Смешанный окислитель
Смешанный окислительный раствор (MOS) — это тип дезинфицирующего средства , которое имеет множество применений, включая дезинфекцию, стерилизацию и уничтожение патогенных микроорганизмов в воде. [1] МОП может иметь такие преимущества, как более высокая дезинфицирующая способность, стабильный остаточный хлор в воде, устранение биопленки и безопасность. [2] Основными компонентами МОП являются хлор и его производные ( ClO − и HClO ), которые получают электролизом хлорида натрия . [3] Он также может содержать большое количество гидрокси-радикалов , диоксида хлора , растворенного озона , перекиси водорода и кислорода , от чего и произошло название «смешанный окислитель».
Производительность
[ редактировать ]Реакции
[ редактировать ]Смешанный раствор окислителей (MOS) производится электролизом на месте . Концентрация напряжению выходящего дезинфицирующего средства пропорциональна концентрации вводимой соли, , температуре , току и времени электролиза. [4] Производственная система MOS содержит коррозионностойкие электроды со стабильными размерами или аноды (DSA) и устроена так, что разные напряжения для электролиза подаются одновременно к различным частям. Таким образом, на анодном и катодном полюсах происходят разные реакции, в результате чего образуются различные окислители. [5]
В этом процессе хлорида ионы на аноде преобразуются в газообразный хлор. После снижения концентрации хлорид-ионов в присутствии ClO − и соединения Cl 2 в растворе и при соблюдении необходимых условий получают ClO 2 и сохраняют конечный раствор. [6]
| Полуреакция | Е° (В) |
|---|---|
| 2 кл. − ⇌ Cl2 + 2e − | −1.36 |
| 0,5Cl 2 + H 2 O ⇌ HClO + H + + и − | −1.61 |
| кл. − + H 2 O ⇌ HClO + H + + и − | -1.48 |
| кл. − + 2 ОН − ⇌ ClO − + Н 2 О + 2е − | -0.81 |
| HClO + H 2 O → ClO 2 + 3H + + 3е − | -1.19 |
Для получения озона необходимо обеспечить условия для реакций электролиза воды. При этом имеют место следующие полуреакции (которые приведены ниже). Газообразный водород выделяется на катоде, а газообразный кислород — на аноде. При повышении напряжения изменяется анодная полуреакция и образуется озон. [7]
| Полуреакция | Е° (В) |
|---|---|
| 2H2O 2е + − ⇌ Н 2 + 2ОН − | −0.8277 |
| 2Н 2 О ⇌ О 2 + 4Н + + 4е − | −1.229 |
| 3Н 2 О ⇌ О 3 +6Н + +6е − | −1.53 |
На скорость образования озона влияют условия электролизного реактора. Длительные реакции способны образовывать раствор, насыщенный озоном, хотя растворимость озона зависит от концентрации других ионов. [8]
На следующем этапе, при незначительном изменении условий реакции, образуется перекись водорода. Перекись водорода и озон образуются в результате разных полуреакций, но на практике может происходить каждая из них. [6]
| Полуреакция | Е° (В) |
|---|---|
| О 2 + Н 2 О ⇌ О 3 + 2Н + + 2е − | −2.076 |
| О 2 + 2ОН − ⇌ О 3 + Н 2 О + 2е − | −1.24 |
| 3Н 2 О ⇌ О 3 + 6Н + + 6е − | −1.53 |
| О2 + 2Н + + 2е − ⇌ 2OH2O2 | −0.7 |
| 2Н 2 О ⇌ Н 2 О 2 + 2Н + + 2е − | −1.776 |
| НО 2 + Н + + и − ⇌ OH2O2 | −1.495 |
Различные условия, включая изменения напряжения, тока, концентрации, pH , температуры , расхода и давления, изменят стандартный потенциал восстановления и, как следствие, скорость различных реакций. Однако протяженность электродов в реакторе, создающая многослойность электролита и неодинаковые условия на поверхности электродов, вызовет серьезные изменения в стандартных режимах полуреакций. [7]
Производственная ячейка
[ редактировать ]
В основе ячейки производства смешанных окислителей лежит электролиз водного раствора хлорида натрия . Для получения раствора смешанных оксидантов используются различные типы электролизных ячеек, такие как мембранная ячейка или стандартная контактная ячейка (как униполярная, так и биполярная). [9]
Мембранная клетка
[ редактировать ]Эта ячейка состоит из анодного и катодного электродов с ионообменной мембраной между ними. Эта мембрана пропускает через себя катионы и направляет их к катоду. [10] Эта ячейка имеет два входа и два выхода для воды. Одна пара входа и выхода расположена на стороне катода, а другая пара — на стороне анода. [11]
