1.1. Роль хлора в нашей жизни
Хлор-Chlorum (C1).
Хлор - это тяжелый (почти в 2,5 раза тяжелее воздуха) зеленовато-желтый газ, обладающий острым удушающим запахом и высокой ядовитостью для всего живого - от едва различимых под микроскопом бактерий до крупнейших животных.
Ядовитость газа, названного за свой цвет хлором (от греческого слова "хлорос" - зеленовато-желтый), объясняется его большой химической активностью. Он легко вступает в соединение почти со всеми химическими элементами, в том числе со многими металлами (натрием, калием, медью, оловом и др.). При химическом взаимодействии хлора с другими элементами выделяется большое количество тепла и света. Отнимая водород от воды, входящей в состав каждой клетки растительных и животных организмов, хлор тем самым разрушает структуру их, что влечет гибель всего живого.
Активность хлора "убила" и его самого. В природе в свободном состоянии он не встречается. Если же где-либо и образуется при редких условиях (например, при извержениях подводных морских вулканов), то в очень небольших количествах, и тотчас исчезает в результате взаимодействия с окружающими веществами.
Одно из наиболее распространенных соединений хлора - поваренная соль. Но не каждому, пожалуй, известно, каково количество имеющейся на земном шаре соли. А оно огромно! В растворенном состоянии соль содержится в воде морей и океанов. В твердом виде вся соль заняла бы 20 000 000 куб. км. Таким количеством соли можно било бы засыпать всю поверхность суши земного тара (149 000 000 км2) слоем более сотни метров толщиной.
В растворенном состоянии соль содержится в минеральных озерах, соляных ключах и соляных ручьях (несколько таких ключей вносят свои воды в озеро Баскунчак). На дне русла высохшей реки Узбой соль залегает на большом протяжении сплошным соляным пластом. Огромные куполообразные глыбы соли, целые соляные горы находятся в недрах земли и на ее поверхности, например, гора Ходжа-Мумын в Южном Таджикистане" сплошь состоящая из каменной соли, подымается на 900 м над уровнем моря.
Соль - необходимое соединение для организмов животных и человека. В организме человека содержится до 200 г соли. Важное значение соли в организмах наземных животных и правильное соотношение между солью и другими соединениями хлора, находящимися в крови наземных животных, приближающееся к тому, которое имеется в морской воде, рассматривается некоторыми учеными как доказательство происхождения наземных животных из морских организмов.
Соль открывает историю искусственного получения хлористых соединений и самого хлора. Начало этой истории связывается с 1648 г., когда немецкий химик и врач Иоганн Глаубер, нагревая влажную соль на угле, получил, конденсируя выделяющийся дым, сильную кислоту, названную им "соляным спиртом".
Следует указать, что в книге "Триумфальная колесница антимония", написанной Василием Валентином, жившим в начале XV столетия, среди подробного описания свойств и медицинского применения сурьмы и некоторых соединений висмута упоминается также и "соляный спирт". Видимо, нужно допустить, что последний был известен до Глаубера, и Глаубер лишь открыл и описал способ приготовления этого вещества. Однако современные историки химии полагают, что сочинения Василия Валентина написаны врагами Парацельса с целью доказать, что все написанное им было известно уже в XV в., поэтому, может быть, и упоминающийся в этой книге "соляный спирт" внесен в нее после открытия Глаубера. В 1772 г. английской химик Пристли, изучив свойства раствора "соляного спирта" в воде, назвал его соляной кислотой. В 1774 г. шведский химик Шееле нашел, что соляная кислота, при нагревании с двуокисью марганца, дает желто-зеленый газ - хлор.
Хлор не сразу нашел применение. Впервые хлор был использован в медицине. Раствор хлора в воде- хлорная вода - рекомендовалась как дезинфицирующее вещество врачам и студентам-медикам при работе на трупах. В 30-х годах прошлого столетия хлорную воду использовали для ингаляции при туберкулезе легких, дифтерии и некоторых других болезнях.
С развитием техники области применения хлора все более и более расширялись. Он применялся при изготовлении многочисленных химических соединений в анилиново-красочной и фармацевтической промышленностях, в производстве соляной кислоты, хлорной извести, гипохлоритов и т. д. Большие количества хлора используются для отбелки тканей и целлюлозы в бумажной и текстильной промышленностях. В цветной металлургии хлорированием получают некоторые металлы из руд. В химии высокомолекулярных соединений хлор используется при изготовлении пластических масс, синтетических волокон, каучука и т. д. Интересным свойством обладает одно из кислородных соединений хлора с магнием (хлорат магния). При действии этого вещества на хлопчатник последний теряет листья. Это используется при сборе хлопка. Веществ с подобным действием получено уже много. Они называются дефолиантами.
