CHEMICZNA DEZYNFEKCJA WODY PODCHLORYNEM SODOWYM

Transkrypt

Zakład Inżynierii Środowiska Wydział Chemii UG – Ćwiczenia Laboratoryjne
Chemiczna dezynfekcja wody podchlorynem sodowym
1. Cel i istota dezynfekcji
Dezynfekcja wody stanowi ostatni etap uzdatniania jej dla potrzeb zaopatrzenia
ludności lub przemysłu w wodę pitną. Proces ten jest niezbędny w przypadku uzdatniania
wód skażonych bakteriologicznie, przede wszystkim wód powierzchniowych.
Głównym celem dezynfekcji wody jest zniszczenie żywych i przetrwalnikowych form
organizmów patogennych oraz zapobieganie ich wtórnemu rozwojowi w sieci wodociągowej.
W procesie oczyszczania wody uzyskuje się pewne zmniejszenie liczby bakterii. Skuteczność
w ich usuwaniu z oczyszczanej wody jest różna i zależy od poziomu skażenia wody i rodzaju
organizmów patogennych oraz sprawności stosowanych procesów jednostkowych [1]. Dla
uzyskania dobrego efektu dezynfekcji ważny jest dobór odpowiedniego środka
dezynfekcyjnego oraz ustalenie warunków skutecznej dezynfekcji – wielkości dawki
początkowej i czasu kontaktu [2].
Dobry środek dezynfekcyjny powinien odpowiadać następującym kryteriom [2]:
• powinien charakteryzować się dużą siłą bakteriobójczą i wirusobójczą w stosunku
do wszystkich patogenów, które znajdują się w wodzie i niszczyć je w wyznaczonym
czasie,powinien zabezpieczyć wodę przed jej wtórnym zakażeniem w sieci
wodociągowej,nie może wytwarzać w wodzie związków toksycznych,nie może
wpływać ujemnie na cechy organoleptyczne wody – jej smak i zapach.Stosowane
powszechnie w Stacjach Uzdatniania Wody sposoby dezynfekcji niszczą organizmy
patogenne powodując [1]:
• nieodwracalną destrukcję komórek,
• zakłócenie procesów metabolicznych,
• zakłócenie biosyntezy i wzrostu.
W technologii uzdatniania wody określanie skuteczności procesu dezynfekcji
sprowadza się najczęściej do stwierdzenia zniszczenia odpowiedniej liczby bakterii bez
wnikania w mechanizm tego procesu [2].
Dezynfekcję wody można przeprowadzać metodami fizycznymi i chemicznymi.
Metody fizyczne dezynfekcji wody polegają na niszczeniu bakterii i organizmów
chorobotwórczych za pomocą czynników powodujących zmiany mechaniczne struktury
komórek [3]. Do metod tych zalicza się: gotowanie wody, pasteryzację, zastosowanie
promieni ultrafioletowych, ultradźwięków [1], oddziaływanie promieni jonizujących o bardzo
krótkim okresie połowicznego rozpadu, ultrafiltrację, metodę podczerwieni, metodę prądów
wysokiej częstotliwości [2].
Metody chemiczne polegają na wprowadzeniu do wody substancji chemicznych, które
niszczą bakterie. Do metod chemicznych zalicza się [3]:
• stosowanie silnych utleniaczy, takich jak: gazowy chlor, ditlenek chloru i podchloryn
sodowy oraz ozon, jod i brom,
• dodawanie do wody jonów metali ciężkich, głównie soli miedzi lub srebra.
Skuteczne działanie środków chemicznych zależy od [3]:
• ich rodzaju i stężenia,
• ilości i rodzaju mikroorganizmów znajdujących się w wodzie,
• fizycznych właściwości i składu chemicznego wody,
• czasu kontaktu mikroorganizmów znajdujących się w wodzie ze środkiem
dezynfekcyjnym.
