1.8: Хлор

Цілі навчання

Прочитавши цю главу, ви зможете визначити та пояснити наступні поняття, пов'язані з хлором:

• Термінологія хлору
• Хімія хлору
• Безпека хлору
• Розширені розрахунки хлору

Як обговорювалося в попередніх розділах, хлор є хімічною речовиною, яка найчастіше використовується в галузі водопідготовки для цілей дезінфекції, щоб відповідати стандартам правила обробки поверхневих вод. Хлор використовується в декількох різних формах і може подаватися в систему різними способами. Це дуже небезпечна хімічна речовина, тому завжди слід дотримуватися належних процедур безпеки та поводження. Окрім того, що він використовується як дезінфікуючий засіб, хлор також може використовуватися як контролюючий засіб для видалення водоростей, для смаку та запаху. Інші корисні застосування хлору включають дезінфекцію нової інфраструктури водних об'єктів, таких як труби та резервуари, та окислення заліза, марганцю та сірководню.

Термінологія хлору

Хлор випускається в трьох формах: газоподібної, твердої та рідкої.

• Газоподібний (хлор) —\(\ce{Cl2}\)
• Твердий (гіпохлорит кальцію) —\(\ce{Ca(OCl)2}\)
• Рідина (гіпохлорит натрію) -\(\ce{NaOCl}\)

Невідомо явно, як працює дезінфекція хлором. Одне з пояснень полягає в тому, що хлор атакує бактеріальну клітину і руйнує її. Інша теорія припускає, що хлор дезактивує ферменти всередині клітини, дозволяючи мікроорганізмам використовувати свої харчові запаси. Додавання хлору до водопроводу викликає хімічні реакції між водою та органічними та неорганічними молекулами у воді. Після того, як хлор проводиться розчісування з органічним та неорганічним матеріалом у воді, попит був задоволений.

Доза хлору мінус попит є залишковою. Причиною використання хлору в США над іншими дезінфікуючими хімічними речовинами є здатність хлору залишати тривалий залишок в рамках системи розподілу води. Цей залишок продовжує боротися з потенційними хвороботворними мікроорганізмами після завершення лікування.

Припустимо, що ви працюєте оператором на водоочисній станції. Ваш головний оператор хотів би підтримувати залишок 2,0 мг/л залишкового хлору в системі розподілу. Потреба становить 1,5 мг/л Яку дозу потрібно додати для досягнення залишкової кількості 2,0 мг/л?

\[\begin{align*} \text{Dose} &= \text{Demand} + \text{Residual} \\[4pt] &= 2.0\,\text{mg/L} + 1.5 \, \text{mg/L} \\[4pt] &= 3.5\,\text{mg/L}\end{align*}\]

Тому вам потрібно буде підтримувати в середньому 3,5 мг/л дози хлору, щоб досягти залишкової кількості, яку вимагає ваш головний оператор.

Інша термінологія хлору включає вільний хлор, комбінований хлор та загальний хлор. Важливо зрозуміти ці терміни, перш ніж глибше зануритися в хімію хлорамінування. Термін вільний або доступний хлор відноситься до кількості хлору, який є «вільним» або «доступним» в системі для знищення або дезактивації патогенних організмів. Комбінований хлор - це хлор, який поєднується з іншими молекулами, а загальний хлор - це поєднання вільного або доступного хлору та комбінованого хлору. Хоча комбінований хлор довше зберігається в системі розподілу, він є набагато менш ефективним дезінфікуючим засобом. Також важливо відзначити, що не весь хлор має однакову міцність. Це буде більш ретельно висвітлено пізніше в хімії та математиці частини глави.

Вміст хлору

Як згадувалося раніше в розділі, Хлор доступний в різних станах речовини. Кількість хлору, що використовується для дозування води в очисній споруді, визначається використовуваним з'єднанням. Нижче наведена діаграма, що ілюструє різні сполуки хлору. У стовпчику «Відсотки» вказується відсоток вмісту хлору в з'єднанні. Наприклад, хлорний газ - це чистий хлор і дає найвищий доступний відсоток на 100%.

