Смешанный окислитель - Mixed oxidant

Смешанный окислитель решение - это своего рода дезинфицирующее средство который используется для дезинфекции, стерилизация и устранение патогенных микроорганизмы в воде и во многих других приложениях.[1] Использование смешанного раствора окислителя для обеззараживания воды (см. очистка питьевой воды ) по сравнению с другими методами, такими как гипохлорит натрия, Гипохлорит кальция, газообразный хлор и озонирование может иметь различные преимущества, такие как более высокая дезинфицирующая способность, стабильный остаточный хлор в воде, улучшенный вкус и запах, устранение биопленки и безопасность.[2] Смешанно-оксидантный раствор производится электролиз рассола хлористого натрия (хлорид натрия ) и представляет собой смесь дезинфицирующих составов.[3] Главный компонент этого продукта - хлор и его производные (ClO−, HClO и Cl2 решение). Он также может содержать большое количество диоксид хлора (ClO2 ) раствор, растворенный озон, пероксид водорода (ЧАС2О2 ) и кислород. Это причина того, что этот раствор называют смешанным окислителем.[4]

Спектакль

Реакции

Смешанный раствор окислителя получают электролизом на месте. В концентрация выход дезинфицирующего средства пропорционален концентрации соли на входе, Напряжение, температура, ток и время электролиза.[5] Система производства раствора смешанных окислителей содержит: коррозия -устойчивый электроды или стабильно по размерам аноды (DSA) и выполнен таким образом, что разные напряжения для электролиза прикладываются одновременно к разным частям. Таким образом, в анод и катод полюса, а следовательно, образуются различные окисляющие вещества.[6]

В этом процессе хлористый ионы на аноде превращаются в газообразный хлор. После снижения концентрации хлорид-ионов в присутствии ClO− и Cl2 (водн.) соединений в растворе и при соблюдении необходимого условия ClO2 производится и окончательный раствор хранится.[7]

Половина реакцииE ° (V)
2Cl− ⇌ Cl2 + 2e−

−1.36

0,5Cl2 + ЧАС2О ⇌ HClO + ЧАС+ + е−

−1.61

Cl− + H2О ⇌ HClO + H+ + е−

-1.48

Cl− + 2ОЙ− ⇌ ClO− + H2O + 2e−

-0.81

HClO + H2O → ClO2 + 3H++ 3e−

-1.19

Для образования озона сначала должны быть созданы условия для реакций электролиза воды. В этом случае имеют место следующие половинные реакции, при этом на катоде образуется газообразный водород, а на аноде - газообразный кислород. При увеличении напряжения изменяется полуреакция анода и образуется озон.[8]

Половина реакцииE ° (V)
2H2O + 2e− ⇌ H2 + 2OH−

−0.8277

2H2O ⇌ O2 + 4H+ + 4e−

−1.229

3H2O ⇌ О3 + 6H++ 6e−

−1.53

Эти явления могут быть вызваны другими принципами и условиями применения электролиза. В этом процессе и во время производства озона отчетливо виден проникающий запах озона в области выхода из реактора. Продолжая этот процесс и поддерживая стабильные условия, можно продолжить производство озона до максимального растворения озона в воде. Растворимость озона в воде при 20 ° C составляет 570 мг на литр и 1050 мг на литр в воде при нулевом градусе Цельсия.[9][циркулярная ссылка ] На следующем этапе, при небольшом изменении условий реакции, а также уровня напряжения и потенциала, перекись водорода образуется. Для производства озона и перекиси водорода существуют разные половинные реакции с разными уровнями восстановительного потенциала, и на практике может происходить каждая из них.[7]

Половина реакцииE ° (V)
О2 + H2O ⇌ O3 + 2H+ + 2e−

−2.076

О2 + 2OH− ⇌ O3 + H2O + 2e−

−1.24

3H2O ⇌ O3 + 6H+ + 6e−

−1.53

О2 + 2H+ + 2e− ⇌ ЧАС2О2

−0.7

2H2O ⇌ H2О2 + 2H+ + 2e−

−1.776

HO2 + H+ + е− ⇌ H2О2

−1.495

Создание различных условий, включая изменения напряжения, тока, концентрации, pH, температуры, потока и давления, относительно изменяет стандартный восстановительный потенциал и, как следствие, тенденцию реакций различных веществ. Однако протяженность электродов в реакторе, создающая несколько слоев электролит и неравные условия на поверхности электродов, вызовут серьезные изменения в стандартных режимах полуреакций.[8]

Производственная ячейка

Принцип работы солевой электролизной ячейки

Основой ячейки по производству смешанных оксидантов является электролиз водного раствора хлорида натрия. В этом процессе анионы и катионы движутся к аноду и катоду соответственно, и происходят связанные реакции. Для получения раствора смешанных окислителей используются различные типы электролизеров, такие как мембранная ячейка и безмембранная ячейка (униполярная и биполярная).[10] Следующее описание дается для каждой из этих ячеек.