O przebiegu i skuteczności dezynfekcji, poza liczbą i rodzajem organizmów, decyduje
skład fizyczno-chemiczny dezynfekowanej wody. Współdecyduje on o wielkości wymaganej
dawki dezynfektanta oraz o powstawaniu ubocznych produktów dezynfekcji. Do głównych
wskaźników składu wody rzutujących na przebieg dezynfekcji należą: pH, temperatura, ilość
i rodzaj zredukowanych substancji organicznych i nieorganicznych oraz ilość zawiesin.
Wartość pH wpływa na rodzaj aktywnej formy stosowanego środka dezynfekującego, a tym
samym na jego bakteriobójczość. Temperatura wody wpływa na kinetykę poszczególnych faz
działania dezynfektanta, tj. na jego penetrację przez ściankę komórki mikroorganizmu,
a następnie na szybkość reakcji, np. z enzymami. Zawiesiny obecne w dezynfekowanej
wodzie mogą utrudnić dostęp dezynfektanta do niszczonych organizmów [1].
Woda chlorowa oraz wszystkie stosowane związki chloru zawierają chlor aktywny
odpowiedzialny za przebieg dezynfekcji i utleniania. Ponieważ chlor dodany do
dezynfekowanej wody zużywany jest nie tylko na dezynfekcję, jego dawkę należy tak ustalić
aby w wodzie po dezynfekcji pozostał chlor wolny będący sumą Cl2, HOCl i OCl-. W Polsce
wymagane stężenie chloru wolnego w wodzie podawanej do sieci wodociągowej musi
wynosić 0,2-0,5 gCl2/m3, zaś w wodzie w końcówkach sieci nie może być mniejsze od 0,05
gCl2/m3.
1.1. Chlorowanie
Ze względu na swą reaktywność chlor dodany do wody wchodzi w reakcje ze jej
składnikami, ulegając następującym przekształceniom [2]:
a) część chloru przereagowuje z nieorganicznymi reduktorami obecnymi w wodzie (Fe2+,
Mn2+, S2-, NO2-), redukując się do chlorku,
b) część chloru przereagowuje z organicznymi substancjami obecnymi w wodzie, generując
tzw. uboczne produkty chlorowania, takie jak chloroform, kwasy chloroorganiczne,
chloroketony, chloroaldehydy i wiele innych,
c) część chloru zużyta zostanie na utlenianie bromków do HBrO (który może dalej reagować
z materią organiczną, dając w efekcie produkty bromo- i chlorobromoorganiczne),
d) pozostała część chloru ma niezwykle istotne znaczenie dezynfekcyjne – ta część chloru
odpowiada bowiem za dezynfekcję wody i utrzymanie efektu dezynfekcyjnego w sieci
dystrybucyjnej – określa się ją zwykle jako „pozostały chlor ogólny”.
Pozostały chlor ogólny występować może jako [2]:
• chlor wolny, który składa się z trzech składników: chloru cząsteczkowego Cl2, kwasu
chlorowego(I) HClO i jonu chlorowego(I) ClO-,
• chlor związany występujący w formie chloramin nieorganicznych jak i organicznych.
Obie formy chloru pozostałego mają właściwości dezynfekcyjne, ale rozróżnienie jego
postaci w wodzie jest ważne ze względu na duże różnice w aktywności dezynfekcyjnej
między kwasem chlorowym(I) a jonem chlorowym(I) i kwasem chlorowym(I) a chloraminą
[8].
W czasie dezynfekcji wody chlorem zachodzi szereg procesów i reakcji chemicznych,
w wyniku których wprowadzony do wody chlor utlenia i chloruje związki organiczne
i nieorganiczne. Ilość chloru, jaka jest potrzebna na pokrycie wszystkich procesów
zużywających chlor, do momentu pojawienia się w wodzie chloru pozostałego, nazywa się
zapotrzebowaniem wody na chlor [8].
