活性氯

人們廣泛採用漂白粉、次氯酸鈉、臭氧等方法來殺菌消毒。但漂白粉和次氯酸鈉用於殺菌消毒時,由於它們所含有的有效氯成分低,殺菌消毒效果差,難以實現自動化,而臭氧和二氧化氯具有較高的殺菌消毒效果,可是它們生產成本太高,在生產實際中難以實現。

利用離子膜電解法,以附有釕銥的鈦基不溶陽極和石墨陰極為電極,直接電解低濃度的氯化鈉溶液,利用陽極室中的活性氯實現殺菌消毒,陰極室的NaO H可用於與水中的金屬離子生成沉澱,除去水中的懸浮物,在國內外尚鮮見報道。將此係統應用於洪水和地震污水轉化為飲用水的處理,即先用陰極電解液除去水中的懸浮物,然後用陽極室中的活性氯對水進行殺菌消毒。另外,此裝置易於實現自動化,也易被改造為攜提式,適合於沿海地區海水的直接電解來實現殺菌消毒和野外現場製備活性氯進行水的殺菌消毒處理 ^[1]  。

氯化鈉溶液濃度對活性氯濃度的影響

改變氯化鈉溶液濃度, 在電流密度為4. 46mA /cm2 , 温度為22°C, 電解時間為2 h, pH值為4. 40,流速為1. 40 m /s的條件下,考察了氯化鈉溶液濃度對活性氯濃度和電流效率的影響。當氯化鈉溶液濃度逐漸增加時,活性氯濃度和電流效率急劇上升; 當氯化鈉溶液濃度在15. 0～ 25. 0 g /L時,電解出活性氯濃度為2. 30～2. 45 g /L, 電流效率為82% ～ 86% , 能耗為0. 37kWh /gCl2 ;當氯化鈉溶液濃度大於25. 0 g /L時,電流效率有所降低,活性氯濃度也降低,能耗增加。因此綜合考慮電流效率和能耗等因素,選擇氯化鈉溶液的濃度為20. 0 g /L。

表觀電流密度對活性氯濃度的影響

改變表觀電流密度, 在氯化鈉溶液濃度為20g /L,温度為22°C, pH值為4. 40,流速為1. 40 m /s,電解時間為2 h的條件下電解。當表觀電流密度小於4. 46 mA /cm2 時,活性氯濃度隨表觀電流密度的增加而增大; 當表觀電流密度位於4. 00～ 5. 00m A /cm2時,電流效率為82%～ 88% , 能耗為0. 35kWh /gCl2; 當表觀電流密度大於4. 46 mA /cm2 ,電流效率明顯降低,能耗明顯增加。故選擇表觀電流密度為4. 46 m A /cm2 ^[2]  。

電解時間對活性氯濃度的影響

改變電解時間,在氯化鈉濃度為20 g /L,温度為20°C, 表觀電流密度為4. 46 m A /cm2 , pH值為4. 40,流速為1. 40 m /s的條件下電解,隨着電解時間的增加,活性氯濃度不斷增加; 當電解時間為100～ 140 min,活性氯的濃度為2. 45～ 2. 54 g /L, 電流效率為80%～88% ,能耗為0. 38 kWh /gCl2 ; 當電解時間再增加時,活性氯濃度增加趨於平緩,電流效率明顯降低,能耗明顯增加。由於氯氣在氯化鈉溶液中的溶解度是一個定值,隨着電解的不斷進行,氯氣在電解體系中逐漸溶解達到飽和,再電解時,將以氣體的形式逸出來,同時會有生成氧氣的副反應發生,導致電流效率降低和能耗增加。故選定電解時間為2 h。

電解温度對活性氯濃度的影響

調節電解温度, 在氯化鈉溶液濃度為20. 0g /L,表觀電流密度為4. 46 mA /cm2 , pH值為4. 40,流速為1. 40m /s,電解時間為2 h 的條件下電解隨着温度的增加,活性氯濃度和電流效率都降低。當電解温度低於25°C時,活性氯濃度較高( 2. 46～ 2. 50 g /L) , 電流效率達80% ～ 86% ,能耗為37 kWh /gCl2; 當電解温度超過25°C時, 電流效率顯著降低,能耗明顯升高。這是由於温度增加,溶液中氯氣溶解度明顯降低,大部分以氣體的形式逸出來,同時促使生成氯酸根的副反應發生。因此,所測得的活性氯濃度和電流效率都明顯降低,能耗增加。故選定電解温度為22°C ^[3]  。

陽極電解液pH值對活性氯濃度的影響

在氯化鈉溶液的濃度為20. 0 g /L,表觀電流密度為4. 46 mA /cm2 , 電解時間為2 h, 電解温度為22°C,流速為1. 40 m /s的條件下,考察了陽極電解液pH值對活性氯濃度和電流效率的影響。當陽極電解液的pH值逐漸增加時,活性氯濃度和電流效率逐步增大; pH值達到4. 68時,活性氯濃度和電流效率達到最大值即活性氯濃度為2. 46 g /L、電流效率為86% ; 當pH值超過4. 68時,活性氯濃度和電流效率均開始降低。由於陽極電解液酸度較高時, Cl2+ H2 O= H + + Cl- + HOCl平衡向左移動,電解產生的活性氯不參與副反應。當酸度太高時, Cl2在電解液中的溶解度相應地降低,同時會對電極有較強的腐蝕作用。當pH值超過4. 68時,會加劇活性氯的歧化反應Cl2+ H2 O= H+ + Cl-HO Cl, 同時由於次氯酸的存在,又會導致HClO=H+ + ClO+ 和ClO- + 2HClO= ClO-3 + 2Cl- + 2H +兩個副反應平衡向右移動,從而降低活性氯濃度且副反應生成的ClO-3 會隨電解液流出,所以,電解過程中ClO-3 離子的存在以及ClO-3 濃度的高低通常作為測量陽極電流效率的一個指標。綜合考慮活性氯濃度和電流效率, 選擇陽極電解液pH值為4.20～ 5. 00 ^[3]  。

電解液流速對活性氯濃度的影響

在氯化鈉溶液濃度為20. 0 g /L,表觀電流密度為4. 46 m A /cm2 , 電解時間為2 h, 電解温度為22°C,維持陽極電解液pH值在4. 20～ 5. 00之間的條件下,考察了電解液的流速對活性氯濃度和電流效率的影響。可見,活性氯濃度和電流效率都隨流速的增大而增加。這是因為陽極反應是放熱連串反應,反應過程中氯離子由溶液相擴散到電極表面放電變成氯氣的速率與電極表面電解液的流速密切相關。較大的流速有利於活性氯的生成,減少生成氧和氯酸根離子的副反應發生,故有利於活性氯濃度和電流效率的提高。由於蠕動泵的最大流速為1. 40 m /s,故選擇流速為1. 40 m /s ^[2]  。

綜合河水和生活污水中COD值、細菌和大腸桿菌的測定結果,活性氯在河水中的最佳投量約為1. 00 mg /L, 在生活污水中的最佳投量為3. 03mg /L時,處理後的水達到國家給水標準,從而説明了活性氯的殺菌消毒效果和去除有機物的效果比較理想 ^[3]  。