Мембранная ячейка

Эта ячейка состоит из анодного и катодного электродов с ионообменной мембраной между ними. Эта мембрана пропускает катионы через себя и ведет их к катоду.[11] Эта ячейка имеет два входа и два выхода для воды. Одна пара из них расположена со стороны катода, а другая пара - со стороны анода.[12]

Существуют мембранные клетки с разными моделями мембран. В некоторых из них используется ионообменная мембрана, которая может перемещать катионы и анионы с одной стороны на другую. В ячейку этого типа соляной раствор поступает с одной стороны, а вода - с другой.[13]

Половина реакции в катодной камере следующая:

2NaCl + 2H2O + 2e−→ 2NaOH + 2Cl−+ H2

На анодной стороне часть хлорид-ионов окисляется и растворяется в проходящей воде в виде Cl2, HOCl и небольшие количества ClO2. Также из-за электролиза воды небольшие количества O3 и O2 производятся на анодной стороне. Основная половина реакции на анодной стороне:

2Cl−→ 2e−+ Cl2
Cl−+ H2О → HClO + H++ 2e−

Хлор и его соединения растворены в воде, проходящей через анодную камеру, и, впрыскивая необходимое количество этого раствора в воду, можно дезинфицировать. Раствор на выходе из анодной камеры мембранных реакторов кислый, его pH около 2-3.[14] Для этого типа электролизера можно использовать неподвижные титановые электроды, чтобы гарантировать отсутствие коррозии на анодной стороне. Чтобы повысить эффективность и увеличить емкость, можно использовать несколько мембранных ячеек параллельно.[15]

Безмембранный элемент

Электродные устройства в реакторах солевого электролиза

Структура ячейки без мембраны аналогична мембранной ячейке, за исключением того, что она имеет один вход для солевого раствора и один выход для продуктов. В этом случае анодный и катодный продукты смешиваются и поступают на выход ячейки. Поскольку pH полученного раствора составляет от 8 до 9, использование этого раствора для дезинфекции может повысить pH; это можно уменьшить добавлением кислоты. Этот тип клетки может быть униполярным или биполярным.[16] Структура ячейки описана ниже.

Типы сотовых подключений

Электролизные ячейки с более чем одной парой анода и катода имеют два типа расположения, включая как униполярное, так и биполярное.

Униполярное расположение: в этом случае ячейки расположены параллельно и, следовательно, имеют одинаковую разность потенциалов между парой анод-катод. Полный ток равен сумме тока каждой пары, а напряжение равно напряжению одной пары. В этом случае напряжение всей системы низкое, а ток большой.[16]

Биполярное расположение: часть каждой электродной пластины с обеих сторон является анодом, а другая часть - катодом.

Биполярное расположение: В этом случае ячейки соединены последовательно.[16] В промышленности биполярное упорядочивание осуществляется различными способами. В одном случае центральные электроды с одной стороны действуют как анод, а с другой стороны - как катод. В других случаях часть электродной пластины с обеих сторон является анодом, а другая часть - катодом.

Сравнения

Преимущества смешанного раствора оксиданта по сравнению с другими методами дезинфекции

Применение смешанного оксидантного раствора для дезинфекции воды имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами, такими как гипохлорит натрия и гипохлорит кальция. Дезинфицирующий эффект смешанного окислителя выше, чем у других методов, таких как хлорирование, и по сравнению с другими методами, такими как озонирование и использование ультрафиолетовый луч, содержит остаточный хлор в воде. Более того, это намного безопаснее и сопряжено с меньшими рисками. Сводка сравнения методов дезинфекции приведена в таблице ниже.[17]

Сравнение методов обеззараживания воды[17]
Смешанный окислительОтбеливать производится на местеУФОзонДиоксид хлораХлораминГипохлорит кальцияОтбеливатьГазообразный хлор
Эффективная дезинфекциядадададададададада
безопасностьдададанетнетнетнетнетнет
Остаточный хлордаданетнетнетдададада
Меньше тригалометаны производстводанетдадададанетнетнет
Меньше хлорит и бромат производстводадададанетдададада
Биопленка удалениеданетнетнетданетнетнетнет
Водоросли удалениеданетнетдаданетнетнетнет
Вирус удалениеданетнетданетнетнетнетнет
Удалять паразит яйцаданетнетнетнетнетнетнетнет
Использование в предварительной обработкеданетнетдададанетнетнет
Удаление вкуса и запахаданетнетданетнетнетнетда
Простота обслуживаниядаданетнетнетданетнетда