Некоторые клетки имеют различные типы мембран. Некоторые используют ионообменные мембраны, способные переносить катионы и анионы через стороны. В эти ячейки соляной раствор подается с одной стороны, а вода – с противоположной. [12]
Полуреакция в катодной камере выглядит следующим образом:
- 2NaCl + 2H 2 O + 2e − → 2 NaOH + 2Cl − + Ч 2
На анодной стороне часть хлорид-ионов окисляется и растворяется в проходящей воде в виде Cl 2 , HOCl и небольших количеств ClO 2 за счет электролиза воды. небольшие количества озона и газообразного кислорода На анодной стороне образуются . Основная полуреакция на анодной стороне:
- 2Cl − → 2е − + кл 2
- кл. − + H 2 O → HClO + H + + 2е −
Когда вода протекает через анодную камеру, она растворяет хлор и его соединения. Добавив необходимое количество этой смеси в воду, ее можно очистить. Раствор, выходящий из анодной камеры в мембранных реакторах, кислый, с pH около 2-3. Для электролизера такого типа подходят фиксированные титановые электроды, устойчивые к коррозии на аноде. [13]
Безмембранная клетка
[ редактировать ]
По строению ячейка без мембраны аналогична мембранной ячейке, за исключением того, что она имеет один вход рассола и один выход для продуктов. При этом анодные и катодные продукты смешиваются и поступают на выход ячейки. Поскольку pH полученного раствора составляет около 8-9, использование этого раствора для дезинфекции может оказаться непригодным для применений, чувствительных к щелочам. В таких ситуациях для снижения pH добавляется кислый раствор. Этот тип клеток может быть униполярным или биполярным, как описано ниже. [14]
Типы сотовых соединений
[ редактировать ]Электролизеры с более чем одной парой анодов и катодов имеют два типа расположения: униполярное и биполярное.
Униполярное расположение : элементы расположены параллельно и, следовательно, имеют одинаковую разность потенциалов между парой анод-катод. Общий ток равен сумме токов каждой пары, а напряжение равно напряжению одной пары. В этом случае напряжение всей системы низкое, а ток высокий. [14]
Биполярное расположение : ячейки соединены последовательно. [14] Биполярный порядок имеет несколько конфигураций. В одном случае центральные электроды с одной стороны действуют как анод, а с другой стороны как катод. В других случаях половина электродной пластины с обеих сторон является анодом, а другая половина — катодом.
Сравнения
[ редактировать ]Преимущества смешанного раствора окислителя по сравнению с другими методами дезинфекции
[ редактировать ]Применение раствора смешанного окислителя для дезинфекции воды имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами, такими как отбеливатель гипохлорита натрия и гипохлорит кальция . Дезинфицирующий эффект применения смешанного окислителя более эффективен и вызывает меньше проблем с безопасностью, чем другие методы, такие как хлорирование и озонирование . Обычно это считается более безопасным и с меньшим риском. Краткое описание сравнения методов дезинфекции представлено в таблице ниже. [15]
| Смешанный окислитель | Отбеливатель местного производства | УФ | Озон | Диоксид хлора | хлорамин | Гипохлорит кальция | Отбеливать | Хлорный газ | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Эффективная дезинфекция | да | да | да | да | да | да | да | да | да |
| безопасность | да | да | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| Остаточный хлор | да | да | нет | нет | нет | да | да | да | да |
| Меньше тригалометанов производства | да | нет | да | да | да | да | нет | нет | нет |
| Меньше хлорита и бромата производства | да | да | да | да | нет | да | да | да | да |
| биопленки Удаление | да | нет | нет | нет | да | нет | нет | нет | нет |
| водорослей Удаление | да | нет | нет | да | да | нет | нет | нет | нет |
| вирусов Удаление | да | нет | нет | да | нет | нет | нет | нет | нет |
| Удалить паразитов яйца | да | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет | нет |
