自来水的氯化消毒原理及其造成的二次污染

            

《水质污染分析与监测》课题组

 

自来水氯化的主要目的就是防止水传播疾病，这种方法后来逐渐得到推广，时至今日几乎成了一种常规方法。可是，随着科学研究的深入，发现氯化后的自来水出了其它一些令人遗憾的结果。经过氯化之后，饮用水中会产生哪些物质？如何供给既清洁又安全的优质饮用水？均成为现代都市人所关心的重要问题。

1、 氯化消毒的原理与方法

人类的饮用水绝大多数是经过自来水厂加工生产的地下水。对于清洁的地下水在其转变为饮用水之前，只需加入少量氯化剂就可以防止在输送过程中由于细菌产生的污染；而如果是取自江河中的水，一般就要在水厂进行二次氯化消毒。可见，氯是给水技术中应用最多的一种氧化剂。它广泛用于水的消毒，可消除水中产生臭味的硫化氢、有机物，并可控制水中藻类的繁殖等。这类方法称为氯化法。水的氯化过程使用的主要作用的是次氯酸。对能产生臭味的无机物来说，它能将其彻底氧化消除，对于有生命的天然物质如藻类、细茵而言，它能破坏细胞膜内的酶系统而使其失去活性，使细菌的生命活动受到障碍而死亡。因次氯酸本身呈电中性。容易接近细菌体而显示出良好的灭茵效果。次氯酸根离子也具有一定的消毒作用，但它带有负电荷而较难以接近细胞体，因而较之次氯酸其灭茵效果要差得多。次氯酸是一种弱酸，在pH值6以下很少电离，次氯酸和次氯酸根的含量与水温和pH有关。在一般的常温、中性水中，HClO,ClO¯的含量比分别为80%和20%。HClO和ClO¯又称为有效游离氯。

氯化法所用药剂除气态和液态氯之外，还有以下几种：

（1）     （1）         漂白粉CaCl(OCl)

这是石灰氯化而得到的制品

Ca(OH)₂+Cl₂=CaCl(ClO)+H₂O

在溶液中可电离而生成次氯酸根离子，

CaCl(ClO)=Ca²⁺+Cl¯+ClO¯

一般漂白粉中含CaCl(ClO)约70%，实际有效氯约含35%，在保存中易于散失，可用于简易氯化条件。

（2）     （2）         漂白精或次氯酸钙Ca(ClO)₂

这种制品中含实际有效氯70—80%，高于一般漂白粉，且在保存中较稳定，在容液中同样持成次氯酸根离子。

（3）     （3）         次氯酸钠NaClO

以氯气通入苛性钠制得。这种制品是溶液，比前两种石灰乳状液便于使用。以上三种次氯酸盐都是生成次氯酸根离子发生水解反应。因分子状的HClO为量不多，其效果不如Cl2强有力。

（4）     （4）         氯—氨

氯和次氯酸可与氨反应生成一氯胺、二氯胺和三氯胺。一氯胺和二氯胺具有明显的消毒作用。因此，在水消毒时也可以采用这种方法，即氯氨法。它的作用原理是：氨在水中存在电离平衡：

NH₃+H₂O=NH₄⁺+OH¯

氯水分解后的次氯酸可以与NH₃和NH₄⁺双双发生反应。

    NH₃+HClO=NH₂Cl+H₂O             (1)

    NH₄⁺+HC1O=NH₂C1+H₃⁺O            (2)

NH₂C1+HC1O=NHC1₂+H₂O             (3)

NH₂C1+2HC1O=NC1₃+2H₂O           （4）

    反应生成一氯胺后，可以继续反应生成二氯胺及三氯胺。一氯胺和二氯胺具有一定的消毒能力，但氯胺的消毒能力要比氯低。例如对某种芽胞消毒时，NHC1₂的消毒效果就相当于HC1O的60%。氯胺消毒机理可以认为是一种重又放出HC1O的过程，亦即（1）、（2）、（3）、（4）等式的逆向反应。由于这些反应都是趋向于氯胺的一方，逐步放出HOC1，逐步对发生氧化反应，所以氯化和消毒作用进行缓慢，这样，在氯化的同时投加氨，就优先生成氯胺，然后逐步对其它物质发生氧化，溶液中的游离氯很少。因此，氯胺是把氯储存起来，在需要时逐渐放出。在水中含酚时，若采用氯氨法消毒，由于优先生成氯氨，可避免产生氯酚臭味，氯胺的作用时间长，可在水中较长时间保持氯化杀茵作用，所以使用氯氨消毒可以防止细菌再次污染繁殖。

（5）     （5）         各种氯化剂有效成分的比较

各种氯化剂的氯化能力可以用有效氯来表示。它的含义是氯化剂所含C1中可起氧化作用的比例，是以C1₂作为100%来进行比较的。C1₂含有2C1，在起氧化作用时，夺取的电子数也是2e¯，其有效系数可认为等于2e¯/2C1，其它的氯化剂可按这一原则进行计算。计算所得为理论有效氯含量，实际产品不一定达到。各种氯化剂的有效氯见下表：

 

化合物	C12	HOC1	NaOC1	CaC1(OC1		Ca(OCl)2
有效氯	100	135．4	95．4	56		99.2
化合物	C1O2酸性	C1O2中性	NaClO2	NH2Cl	NHCl2	NCl3
有效氯	263	52.6	156.8	138	165	265.5

 

2、氯化后的水质对健康的影响

    在采用氯气消毒前，需氯量必须得到满足，而氯可以与各种各样的物质反应，反应结果产生了大量被氯化的有机物。目前为止，全世界已在水中测定出2211种有机化合物。

已经证实，氯化消毒在水中所产生的三氯甲烷类物质是一种致癌、致畸和突变的化合物。

水中的致癌、促癌、致突变物是作为消毒剂使用的氯投入水中后所产生的HClO与水源所含的某些有机物（如酮、醛、叶绿素、间苯二胺、腐殖酸、氢醌、吲哚、间苯二酚）作用而生成。研究结果证明腐殖酸是一类重要的致突变前体物。腐殖酸中最多的是间苯二酚型的二羟基芳香环。其间位的2个羟基为氯仿生成的活性点，它很容易生成三卤甲烷。腐殖酸的含量与水的致突变的活性呈正相关（如下表）。

腐殖酸氯化后形成的三氯甲烷和致突变率

腐殖酸（mg/L）	0．2	0．5	1．0	对照
三氯甲烷（ppb）	8．5	18．0	30．5	未检出
突变率	1．00	1．82	2．30	0．95

 

氯能与酚反应产生单氯酚。二氯酚或三氯酚，并把强烈的药味及臭味传递到水中。据研究强烈的氯酚味主要是由2，6-二氯酚产生的。这种反应是在要有比含酚量过量数倍的氯存在下才能进行。当含量为0.01毫克/升时，其半分解时间就需要8天之久，这时，酚的中间产物就出现于水中，表现出强烈的氯酚味。因此，天然水体中容许最大含酚量浓度规定为0.001毫克/升。

根据研究，若在饮用开水时，将沸水继续加热3分钟，可消除卤代烃含量最高的夏秋季节，我们在饮用自来水时，最好是延长水的沸腾时间，使水中难挥发的有机物得到消除以保证健康。

                                                         

 

              2001年12月10日

 

参考文献：

孙树萍，杜庆君.    自来水生产中的氯化处理及问题 .  《化学教学》2001年第9期