1.2. Reakcje chemiczne zachodzące czasie dezynfekcji wody związkami chloru
Dodany do wody chlor natychmiast ulega dysproporcjonowaniu [1]:
Cl2 + H2O
H+ + HClO + ClPowstający kwas chlorowy(I) jest słabym kwasem i może dysocjować zgodnie z reakcją [1]:
HClO
ClO- + H+
Na rysunku 2 przedstawiono wykres zależności postaci chloru w wodzie w funkcji pH
[2]:
Rysunek 1. Postacie chloru w wodzie w zależności od pH [8]
Jak wynika z wykresu istnienie Cl2 jako cząsteczki rozpuszczonej ogranicza się do wąskiego
zakresu bardzo niskich wartości pH<2. W technologii wody praktycznie nigdy nie mamy do
czynienia z cząsteczką Cl2 w wodzie. Wzajemny stosunek niezdysocjowanych cząsteczek
HClO i jonów ClO- zależy od pH roztworu i przy pH=5,5 niemal 100% HClO występować
będzie w formie niezdysocjowanej, natomiast przy pH=9,5 w wodzie znajdować się będą
niemal wyłącznie jony chlorowe(I) ClO- [2].
Bakteriobójcza skuteczność chloru spada od Cl2, poprzez HClO, do ClO- [2].
Chlor wprowadzony do wody reaguje szybko ze związkami nieorganicznymi
o charakterze redukcyjnym (Fe2+, Mn2+, H2S) [8]:
2Fe2+ + ClO- + 2H+
2Fe3+ + Cl- + H2O,
2+
MnO2 + Cl- + 2H+,
Mn + ClO + H2O
H2S + 4ClOSO42- + 4Cl- + 2H+.
W wodzie zawierającej azot amonowy, chlor cząsteczkowy, jon chlorowy(I),
a głównie kwas chlorowy(I) reagują z NH4+, tworząc chloraminy. Charakteryzują się one
mniejszą siłą bakteriobójczą niż chlorowe substraty reakcji. Reakcje powstawania chloramin
są następujące [1]:
NH4+ + HClO
NH2Cl + H2O + H+,
NH2Cl + HClO
NHCl2 + H2O,
NHCl2 + HClO
NCl3 + H2O.
Rodzaj powstających chloramin zależy w zasadzie od dwóch czynników: stosunku stężenia
chloru do azotu amonowego – a więc dawki chloru i wartości pH [2].
Uważa się, że przy pH=8,5 powstają wyłącznie monochloraminy [1], natomiast przy
pH mniejszym od 4,4 mogą powstawać trichloraminy [2]. Zakres pH pomiędzy 4,4 a 8,5
sprzyja powstawaniu zarówno mono- jak i dichloramin, przy czym powyżej 7,5 przeważają
mono-, a w zakresie pH 5,0-6,5 dominują dichloraminy [2].
Przy stosunku wagowym Cl2:NNH4+<3,1:1 powstają monochloraminy, zaś przy
wartościach Cl2:NNH4+ >3,1:1 powstają dichloraminy. Dalsze zwiększanie dawki chloru do
wartości Cl2:NNH4+ >4,4:1 powoduje utlenianie chloramin do azotu gazowego [1]:
4NH2Cl + 3Cl2 + H2O → N2O + N2 + 10HCl
[2]
Zwiększenie dawki chloru (g Cl2/m3) w stosunku do stężenia azotu amonowego (g N/m3) do
ilości Cl2:NNH4+ =7,34:1 doprowadza reakcje utleniania chloramin do końca i w wodzie
pojawia się wolny chlor. Jeżeli stosuje się większy nadmiar stechiometryczny chloru w
stosunku do azotu amonowego, to produktem utleniania poza azotem gazowym mogą być
również azotany. Ten rodzaj chlorowania określa się jako chlorowanie do punktu
przełamania. Na rysunku 3 pokazano krzywą przebiegu chlorowania wody do punktu
przełamania [1]:
Rysunek 2. Krzywa chlorowania do punktu przełamania: A – niezwłoczne zużycie chloru na
utlenienie substancji zredukowanych, B – tworzenie chloramin, C – niszczenie
chloramin, D – chlor wolny i pozostałe chlorowane związki organiczne [1]
Stosunek wagowy Cl2 : NNH4+ =7,34 : 1 jest wartością teoretyczną, w praktyce do uzyskania
tego punktu wymagany jest większy nadmiar chloru 10:1 [1]. Konieczne jest więc stosowanie
dużych dawek chloru, co prowadzi zwykle do generowania dużych ilości produktów
ubocznych, niepożądanych w wodzie przeznaczonej do celów konsumpcyjnych [2].