| Использование в предварительной обработке | да | нет | нет | да | да | да | нет | нет | нет |
| Удаление вкуса и запаха | да | нет | нет | да | нет | нет | нет | нет | да |
| Простота обслуживания | да | да | нет | нет | нет | да | нет | нет | да |
эффективность смешанного окислителя и отбеливателя с точки зрения дезактивации бактерий и вирусов В следующей таблице сравнивается . Во многих случаях смешанный окислитель более эффективен против патогенов либо за счет инактивации большего количества патогенов, требуя меньшего времени контакта, либо за счет меньшего количества продукта, чем отбеливатель. [16] MOS также эффективен против большего количества бактерий и вирусов, чем отбеливатель. [16]
| Микроорганизмы | Скорость впрыска (мг/л) | Время контакта (мин) | Инактивация (бревно) | Дифференциация Параметр | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Смешанный окислитель | Отбеливать | Смешанный окислитель | Отбеливать | Смешанный окислитель | Отбеливать | ||
| Бактерии | |||||||
| Холерный вибрион | 2 | 2 | 1.8 | 4.0 | 4 | время | |
| кишечная палочка | 2 | 2 | 3.8 | 5.0 | 4 | время | |
| синегнойная палочка | 2 | 2 | 10 | 10 | >4,8 | 2.2 | Эффективность |
| Легионелла пневмофила | 2 | 2 | 10 | 10 | 5 | 4.7 | Эффективность |
| Золотистый стафилококк | 2 | 2 | 60 | 60 | 1.6 | 0.8 | Эффективность |
| 4 | 4 | 60 | 60 | 3.7 | 2.3 | ||
| Листерия моноцитогенная | 2 | 2 | 60 | 60 | 2 | 0.8 | |
| 4 | 4 | 60 | 60 | 3.7 | 1.2 | ||
| бактерий Споры | |||||||
| Бацилла стеаротермофильная | 2 | 2 | 30 | 30 | >5 | 2.5 | Эффективность |
| Спора Clostridium perfringens | 2 | 2 | 13 | 18 | 2 | время | |
| Споры Bacillus globigii | 2.5 | 2.5 | 15 | 15 | 3.6 | 2.4 | Эффективность |
| Вирусы | |||||||
| MS2 Колифаг | 2 | 2 | 70 | 168 | 4 | время | |
| Вакцина (суррогат оспы) | 5 | ~70 | 20 | 10 | 4 | 3 | Время, концентрация, эффективность |
| полиовируса 1 Вакцинный штамм | >4 | ЧТО | 30 | ЧТО | >5,5 | ЧТО | |
| Ротавирус SA-11 | >4 | ЧТО | 30 | ЧТО | >5,5 | ЧТО | |
| Ооцисты простейших | |||||||
| Лямблии лямблии | >4 | ЧТО | 30 | ЧТО | 4 | ЧТО | |
| Криптоспоридий минор | 5 | 5 | 240 | 1440 | 3 | >нет | Время и эффективность |
| Ооцисты Cryptosporidium parvum | 25 | 25 | 240 | 240 | >1 | 0.25 | Эффективность, qRT-PCR и культура тканей на инфекционность. |
Сравнение мембранной клетки и безмембранной клетки
[ редактировать ]Ячейка для производства смешанных оксидантов обычно работает независимо от мембраны. Каждая из этих структур имеет свои преимущества и недостатки, которые следует учитывать. Выход безмембранных клеток содержит ионы гидроксида , которые повышают pH; поэтому это влияет на состав выпускаемой продукции. Чтобы поддерживать pH в нейтральном диапазоне, соляную или серную кислоту в обеззараженную воду необходимо добавлять . В клетках такого типа основным продуктом является гипохлорит натрия. С другой стороны, в ячейках с 1 мембраной выход анода (анолит) является кислым, а выход катода (католит) — основным. Анолит (кислый раствор) содержит более четырех видов окислителей, что позволяет сделать дезинфекцию более эффективной. Выходные компоненты этих двух разных ячеек сравниваются в таблице ниже. [14]
| Окисляющее вещество | Единицы | Мембранная клетка | Безмембранная клетка |
|---|---|---|---|
| pH=2–3 | рН=8 | ||
| озон | ppm | 20 | - |
| Диоксид хлора | ppm | 26 | - |
| Хлорноватистая кислота | ppm | 1800 | - |
| Гипохлорит натрия | ppm | - | 1400 |
| Перекись водорода | ppm | 40 | 0 |
| Кислород | ppm | 11 | 5 |
| ОВП | мВ | 1140 | 966 |
При pH выше 5 большая часть хлорноватистой кислоты превращается в гипохлорит-ионы, которые являются более слабым окислителем по сравнению с хлорноватистой кислотой. Кроме того, в мембранной клетке могут вырабатываться другие мощные окислители, такие как озон, диоксид хлора и перекись водорода, которые эффективны для уничтожения бактерий и исключения [ нужны разъяснения ] биопленки в системах распределения воды и контейнерах.