Таблиця 8.1: Вміст хлору в різних сполуках хлору

З'єднання хлору	Відсоток	Кількість, необхідна для досягнення 1lb
Газ хлору	100	1 фунт
Гіпохлорит кальцію	65	1,54 фунтів
Гіпохлорит натрію	15	0,8 галонів
Гіпохлорит натрію	12.5 (найбільш поширені)	1,0 галонів
Гіпохлорит натрію	5 (побутовий відбілювач)	2,4 галонів

У математичному розділі цієї глави вплив відсотка хлору стане очевидним. Важливо прочитати питання і зрозуміти, яка концентрація хлору додається в очисну споруду. Третій стовпець у таблиці містить фунт або галон, необхідний для конкретної сполуки, щоб забезпечити 1 фунт хлору. Наприклад, якщо вашій рослині потрібна вага або кількість 100 фунтів хлору, а ви використовуєте газовий хлор, тоді ви будете додавати 100 фунтів. хлорного газу. Якщо ви використовуєте гіпохлорит кальцію, вам потрібно буде розрахувати необхідну кількість кілограмів. З таблиці гіпохлорит кальцію становить 65% хлору. Щоб визначити загальну кількість фунтів гіпохлориту кальцію, необхідного для забезпечення 1 фунта хлору, розділіть необхідну дозу на відсоток хлору.

\[100 ÷ 0.65 = 153.8\, lbs\]

Тому вам потрібно буде використовувати 153,8 фунтів гіпохлориту кальцію, щоб отримати 100 фунтів дози хлору.

Фактори успіху хлору

Кілька факторів під час процесу очищення води вплинуть на ефективність хлору. П'ять факторів, які впливають на обробку хлором:

• Концентрація хлору, точніше доза
• Кількість часу контакту хлору з водою
• Температура вихідної води
• РН вихідної води
• Складові у вихідній воді

Кількість часу контакту хлору з водою визначає ефективність знезараження хлором. Формула КТ (Концентрація, помножена на час контакту) використовується для розрахунку часу контакту хлору з водою. С - концентрація залишкового хлору, тому КТ виражається у вигляді (мг/л-хв). Якщо вода йде з резервуара для зберігання питної води, також іменованої прозорою свердловиною, з швидкою швидкістю, то концентрацію хлору доведеться збільшити. Якщо концентрація хлору знижена, то воді доведеться залишатися в контакті з дезинфікуючим засобом більш тривалий період часу. Комбінована обробка хлором, пов'язана з дезінфекцією монохлораміну, зажадає більш тривалих періодів витримки через зниження ефективності.

Температура впливає на обробку хлором різними способами. Хлор є більш ефективним при знищенні патогенів при більш високих температурах, але при більш низьких температурах залишок хлору триватиме довше. Практично кажучи, дезінфекція хлором працює краще при більш теплих температурах, оскільки більше кредитів надається при розрахунку КТ. Рівень рН води також є істотним фактором при обробці хлором. На співвідношення HoCl до OCl- впливає виходячи з рН. HoCl залишатиметься домінуючим дезінфікуючим засобом у воді з нижчим рН, тоді як oCl- залишатиметься у більшій кількості у воді з більш високим рН.

У процесі дезінфекції хлор не тільки вступає в реакцію з організмами, які підлягають знищенню, але він також реагує з мутністю у воді та іншими речовинами, такими як аміак. Зменшення каламутності в очищеній воді за допомогою коагуляції, осідання та фільтрації гарантує, що дезінфекція буде більш ефективною. Максимальний і мінімальний залишок хлору в системі розподілу становить 4,0 мг/л і 0,2 мг/л відповідно. Однак необхідно вжити заходів щодо виправлення, коли ви бачите, що залишок у системі розподілу різко зменшується. Ви ніколи не хотіли б бачити мінімальний залишок хлору 0,2 в системі розподілу.

Хімія хлору

Нижче наведена реакція, яка відбувається між водою і вільним наявним хлором:

\[\ce{Cl2 \,(Chlorine) + H2O \,(Water) → HOCl \,(hypochlorous acid) + HCl\, (hydrochloric acid)}\]

Хлорноватиста кислота більш ефективна з двох форм доступного хлору. По-перше, важливо зрозуміти, як працює попит на хлор. Ми можемо зробити це, вивчивши наслідки додавання вільного доступного хлору до дистильованої води. Якби ми дозували дистильовану воду з 1,0 мг/л вільного доступного хлору, залишковим буде 1,0 мг/л хлору, оскільки в дистильованій воді немає нічого, що реагувало б з хлором, крім самої води. У дистильованої воді відсутні домішки.

