[科普中国]-活性氯

简介

目前人们广泛采用漂白粉、次氯酸钠、臭氧等方法来杀菌消毒。但漂白粉和次氯酸钠用于杀菌消毒时,由于它们所含有的有效氯成分低,杀菌消毒效果差,难以实现自动化,而臭氧和二氧化氯具有较高的杀菌消毒效果,可是它们生产成本太高,在生产实际中难以实现。

利用离子膜电解法,以附有钌铱的钛基不溶阳极和石墨阴极为电极,直接电解低浓度的氯化钠溶液,利用阳极室中的活性氯实现杀菌消毒,阴极室的NaO H可用于与水中的金属离子生成沉淀,除去水中的悬浮物,在国内外尚鲜见报道。将此系统应用于洪水和地震污水转化为饮用水的处理,即先用阴极电解液除去水中的悬浮物,然后用阳极室中的活性氯对水进行杀菌消毒。另外,此装置易于实现自动化,也易被改造为携提式,适合于沿海地区海水的直接电解来实现杀菌消毒和野外现场制备活性氯进行水的杀菌消毒处理1。

氯化钠溶液浓度对活性氯浓度的影响改变氯化钠溶液浓度, 在电流密度为4. 46mA /cm2 , 温度为22°C, 电解时间为2 h, pH值为4. 40,流速为1. 40 m /s的条件下,考察了氯化钠溶液浓度对活性氯浓度和电流效率的影响。当氯化钠溶液浓度逐渐增加时,活性氯浓度和电流效率急剧上升; 当氯化钠溶液浓度在15. 0～ 25. 0 g /L时,电解出活性氯浓度为2. 30～2. 45 g /L, 电流效率为82% ～ 86% , 能耗为0. 37kWh /gCl2 ;当氯化钠溶液浓度大于25. 0 g /L时,电流效率有所降低,活性氯浓度也降低,能耗增加。因此综合考虑电流效率和能耗等因素,选择氯化钠溶液的浓度为20. 0 g /L。

表观电流密度对活性氯浓度的影响改变表观电流密度, 在氯化钠溶液浓度为20g /L,温度为22°C, pH值为4. 40,流速为1. 40 m /s,电解时间为2 h的条件下电解。当表观电流密度小于4. 46 mA /cm2 时,活性氯浓度随表观电流密度的增加而增大; 当表观电流密度位于4. 00～ 5. 00m A /cm2时,电流效率为82%～ 88% , 能耗为0. 35kWh /gCl2; 当表观电流密度大于4. 46 mA /cm2 ,电流效率明显降低,能耗明显增加。故选择表观电流密度为4. 46 m A /cm22。

电解时间对活性氯浓度的影响改变电解时间,在氯化钠浓度为20 g /L,温度为20°C, 表观电流密度为4. 46 m A /cm2 , pH值为4. 40,流速为1. 40 m /s的条件下电解,随着电解时间的增加,活性氯浓度不断增加; 当电解时间为100～ 140 min,活性氯的浓度为2. 45～ 2. 54 g /L, 电流效率为80%～88% ,能耗为0. 38 kWh /gCl2 ; 当电解时间再增加时,活性氯浓度增加趋于平缓,电流效率明显降低,能耗明显增加。由于氯气在氯化钠溶液中的溶解度是一个定值,随着电解的不断进行,氯气在电解体系中逐渐溶解达到饱和,再电解时,将以气体的形式逸出来,同时会有生成氧气的副反应发生,导致电流效率降低和能耗增加。故选定电解时间为2 h。

电解温度对活性氯浓度的影响调节电解温度, 在氯化钠溶液浓度为20. 0g /L,表观电流密度为4. 46 mA /cm2 , pH值为4. 40,流速为1. 40m /s,电解时间为2 h 的条件下电解随着温度的增加,活性氯浓度和电流效率都降低。当电解温度低于25°C时,活性氯浓度较高( 2. 46～ 2. 50 g /L) , 电流效率达80% ～ 86% ,能耗为37 kWh /gCl2; 当电解温度超过25°C时, 电流效率显著降低,能耗明显升高。这是由于温度增加,溶液中氯气溶解度明显降低,大部分以气体的形式逸出来,同时促使生成氯酸根的副反应发生。因此,所测得的活性氯浓度和电流效率都明显降低,能耗增加。故选定电解温度为22°C3。

阳极电解液pH值对活性氯浓度的影响在氯化钠溶液的浓度为20. 0 g /L,表观电流密度为4. 46 mA /cm2 , 电解时间为2 h, 电解温度为22°C,流速为1. 40 m /s的条件下,考察了阳极电解液pH值对活性氯浓度和电流效率的影响。当阳极电解液的pH值逐渐增加时,活性氯浓度和电流效率逐步增大; pH值达到4. 68时,活性氯浓度和电流效率达到最大值即活性氯浓度为2. 46 g /L、电流效率为86% ; 当pH值超过4. 68时,活性氯浓度和电流效率均开始降低。由于阳极电解液酸度较高时, Cl2+ H2 O= H + + Cl- + HOCl平衡向左移动,电解产生的活性氯不参与副反应。当酸度太高时, Cl2在电解液中的溶解度相应地降低,同时会对电极有较强的腐蚀作用。当pH值超过4. 68时,会加剧活性氯的歧化反应Cl2+ H2 O= H+ + Cl-HO Cl, 同时由于次氯酸的存在,又会导致HClO=H+ + ClO+ 和ClO- + 2HClO= ClO-3 + 2Cl- + 2H +两个副反应平衡向右移动,从而降低活性氯浓度且副反应生成的ClO-3 会随电解液流出,所以,电解过程中ClO-3 离子的存在以及ClO-3 浓度的高低通常作为测量阳极电流效率的一个指标。综合考虑活性氯浓度和电流效率, 选择阳极电解液pH值为4.20～ 5. 003。

电解液流速对活性氯浓度的影响在氯化钠溶液浓度为20. 0 g /L,表观电流密度为4. 46 m A /cm2 , 电解时间为2 h, 电解温度为22°C,维持阳极电解液pH值在4. 20～ 5. 00之间的条件下,考察了电解液的流速对活性氯浓度和电流效率的影响。可见,活性氯浓度和电流效率都随流速的增大而增加。这是因为阳极反应是放热连串反应,反应过程中氯离子由溶液相扩散到电极表面放电变成氯气的速率与电极表面电解液的流速密切相关。较大的流速有利于活性氯的生成,减少生成氧和氯酸根离子的副反应发生,故有利于活性氯浓度和电流效率的提高。由于蠕动泵的最大流速为1. 40 m /s,故选择流速为1. 40 m /s2。

总结综合河水和生活污水中COD值、细菌和大肠杆菌的测定结果,活性氯在河水中的最佳投量约为1. 00 mg /L, 在生活污水中的最佳投量为3. 03mg /L时,处理后的水达到国家给水标准,从而说明了活性氯的杀菌消毒效果和去除有机物的效果比较理想3。