为食盐，采用隔膜电解的方法制取二氧化氯，所制得的二氧化氯纯度较低，一般在30%以下，同时混有Cl2、H2O2、O3等，且氯气的含量较高，用于饮用水消毒是否能够避免氯消毒的副作用，还很值得怀疑。另外，该方法制作设备造价较高，电极易于腐蚀，管理复杂，故目前已很少使用电解法二氧化氯发生器。
2. 化学法
化学法制备二氧化氯根据采用原料不同分为氯酸钠和亚氯酸钠两种方法。
2.1 氯酸钠法
以氯酸钠和盐酸等为原料，采用负压恒温工艺，制得的二氧化氯产率和纯度均不高，目前通常称为复合二氧化氯发生器。复合二氧化氯发生器以有效氯计一般在70%以下，仍含有一定数量的氯，而且原料转化率低，操作较复杂。从理论上说产品应用于消毒实践中，不可避免会有氯化消毒副产物的产生，因此发达国家不推荐采用氯酸钠为原料生产二氧化氯就是这个原因。从本质上说应该是说生产二氧化氯和氯气混合物更为贴切，笼统地称为二氧化氯有混淆视听之嫌。所以应该进一步规范二氧化氯的生产以及产品命名，以免误导市场，损害消费者利益。
2.2 亚氯酸钠法
以亚氯酸钠为原料的二氧化氯生产方法统称为高纯发生方法，其二氧化氯发生器被称为高纯二氧化氯发生器。它包含两种：一种是与氯气（可以用HCl和NaClO反应来代替）反应，另一种是与盐酸反应。其反应方程式如下：
2NaClO2 + Cl2 → 2ClO2 + 2NaCl
5NaClO2 + 4HCl → 4ClO2 + 5NaCl + H2O
2NaClO2 + NaClO + 2HCl → 2ClO2 + 3NaCl + H2O
从反应方程式可见，亚氯酸钠与盐酸反应氯的最大理论转化率只有80%，而与氯气反应氯的最大理论转化率可以达到100%，从而较大程度地节约亚氯酸钠原料用量。由于前几年国内亚氯酸钠原料的价格较高，导致二氧化氯的生产成本较高，推广应用较慢。然而目前随着技术的改进，亚氯酸钠的生产成本大副下降，而且市场上还有25%亚氯酸钠溶液供应，它更经济更安全。以亚氯酸钠为原料所产生的消毒剂中二氧化氯含量较高，一般在90%以上，该法已在发达国家已广泛应用。
三、 不同发生技术优劣及副产物危害的比较
1.氯酸钠工艺
采用氯酸钠和盐酸为原料进行反应，反应式如下：NaClO3 +2HCl ＝ ClO2 +1/2Cl2 +NaCl + H2O该工艺最大的缺点是在二氧化氯产生的同时还有约占二氧化氯产量的一半的氯气产生；氯酸钠是炸药和火柴的原料，它的管理储存不仅要满足化学危险品的要求，还要满足炸药原料的管理要求。实验结果表明，二氧化氯的有效转化率一般只有30-50%左右，并且受到反应温度和盐酸浓度的影响。要提高二氧化氯的转化率，必需保持较高的反应温度（约70-90℃）和加大盐酸的过剩量，但这同时又会导致副产物氯气产率的提高，使反应产物中氯气的含量增大。但即使提高反应温度，氯酸钠的二氧化氯转化率也处于低下水平，因此采用提高反应温度来增加氯酸钠的二氧化氯转化率的实际意义并不大。
由于氯气的大量存在（理论上就有35%氯气存在），从严格上讲，已经失去了二氧化氯投加的最基本的意义，即降低水中三氯甲烷的含量。并且由于氯酸钠的转化率在实际运行中通常不足50%，这使得在投加量较高时，大量未反应的氯酸钠进入配水系统中，这不但是原料浪费的问题，而且使水中剩余的ClO3-的浓度较高，造成二次污染，同时在高酸性时该系统可能会产生大量的高氯酸根离子（ClO4-）、。正是由于以上诸多原因，在国外有关二氧化氯应用水厂的资料中，还未有上述氯酸钠工艺的报道。而国内有许多水厂使用氯酸钠工艺的二氧化氯发生器，其主要原因是国内氯酸钠工艺的二氧化氯发生器较亚氯酸钠工艺的二氧化氯发生器研制得比较早，用户在别无选择的情况只有使用氯酸钠工艺的二氧化氯发生器（即复合二氧化氯发生器）。