Зрозуміло, що сира вихідна вода заповнена домішками. Хлор матиме багато складових, з якими можна реагувати в процесі обробки. Коли хлор реагує з водою та домішками, п'ять різних типів залишків хлору призводять. Наступна діаграма ілюструє ефективність кожного типу залишкових. Найбільш ефективною є хлорноватиста кислота (HoCl), тому ефективність решти чотирьох типів залишків порівняно з HoCl.

Таблиця 8.2: Ефективність різних залишків

Залишковий	Абревіатура	Ефективність
хлорноватиста кислота	HOCl	1
Гіпохлорит іон	прохолодні	1%
Трихлорамін	нКл 3	Більше інформації далі в розділі
Дихлорамін	НГЛ 2	1.25%
монохлорамін	NH 2 Кл	6.67%

Як показано на графіку, дихлораміни є «більш ефективним» дезінфікуючим засобом, ніж монохлораміни, але їх використання може спричинити проблеми зі смаком та запахом. Ефективність трихлорамінів не була широко досліджена, і, як і у випадку з дихлорамінами, при його використанні виникає різка проблема смаку та запаху. Таким чином, водна промисловість використовує лише монохлораміни як дезінфікуючий засіб. Нижче наведені хімічні формули, які ілюструють, коли хлорноватиста кислота роз'єднується і стає слабшим дезінфікуючим засобом.

\[\ce{HOCl \,(Hypochlorous acid) -> H^{+} (Hydrogen ion) + OCl^{-} (Hypochlorite ion)}\]

\[\ce{HCl\, (Hypochloric acid) -> H^{+} (Hydrogen ion) + Cl^{-} (Chlorine ion)}\]

Поводження з хлором та безпека

Як оператор лікування, ви зіткнетеся з багатьма небезпечними хімічними речовинами, що використовуються для обробки води. Однією хімічною речовиною, яка широко використовується в галузі водопідготовки, є хлор. Як обговорювалося раніше в розділі хлор надходить у трьох різних станах: газ, порошок та рідина. Всі три види хлору мають ризики, пов'язані з поводженням та зберіганням хімічної речовини. Важливо, щоб правильні процедури безпеки дотримувалися в будь-який час.

Газ хлору

Газ хлору в 2,5 рази важче повітря. Запах різкий, а колір зеленувато-жовтий. Газовий хлор видно лише у дуже високих концентраціях, і ви ніколи не хочете його бачити. Газ хлору подразнює очі, носові ходи, дихальну систему. Це дуже небезпечна речовина і концентрації до 100 частин на мільйон можуть вбити людину.

Газ хлору доступний у трьох різних типах контейнерів: 150-фунтові контейнери, 1-тонні контейнери, і, для дуже великих заводських операцій, в залізничних контейнерах. Більшість очисних операцій будуть використовувати баки з хлором. Кількість хлору, що використовується в даний день, визначить, який тип контейнера хлору буде використовувати ваша рослина.

При доставці на очисну споруду «150-фунтовий» контейнер для газового балона з хлором важить приблизно 250-280 фунтів. Хлорний балон складається з корпусу циліндра, кільця горловини, клапана та захисного ковпака.

Балони транспортуються по об'єкту з використанням візки або ручної візки. Використання запобіжного ланцюга або ремінця є обов'язковим у будь-який час. Циліндри ніколи не слід катати, оскільки це може призвести до травми працівника або зсуву клапана. Максимальна добова норма виведення для хлорного балона становить 40 фунтів.

Контейнери «тонни» хлору вміщують 2000 фунтів хлору і зазвичай важать близько 3700 фунтів при наповненні хлором. Контейнери відвантажуються і зберігаються горизонтально. Край контейнера для хлору має кільце, яке дозволяє кранам і підйомникам переміщати їх з вантажівки в зону зберігання або відведення. Контейнери зберігаються на цапфах, що дозволяють операторам обертати контейнери із застосуванням спеціального інструменту. Кожен контейнер має два клапана, один вгорі і один внизу. Верхній клапан дозволяє виводити хлор як газ, тоді як нижній клапан дозволяє виводити хлор у вигляді рідини. При здачі ємностей на зберігання їх слід розміщувати таким чином, щоб рідкий хлор встиг осісти на дні ємності. Максимальна добова норма виведення для 1-тонного танка становить 400 фунтів.