| Свойство | Единицы | Биполярная ячейка без мембраны | Мембранная клетка |
|---|---|---|---|
| Потребление соли | Грамм на грамм хлора | 5 | 5 |
| Потребление электроэнергии | Ватт на грамм смешанного окислителя | 7 | 7 |
| Расход кислоты | Соляная кислота | Лимонная кислота | |
| Потребление воды | Литр на грамм смешанного окислителя | 1 | 2 |
| Максимальная концентрация смешанных окислителей | Грамм на литр | 1.6 | 1.8 |
| Запах хлора | да | да | |
| pH раствора | 8–9 | 2.5–3 |
Сегодня мембранно-клеточные системы являются одними из наиболее перспективных и быстроразвивающихся методов получения хлорщелочного продукта (см. хлорщелочной процесс ) и, несомненно, заменят другие методы. С 1987 года практически все новые хлорщелочные заводы по всему миру используют мембранную систему. Однако из-за их длительного срока службы и высокой стоимости замены существующие ртутные и диафрагменные элементы заменяются мембранными элементами очень медленно. [14]
Приложения
[ редактировать ]Смешанные окислительные растворы для очистки воды могут повысить безопасность, снизить общую скорость коррозии, повысить производительность и сэкономить деньги. МОП может быть более эффективным, чем отбеливатель, и его можно использовать для самых разных целей. Некоторые из этих приложений приведены ниже.
охлаждающей воды Очистка : MOS для промышленной очистки и дезинфекции охлаждающей воды повышает безопасность и термическую эффективность, снижает общую скорость коррозии, повышает производительность и экономит деньги, что приводит к сокращению времени простоя , технического обслуживания и затрат. Кроме того, это может повысить безопасность на рабочем месте, исключив обработку и хранение опасных химикатов, сохраняя при этом постоянный микробиологический контроль. [17]
в градирне Очистка воды : MOS повышает эффективность, безопасность и стоимость градирни по сравнению с традиционными методами биоцидной обработки для предотвращения легионеллы, удаления биопленки и инактивации других организмов, переносимых водой, снижающих производительность. [18]
Очистка промышленной технологической воды и сточных вод : MOS является самым дешевым поставщиком хлора для дезинфекции и окисления технологической воды и сточных вод перед сбросом. Он используется при очистке промышленных сточных вод. Химия МОП более эффективна в борьбе с биопленками. Биохимическое и химическое удаление потребности в кислороде, хлорирование аммиака и удаление сероводорода . [19]
Муниципальные сточные воды в мире : повторное использование воды, являющейся одним из самых ценных природных ресурсов , становится все более важным. MOS является одновременно наиболее экономичным решением и предпочтительной технологией дезинфекции и окисления сточных вод для повторного использования или повторного введения в окружающую среду, устраняя многие негативные проблемы, связанные с традиционной дезинфекцией хлором. [19]
Питьевая вода и напитки : MOS — проверенное дезинфицирующее средство, позволяющее улучшить качество и безопасность питьевой воды со значительной экономической экономией. Обеспечение чистой и безопасной питьевой водой варьируется от сельских общин до крупных городов. Также обеспечивает чистую, безопасную воду в предприятиях общественного питания и напитков. Он идеально подходит для розлива газированных безалкогольных напитков , пивоварения , молочных ферм, а также для молочной и пищевой промышленности . [20]
Водные виды спорта и бассейны: Альтернативой хлору для очистки бассейнов является MOS. Он может уменьшить раздражение кожи и глаз, а также покраснение и сухость кожи, часто связанные с хлором. MOS также может сократить время и затраты на техническое обслуживание по сравнению с хлором, поскольку необходимость « шокирования » и осушения бассейна сведена к минимуму или вообще не нужна. [21]
Применение на фермах : существует множество потребностей в дезинфекции, для которых MOS используется на фермах, например, для поения скота , дезинфекции питьевой воды, молочных продуктов, доильных операций, погружения до и после сосков, дезинфицирующего средства CIP, охлаждения и увлажнения птицы , обработки подушек, орошения и т . д. очистка капельной линии и удаление железа и марганца из системы водоснабжения. [19]
Управление сырой нефтью и газовыми водами . Повышение нефтеотдачи почти всегда включает в себя какие-либо процессы очистки воды. Технология очистки воды в нефтяной и газовой промышленности включает обеззараживание пластовой воды, воды гидроразрыва, отводных скважин, повышение нефтеотдачи пластов и удаление сероводорода . [22]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Т. Сасахара, М. Аоки, Т. Секигути, А. Такахаши, Ю. Сато, Х. Китасато, М. Иноуэ, Влияние раствора смешанного оксиданта на инфекционность ооцист Cryptosporidium parvum в модели новорожденных мышей, Europe PMC, 2003 г.