В первую мировую войну хлор нашел неожиданное применение как оружие массового уничтожения.
Вскоре после хлора был применен другой удушающий газ - фосген - соединение хлора с окисью углерода. Название нового, газа отражало один из способов его получения. Это соединение образуется под влиянием солнечных лучей (от греч. "фос" - свет и "генао" - произвожу, т. е. рожденный светом).
В 1917 г. массовое применение нашел иприт, который тоже содержал в себе хлор. К концу войны применялось более 50 различных боевых отравляющих веществ, 95 % которых были производными хлора. Чтобы судить об эффективности 0В на полях войны, достаточно указать, что в одной только английской армии, занимавшей среди воюющих государств 5 место по своей численности, с июля 1917 г. по ноябрь 1918 г. 0В вывели из строя более 160 000 человек.
1.2. Недостатки хлора как реагента для обеззараживания воды
Более чем вековой опыт использования метода обеззараживания воды хлором, завозимым на водоочистные станции в сжиженном виде, позволил выявить отдельные недостатки этого метода:
1.2.1.Хлор является сильно действующим ядовитым веществом, поэтому очистные станции, использующие хлор для обеззараживания, являются объектами повышенной опасности.
1.2.2.Необходимость точной дозировки хлора. Недостаточная доза хлора может привести к тому, что он не окажет необходимого бактерицидного действия; излишняя доза хлора ухудшает вкусовые качества воды. Показателем достаточности принятой дозы хлора служит наличие в воде так называемого остаточного хлора (остающегося в воде от введенной дозы после окисления находящихся в воде веществ). Согласно нормативным требованиям, для предотвращения вторичного заражения воды концентрация остаточного хлора концентрация остаточного хлора в ней должна быть не ниже 3 мг/л.
1.2.3.Необходимость обеспечения хорошего смешивания хлора с водой и достаточной продолжительности их контакта (не менее 30 минут) их контакта.
1.2.4.Возможность утечки хлора при использовании напорных хлораторов. Ввиду ядовитости хлора утечка его представляет опасность для обслуживающего персонала.
1.2.5.Необходимость хранения большого запаса хлора на станциях. Так как из одного баллона (при комнатной температуре) может быть получено лишь около 0,5-0,7 кг хлора в час, то при большом общем расходе хлора может возникнуть необходимость одновременного использования значительного числа баллонов. Во избежание этого принимают меры по увеличению съема хлора, обогревая баллоны нагретым воздухом или водой. Однако на крупных станциях этих мероприятий оказывается все же недостаточно и приходится менять более емкую тару.
1.2.6.Соблюдение особых правил при устройстве хлораторных установок. При проектировании и эксплуатации хлораторных установок надо учитывать требования, направленные на предохранение обслуживающего персонала очистной станции от вредного действия хлора.
1.2.7. Наиболее существенным из перечисленных недостатков является способность хлора в случае его утечки поражать не только обслуживающий персонал, но и население прилегающей к водоочистной станции территории. Эта его способность обусловлена летучестью и ядовитыми свойствами хлора. Газ хлор настолько ядовит и способен распространяться по территории, что раньше использовался в качестве боевого отравляющего вещества.
В связи с изложенным хранение его на складах представляет реальную опасность для городов и населённых пунктов. В крупных городах опасность усугубляется тем, что ядовитый газ хранится под давлением в значительных количествах (до 100 тонн) на водоочистных станциях, очень часто расположенных в черте города.
Эти обстоятельства, а также принятый недавно федеральный закон «О промышленной безопасности производственных объектов», предусматривающий страхование потенциально опасных производств и взимание страховых взносов с потребителей сжиженного хлора в размере до 70000 минимальных оплат труда, обусловливают необходимость поиска альтернативных хлору вариантов обеззараживания воды.
1.2.8. Одним из недостатков хлорирования воды является образование побочных продуктов – галогенсодержащих соединений (ГСС), большую часть которых составляют тригалометаны (ТГМ): хлороформ, дихлорбромметан, дибромхлорметан и бромоформ. Образование тригалометанов обусловлено взаимодействием соединений активного хлора с органическими веществами природного происхождения. Процесс образования тригалометанов растянут во времени до нескольких десятков часов, а их количество при прочих равных условиях тем больше, чем выше рН воды. Поэтому применение гипохлорита натрия или кальция для дезинфекции воды вместо молекулярного хлора не снижает, а значительно увеличивает вероятность образования тригалометанов. Наиболее рациональным методом уменьшения побочных продуктов хлорирования является снижение концентрации органических веществ – предшественников тригалометанов на стадиях очистки воды до хлорирования.