Газові хлорні балони і 1-тонні контейнери використовують аналогічні методи для подачі хлору у воду. Системи подачі включають накип, клапани та трубопроводи, хлоратор та інжектор або дифузор. Ваги для зважування використовуються для відстеження того, скільки хлору було використано або залишилося в циліндрі або резервуарі. Ведення обліку має вирішальне значення для будь-якого хімічного використання. Моніторинг та перегляд записаних даних може допомогти виявити проблеми з системою хлору та керувати витратами за рахунок зменшення хімічних відходів.

Малюнок\(\PageIndex{1}\)

На фото вище - це стандартна шкала хлору та система цапф. Цапфа діє як форма зберігання, зберігаючи при цьому точну міру кількості хімічної речовини, що залишилася в резервуарах. У Каліфорнії танки також повинні бути закріплені ремінцями через землетруси.

Клапани та трубопроводи так само важливі в системі хлору, як і в системі водопостачання. Кожен хлорний бак або циліндр оснащений клапанами, які дозволяють або забороняють потік хлору під час передачі та зберігання продукту. В аварійній ситуації клапани також можуть використовуватися для швидкого перекриття потоку хлору. Широкомасштабні системи включатимуть трубопровідні колектори, які дозволяють передавати хлор з декількох резервуарів. Пов'язана система подачі буде включати клапани та трубопроводи для подачі хлору в різні точки подачі в системі.

Хлоратор - це частина обладнання, яке подає хлор безпосередньо в систему. Хлор рівномірно диспергується в системі на основі встановленої дози за допомогою регуляторів вакууму та тиску. Для безпеки в лінії повинен підтримуватися вакуум. Вакуум гарантує, що хлор завжди втягується в систему подачі хлору. Більшість сучасних систем мають аварійну запірну арматуру, яка запобігає надходженню хлору при виявленні течі. Системи хлору також включатимуть сигналізації, датчики витоків та ремонтні комплекти.

Інші заходи безпеки також потрібні при роботі навколо газоподібного хлору. Наприклад, при перемиканні баків оператор повинен бути одягнений в автономний дихальний апарат (СКБА). Як зазначалося раніше, 0,1 частина на мільйон дози хлорного газу може бути відразу смертельним.

Гіпохлорування

Газоподібний хлор є найсильнішою і найменш дорогою формою хлору навіть при необхідному використанні таких основ, як каустична сода для підвищення рН готової води. Однак через проблеми безпеки, пов'язані з використанням та транспортуванням газоподібного хлору, гіпохлорування стає все більш поширеним явищем при очищенні води. При будівництві або перепроектуванні очисної споруди аналіз витрат і переваг кожного виду хлору визначить, який тип буде використовувати об'єкт.

Використовуються два типи гіпохлориту - кальцій і натрій. Гіпохлорит кальцію - білувато-жовте сухе хімічне речовина. У ньому міститься 65% доступного хлору. Оскільки він має високу реакцію з органічними сполуками, при його зберіганні необхідно застосовувати особливі вимоги. Крім того, він горючий, якщо додати достатню кількість тепла і кисню. Гіпохлорит кальцію завжди слід додавати в воду, а не навпаки. Як правило, гіпохлорит кальцію в основному використовується для дезінфекції нових та відремонтованих водопроводів та резервуарів для зберігання. Його не використовують для щоденної обробки готової води.

Гіпохлорит натрію - це рідина від прозорого до жовтуватого кольору, доступна в різних концентраціях. Побутовий гіпохлорит натрію, відомий як відбілювач, випускається в 5% розчині. Операції очисних споруд використовуватимуть промислову концентрацію 12,5% доступного хлору. Гіпохлорит натрію не має особливих вимог до зберігання, але він є міцною основою при 9-11 за шкалою рН, тому він сильно корозійний. Крім того, хімічна речовина втрачає свою ефективність з часом при зберіганні. Зберігаючись протягом місяця, хімікат може втратити від 2% до 4% вмісту хлору. Пряме перебування на сонці і/або спеці сприятиме подальшому втраті наявного хлору. Тому рекомендується зберігати гіпохлорит натрію не більше двох тижнів (у разі, якщо очисна споруда знаходиться в автономному режимі) в приміщенні, що регулюється температурою, щоб запобігти надмірній втраті міцності.