- ^ Л. В. Венцель, М. Эрровуд, М. Херд и М. Д. Собси, Инактивация ооцист Cryptosporidium parvum и спор Clostridium perfringens дезинфицирующим средством со смешанным оксидантом и свободным хлором, Appl. Окружающая среда. Микробиол. 1997 год
- ^ У.Л. Брэдфорд, Различия между раствором смешанного окислителя, полученным на месте, и гипохлоритом натрия, Обзор основных функций MIOX, 2011 г.
- ^ Сюй Сюй «Влияние скорости потока воды, концентрации соли и температуры воды на эффективность электролизного генератора окислительной воды» Journal of Food Engineering 60, 469–473, 2003 г.
- ^ GC White, Справочник по хлорированию и альтернативным дезинфицирующим средствам, Нью-Йорк, 4-е издание, 1999.
- ^ Перейти обратно: а б Х. С. Вайнберг, Родригес-Мозас и А. Сайкс, «Характеристика химических компонентов дезинфекции смешанными оксидантами», заключительный отчет проекта, представленный корпорации MIOX факультетом экологических наук и инженерии Университета Северной Каролины, Чапел-Хилл, Северная Каролина. , 23 июля 2008 г.
- ^ Перейти обратно: а б Гордон, Г.Л., 1998 г., «Электрохимическая обработка смешанными окислителями: химическая деталь технологии электролизованного солевого рассола», подготовлено для Национальной лаборатории управления рисками защиты окружающей среды США, Цинциннати, Огайо, май 1998 г.
- ^ Рот, Джон А.; Салливан, Дэниел Э. (май 1981 г.). «Растворимость озона в воде» . Основы промышленной и инженерной химии . 20 (2): 137–140. дои : 10.1021/i100002a004 . ISSN 0196-4313 .
- ^ 47. В.М. Линьков, (2002) Электромембранные реакторы для опреснения и обеззараживания водных растворов. Отчет WRC № 964/1/02, Университет Западного Кейпа, Белвилл, ЮАР.
- ^ Ю. Танака, основы и применение ионообменных мембран, серия «Мембранная наука и технология», 12
- ^ А. Катарина Б.В. Диас «Хлор-щелочной мембранный клеточный процесс», докторская диссертация, Университет Порту
- ^ ET Igunnu и GZ Chen «Технологии очистки добываемой воды», международный журнал Low-Carbon Technologies Advance Access, 2012.
- ^ М. Сигуба «Разработка соответствующих рассольных электролизеров для обеззараживания сельских водопроводов», магистерская диссертация, 2005 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и Комплексное предотвращение и контроль загрязнения (IPPC) - Справочный документ по наилучшим доступным технологиям в хлорщелочной промышленности, 2001 г.
- ^ Перейти обратно: а б Информационный бюллетень Национального информационного центра по питьевой воде
- ^ Перейти обратно: а б с http://www.howelllabs.com/wp-content/uploads/2013/09/Microbial_MOS_VS_HYPO_Comparison_Table_100413.pdf [ только URL-адрес PDF ]
- ^ А. Боал, Альтернатива брому улучшает микробный контроль и общую очистку охлаждающей воды, Ежегодная конференция Института технологий охлаждения, 2015 г.
- ^ WL Брэдфорд, Смешанный окислитель заменяет «коктейль» химикатов в водной системе градирни электростанции, Industrial Waterworld, 2011
- ^ Перейти обратно: а б с Доктор медицинских наук Собси, М. Дж. Кастил, Х. Чунг, Г. Лавлейс, О. Д. Симмонс и Дж. С. Мешке, Инновационные технологии дезинфекции сточных вод и обнаружения патогенов, Труды по дезинфекции, 1998 г.
- ^ К. Крейтон, Б. Уорвуд А. Кампер, Проверка смешанных оксидантов для дезинфекции и удаления биопленок из систем распределения, 1997 г.
- ^ WL Bradford, Механизмы отсутствия жалоб пловца при наличии постоянного комбинированного измерения хлора, 2005 г.
- ^ "Дом" . miox.com .