2.亚氯酸钠工艺
上面已介绍该工艺有两种方法，都是两相原料系统，而第三种方法是从氯气衍生而来的，即用盐酸和次氯酸钠反应来代替氯气，与其它工艺相比，此法制备二氧化氯最佳，一方面没有采用氯气为原料，提高了操作安全性，另一方面亚氯酸钠完全转化为二氧化氯，没有造成原料损失。不管那一种方法，从反应方程式可见亚氯酸钠反应转化成二氧化氯，无氯气的产生，从而较大程度地节约亚氯酸钠原料的用量，潜在的副产物气体是氯气，其含量不足5%，其它的杂质离子在发生器的设计中可以得到很好的控制。实测二氧化率转化效率达95%以上。其系统都具有工艺简单、不需加温、设备容易操作及维护、产物中的二氧化氯纯度高达95%以上等优点。国外的二氧化氯发生器都是采用亚氯酸钠工艺，因为该工艺在反应柱中负压下瞬间反应完全，不需要盐酸过量，可能的副产物是亚氯酸根离子（ClO2-）和氯酸根离子ClO3-因为高纯二氧化氯发生器的投加量很低，所以这些副产物离子还不足以影响人体健康。
3.副产物的危害
对二氧化氯（ClO2）和其无机副产物ClO2-和ClO3-的毒性问题国内外学者已经进行了大量的研究。氯酸钠工艺由于反应不完全，导致大量的氯酸根离子进入水中，即使投加量很低也会使水中该指标偏高，而且其中的氯气副产物跟水中有机物反应会产生三氯甲烷等致癌有机物，直接危害健康。
通过实验测定亚氯酸钠工艺出口处的二氧化氯溶液，结果表明亚氯酸根离子（ClO2-）和氯酸根离子ClO3-的含量很低，二氧化氯纯度在95%以上。因此，在常规的水消毒浓度范围内，它们不会对人体造成不良影响，而且通过合理的优化，可以使它们在配水系统中的浓度降低到最小浓度。
无论哪种工艺，在饮用水消毒中都要求二氧化氯的纯度大于90%以上，在实际应用中才能减少和控制三氯甲烷等致癌有机物的生成；美国环境保护署（USEPA）则明确要求二氧化氯发生器生产二氧化氯的纯度最少要大于95%。可见，在饮用水消毒中高纯二氧化氯发生器较复合二氧化氯发生器更适合。
4．二氧化氯发生器的规格
目前国内大多数复合型二氧化氯发生器的规格是以有效氯的产生能力来标注，而高纯型二氧化氯发生器均是以二氧化氯的生产能力来标注，由于1克纯二氧化氯=2.63克的有效氯,故1000克的高纯型二氧化氯发生器相当于2630克的复合型二氧化氯发生器，容易混淆，许多水厂用户对此不太了解，结果花同样的钱而购买了不同处理能力的二氧化氯发生器设备 。
四.结束语
目前，在国内市场存在两种类型的二氧化氯发生器，即复合型和高纯型，它们都属于化学法二氧化氯发生器，高纯型不管在技术上还是在性能上都优于复合型，对环境的友好性上高纯型也比复合型好。当然，在运行成本上复合型的原料较高纯型便宜，表面上好像很“经济”，但是需要注意的是复合型在计算运行成本时是以有效氯计，而纯二氧化氯的有效氯是氯气的2.63倍。复合型的投加量通常是高纯型的好几倍，所以高纯二氧化氯发生器不管是对环境效益、处理效果以及设备的性能都具有很大的优势，高纯型二氧化氯发生器将逐步被饮用水行业用户所接受，并最终将完全取代复合型二氧化氯发生器，从而符合国际二氧化氯行业的发展方向。
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