Jeżeli w wodzie obecny jest azot organiczny, to w wyniku reakcji z chlorem powstają
chloraminy organiczne [1].
W reakcjach z jonem bromkowym chlor utlenia go ilościowo w zależności od pH, do
kwasu bromowego(I) HBrO bądź do jonu bromowego(I) BrO-, zgodnie z reakcjami [2]:
HClO + Br- → HBrO + ClClO- + Br- → BrO- + ClTworzące się wówczas kwas bromowy(I) i bromiany(I) reagują następnie z substancjami
organicznymi obecnymi w wodzie, tworząc obok chloropochodnych także
chlorobromopochodne oraz bromopochodne produkty chlorowania [2].
Chloran(I) sodu (NaClO), w temperaturze pokojowej, jest ciałem stałym barwy
bladożółtej [2]. Jest związkiem nietrwałym. Łatwo rozpuszcza się w wodzie. Występuje w
postaci uwodnionych soli NaClO · 5H2O lub NaClO · 2,5H2O. Wodny roztwór
charakteryzuje się słabym zabarwieniem od żółtego do seledynowego. Do dezynfekcji wody
stosuje się rozcieńczone wodne roztwory NaClO. Woda do przygotowania rozcieńczonych
roztworów chloranu(I) sodu musi być miękka, aby uniemożliwić wytrącanie się osadów
CaCO3 i Mg(OH)2 [1].
Chloran(I) sodu otrzymywany jest w reakcji dysproporcjonowania chloru
z wodorotlenkiem sodowym, zgodnie z reakcją [2]:
Cl2 + 2NaOH → NaCl + NaClO + H2O
lub drogą elektrolizy wodnego roztworu soli kuchennej (NaCl):
2Cl- → Cl2 + 2e- (anoda)
2H2O +2e- → H2↑ + 2OH- (katoda)
Chloran(I) sodu stosuje się do dezynfekcji, jeżeli ilość dezynfekowanej wody jest
≤ 2000 m3/dobę, a średnia dawka chloru wynosi 1,5 g Cl2/m3 [1].
CEL I ZAKRES BADAŃ
Celem ćwiczenia jest eksperymentalne wyznaczenie dawki chloru niezbędnej do
uzyskania określonej zawartości chloru użytecznego (0,1-0,2 mgCl2/dm3) w wodzie po 30
minutach kontaktu z nią.
WYKONANIE ĆWICZENIA
1.
Do 10 butelek z ciemnego szkła odmierzyć po 500cm3 wody ze zbiornika Straszyn.
2.
Do każdej z prób dodać roztworu podchlorynu sodowego (NaClO) o stężeniu 100
mgCl2/dm3, w których stężenie chlory wzrasta w następującej kolejności: 0,0; 0,2; 0,3;
0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0 mgCl2/dm3.
3.
Po upływie 30 min. Oznaczyć jodometrycznie stężenie chloru pozostałego w wodzie
(chlor użyteczny wolny) w każdej z prób, pobierając do analizy po 100cm3 próby
i miareczkując 0,01M roztworem tiosiarczanu(VI) sodu (Na2S2O3).