Циліндр бак безпеки і підключення

При приєднанні регулятора хлору до бака для вступу в експлуатацію необхідно використовувати запобіжні заходи. Кожного разу, коли ви маєте справу з газовим хлором, оператор повинен носити респіратор, але рекомендується SCBA. SCBA має 30-60 хвилинний запас кисню. SCBA працюють під позитивним тиском, тому у разі витоку жоден хлорний газ не зможе потрапити у вашу маску, якщо встановлено належне ущільнення маски. Поряд з респіратором або SCBA оператор повинен носити рукавички і сорочку з довгим рукавом при зміні балонів або балонів.

Нова свинцева шайба повинна використовуватися кожного разу, коли новий бак введений в експлуатацію. Огляньте свинцеву шайбу на наявність будь-яких деформацій, тріщин або вигинів. Шайби необхідно викинути після одного використання. Коли клапан резервуара хлору вперше відкритий, швидко відкрийте і закрийте клапан. Використовуйте розчин аміаку біля клапана і трубки, щоб перевірити герметичність. Використовуваний розчин аміаку є комерційним Be аміаком. Якщо хлор присутній, ви побачите білу хмару. У разі появи білої хмари присутній витік. Оператору доведеться зняти регулятор з клапана і використовувати нову свинцеву шайбу.

Нарешті, будьте пильні. Зміна хлорних балонів стане звичайною справою, оскільки це те, що вам доведеться часто робити, якщо ваш об'єкт використовує хлорний газ. Газ хлору є дуже небезпечною хімічною речовиною, яку потрібно дотримуватися. Забувши, наскільки це небезпечно, може призвести до серйозної шкоди або смерті для вас або ваших колег.

Огляд глави

1. Форма хлору, яка є 100% доступним хлором?
   1. Гіпохлорит натрію
   2. Гіпохлорит кальцію
   3. гідроксид кальцію
   4. газоподібний хлор
2. Яка мінімальна кількість залишкового хлору потрібно в розподільчій системі?
   1. Немає мінімуму
   2. мг/л
   3. 0,2 мг/л
   4. мг/л
3. Який приблизний діапазон рН гіпохлориту натрію?
   1. 4-5
   2. 6-7
   3. 9-11
   4. 12-14
4. Яка типова концентрація гіпохлориту натрію, яку використовують фахівці з водопідготовки?
   1. 5%
   2. 65%
   3. 100%
   4. 12,5%
5. Потреба в хлорі відноситься до ___________.
   1. Хлор в системі за заданий час
   2. Різниця між застосовуваним хлором та залишками хлору - зазвичай викликана неорганічними речовинами, органікою, бактеріями, водоростями, аміаком тощо.
   3. Хлор, необхідний для отримання більш високого рН
   4. Жодне з перерахованих вище
6. Яке найефективніше дезінфікуючий засіб хлору?
   1. Дихлорамін
   2. Трихлорамін
   3. Гіпохлорит іон
   4. хлорноватиста кислота
7. Що може утворитися, коли хлор вступає в реакцію з природною органікою у вихідній воді?
   1. Дезінфікуючі побічні продукти
   2. Сірка
   3. Водорості
   4. Бактерії кишкової палички
8. Яка максимальна швидкість виведення в день для 150-фунтового хлорного балона?
   1. Максимуму немає
   2. 20 фунтів
   3. 40 фунтів
   4. 50 фунтів
9. Який розчин використовується для перевірки на витік газового хлору?
   1. Гідроксид натрію
   2. Озон
   3. Аміак
   4. Гіпохлорит кальцію
10. Хлор - ___________.
    1. Важче повітря
    2. Легше повітря
    3. Коричневий колір
    4. Чи не шкодить вашому здоров'ю
11. Потреба в хлорі може змінюватися в залежності від ___________.
    1. Попит на хлор завжди залишається незмінним
    2. Температура
    3. рН
    4. І 2, і 3
12. Який вплив має висока каламутність на дезінфекцію?
    1. Це може збільшити попит на хлор
    2. Це не має ефекту
    3. Це надає воді молочний вигляд, який через деякий час очиститься
    4. Необхідно підвищити температуру води