В настоящее время предельно допустимые концентрации для веществ, являющихся побочными продуктами хлорирования, установлены в различных развитых странах в пределах от 0,06 до 0,2 мг/л и соответствуют современным научным представлениям о степени их опасности для здоровья. Научная дискуссия о способности этих веществ вызывать рак и проявлять мутагенную активность, длившаяся в США в течение многих лет, завершилась признанием их безопасности в указанном выше диапазоне концентраций.
Однако, безусловно, уменьшение концентрации побочных продуктов хлорирования, точно так же, как и побочных продуктов озонирования, представляющих гораздо большую опасность (см. таблицу 1), чем побочные продукты хлорирования, является одной из основных причин поиска новых технологий и средств обеззараживания питьевой воды. В таблице 1 приведены сведения о достоинствах и недостатках известных основных и альтернативных методов и технологий обеззараживания воды.
Таблица 1.
Характеристики некоторых дезинфектантов воды
|
Анализ этих данных позволяет увидеть, что среди известных методов нет идеального, точно так же, как не существует рецепта «идеальной» питьевой воды при всей важности влияния ее состава на здоровье человека. Очевидно, что состав и свойства питьевой воды определяются географическими, геологическими, климатическими, гидрологическими условиями и региональными различиями в степени и характере хозяйственного освоения территории. Поэтому регламентация качества питьевой воды в развитых странах основана на достоверных, научно обоснованных нормативах ее микробиологического (приоритетный показатель) и химического состава с позиций безопасности и безвредности для человека и определяет порядок контроля качества подаваемой населению воды, наиболее полно учитывающий региональные условия формирования и состав воды источника, а также применяемые методы водоподготовки и доставки воды потребителям.
1.3. Альтернативные методы обеззараживания воды
К настоящему времени разработаны и внедряются в промышленных масштабах
следующие альтернативные методам на основе хлора методы обеззараживания воды:
озонирование, ультрафиолетовое облучение и другие методы.
Антисептик под названием "анавидин" разработан специалистами Иркутского института химии СО РАН. С его помощью можно осуществлять обеззараживание питьевой и бытовой воды. При этом, в отличие от жидкого хлора, которым сейчас осуществляется обеззараживание, антисептик не обладает вредным воздействием на организм человека.
Анавидин обладает широким спектром антибактериального действия, причем уничтожает ряд бактерий и вирусов, устойчивых к хлору. Кроме того, анавидин не имеет токсичного действия, хорошо растворяется в воде, не придает ей дополнительных вкусов и запахов. В процессе приготовления не требует специальных сооружений и дополнительных мер безопасности. Для обеззараживания воды требует 1 мг препарата на 1 л воды, полная очистка воды происходит через 60 минут.
Применение анавидина для очистки питьевой воды разрешено Департаментом Государственного санитарно-эпидемиологического надзора РФ. Препарат может использоваться как в промышленности, так и в системе очистки городских сточных вод.
Также применяются другие дезинфицирующие вещества: Аламинол, Акватабс 8, Деконекс 50, Гипохлорид кальция, Дехлор, Жавелион 1500, ЖавельСолид 1500, Клорсепт-17, Клорсепт-25, Ника экстрам, Пюржавель 1500, Хлорамин и т.д.
1.3.1. Электрохимические методы
Наиболее часто при этом прибегают к использованию электрохимических методов.
Электрохимические методы обеззараживания природных и сточных вод находят всё более широкое применение в технологии водоподготовки как у нас в стране, так и за рубежом.
В настоящее время наиболее перспективным методом является метод обеззараживания воды с использованием электролитического гипохлорита натрия, получаемого на месте потребления путем электролиза растворов хлоридов. Сохраняя все достоинства метода хлорирования с применением жидкого хлора, метод обеззараживания электролитическим позволяет избежать основных трудностей таких как транспортирование и хранение токсичного газа.
Гипохлорит натрия применяется для обработки бытовых и промышленных вод, для разрушения животных и растительных микроорганизмов, устранения запахов (особенно образующихся из серосодержащих веществ), обезвреживания промышленных стоков, например, от цианистых соединений.
Он может быть использован для обработки воды, содержащей аммоний. Процесс осуществляют при температуре выше 700С в щелочной среде с добавлением СаСl2 или CaCO3 для разложения соединений аммиака.
Для очистки от фенолов (содержание 0,42 – 14, 94 мг/л) используют 9% раствор гипохлорита натрия в количестве 0,2-8,6 мг/л. Степень очистки достигает 99,99%. При обработке гипохлоритом воды, содержащей фенолы, происходит образование фенолоксифенолов.
В ходе обработки вод, содержащих гумусовые кислоты, последние превращаются в хлороформ, дихлоруксусную кислоту, трихлоруксусную кислоту, хлоральдегиды и некоторые другие вещества, концентрация которых в воде значительно ниже. Известны данные об использовании натрия для удаления ртути из сточных вод.