OZNACZANIE STĘŻENIA CHLORU POZOSTAŁEGO METODĄ MIARECZKOWĄ
JODOMETRYCZNĄ
Do kolby stożkowej dodać 10 cm3 kwasu siarkowego(VI), 10 cm3 10% roztworu
jodku potasu, 100cm3 próbki analizowanej wody i natychmiast zamknąć korkiem. Następnie
wymieszać zawartość kolbki i odstawić ją w ciemne miejsce na 5 minut w celu całkowitego
wydzielenia się jodu. Po upływie tego czasu wydzielony jod miareczkować mianowanym
roztworem tiosiarczanu(VI) sodu do wystąpienia lekko żółtego (słomkowego) zabarwienia.
Następnie dodać ok. 1 cm3 0,5% roztworu skrobi i miareczkować do zaniku niebieskiej
barwy. Reakcje przebiegające podczas oznaczania stężenia chloru metodą jodometryczną
przedstawiają się następująco:
Cl2 + 2KI → 2KCl + I2
Cl2 + 2I- → 2Cl- + I2
I2 + 2S2O32-→ 2I- + S4O62-.
Zawartość chloru pozostałego wyznaczyć ze wzoru:
X = a · f · 1000 / V
gdzie:
a- ilość tiosiarczanu sodu zużytego na miareczkowanie chloru w próbce [cm3],
f – ilość chloru odpowiadająca 1 cm3 roztworu tiosiarczanu sodu o stężeniu 0,01M, tj.
0,3546 mgCl2,
V – objętość próbki ścieków użytych do badania [cm3].
OPRACOWANIE WYNIKÓW I WNIOSKI
Sprawozdanie powinno być przygotowane wg załącznika nr 1 i ma obejmować:
1. Cel badań,
2. Zestawienie wyników w tabelach,
3. Wykres zależności stężenia chloru pozostałego w wodzie (mgCl2/dm3) od stężenia chloru
dodanego do wody (dodanej dawki chloru) (mgCl2/dm3),
4. Zaznaczony na wykresie punkt przełamania,
5. Porównanie wyznaczonej dawki chloru z wielkością dawki stosowaną w stacji uzdatniania
wody, np. w Straszynie.
LITERATURA
1. A. L. Kowal, M. Świderska - Bróż, Oczyszczanie wody, Wydawnictwo Naukowe PWN,
Warszawa 1996.
2. Nawrocki J., Biłzor S., praca zbiorowa, Uzdatnianie wody. Procesy chemiczne
i biologiczne, Wydawnictwo naukowe PWN, Warszawa-Poznań 2000,
3. Magrel L. , Uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków. Urządzenia, procesy, metody,
Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko, Białystok 2000,
4. W. Hermanowicz, W. Dożańska, C. Sikorowska, J. Kelus, Fizyczno-chemiczne badania
ścieków miejskich i osadów ściekowych, Arkady, Warszawa 1967.
Załącznik 1
–
WZÓR Sprawozdania –
DATA.......................
GRUPA..............
1. ............................
2. ............................
Sprawozdanie z ćwiczenia
Cel ćwiczenia:
Schemat/ Opis doświadczenia:
Wyniki:
Tabela 1. Przebieg wymiany jonowej
Stężenie chloru dodanego
Dodana objętość
do wody
NaClO
[mgCl2/dm3]
[cm3]
Ilość zużytego 0,01M Na2S2O3
odczytana z biurety
[cm3]
Stężenie chloru
pozostałego w wodzie
[mgCl2/dm3]
Opracowanie wyników:
1. Wykres zależności stężenia chloru pozostałego w wodzie od stężenia chloru dodanego do wody (dodanej
dawki chloru).
Wykres 1. Zależność stężenia chloru pozostałego w wodzie od stężenia chloru dodanego do wody (dodanej
dawki chloru)
Stężenie Cl pozostałego
w wodzie
[mgCl2/dm3]
Stężenie Cl dodanego do wody
[mgCl2/dm3]
2. Punkt przełamania - zaznaczony na wykresie.
WNIOSKI:

CHEMICZNA DEZYNFEKCJA WODY PODCHLORYNEM SODOWYM

Transkrypt

Podobne dokumenty

Bioliq clean żel do mycia 3w1 do twarzy, ciała i włosów

Generatory dwutlenku chloru