Также в следующей таблице сравнивается эффективность смешанного оксиданта и отбеливателя с точки зрения дезактивации бактерий и вирусов. Почти во всех случаях более эффективным решением является смешанный окислитель.[18]

Сравнение смешанного оксиданта и отбеливателя с точки зрения дезактивации бактерии и вирусы[18]
МикроорганизмыСкорость впрыска смешанного окислителя (мг / л)Скорость впрыска отбеливателя (мг / л)Время контакта со смешанным окислителем (мин)Время контакта с отбеливателем (мин)Деактивация (журнал)Дифференцирующий параметр
бактерии
Холерный вибрион221.84.04logвремя
кишечная палочка223.85.04logвремя
Синегнойная палочка221010> 4.8 Смешанный окислитель

2.2 Отбеливатель

Эффективность
Легионелла пневмофила2210105 Смешанный окислитель

4.7 Отбеливатель

Эффективность
Золотистый стафилококк2260601.6 Смешанный окислитель

0.8 Отбеливатель

Эффективность
4460603.7 Смешанный окислитель

2.3 Отбеливатель

Listeria monocytogenes2260602 Смешанный окислитель

0.8 Отбеливатель

4460603.7 Смешанный окислитель

1.2 Отбеливатель

Бактерии споры
Bacillus stearothermophilus223030> 5 Смешанный окислитель

2.5 Отбеливатель

Эффективность
Clostridium perfringens споры2213182 журналавремя
Споры Bacillus globigii

бацилла сибирской язвы (Sterne) споры

2.52.515153.6 Смешанный окислитель

2.4 Отбеливатель

Эффективность
вирусы
Колифаг MS222701684logвремя
вакцина (суррогатная оспа)5~7020104log Смешанный окислитель

3log Bleach

Время, концентрация, эффективность

Полиовирус вакцинный штамм 1>4NA30NA> log 5.5 Смешанный окислительNA
Ротавирус SA-11>4NA30NA> 5,5 log Смешанный окислительNA

Простейшие ооцисты

Лямблии лямблии>4NA30NA4log Смешанный окислительNA
Криптоспоридиум парвум5524014403 Смешанный окислитель

нет, отбеливатель

Время и эффективность
Ооцисты Cryptosporidium parvum2525240240> 1 смешанный окислитель

0,25 отбеливатель

Эффективность, qRT-PCR и тканевая культура инфекционности.

Сравнение мембранной клетки и безмембранной клетки

Ячейка для производства смешанных окислителей обычно работает с мембраной или без нее. У каждой из этих структур есть достоинства и недостатки, которые следует учитывать. Безмембранный выход клеток содержит ионы гидроксида, которые увеличивают pH, поэтому они влияют на состав выходящих продуктов. Чтобы поддерживать pH в нейтральном диапазоне, необходимое количество соляная кислота или же серная кислота необходимо добавить в продезинфицированную воду. В таких клетках основным продуктом является гипохлорит натрия. С другой стороны, в ячейках с мембраной анодный выход (анолит) является кислым, а катодный выход (католит) является основным. Анолит (кислотный раствор) содержит более четырех видов окислителей, которые могут сделать дезинфекцию более эффективной. Однако в некоторых случаях можно добавить щелочной раствор для нейтрализации продезинфицированной воды. Компоненты вывода этих двух разных ячеек различаются, которые сравниваются в таблице ниже.[16]

Сравнение выходных соединений мембранной ячейки и безмембранной ячейки
Окисляющее веществоЕдиницыМембранная ячейкаБезмембранный элемент
pH = 2-3pH = 8
озонпромилле20-
Диоксид хлорапромилле26-
Хлорноватистая кислотапромилле1800-
Гипохлорит натрияпромилле-1400
Пероксид водородапромилле400
Кислородпромилле115
ORPмВ1140966

При PH выше 5 большинство хлорноватистая кислота превратиться в гипохлорит ион, который является более слабым окислителем по сравнению с хлорноватистой кислотой. Более того, в мембранной ячейке другие мощные окислители, такие как озон, диоксид хлора и пероксид водорода могут быть произведены, которые очень эффективны для уничтожения бактерий и исключения биопленок в система распределения воды и контейнеры.

Сравнение безмембранной клетки и мембранной клетки
ЕдиницыБиполярная ячейка без мембраныМембранная ячейка
Потребление солиГрамм на грамм хлора55
Потребление электроэнергииВатт на грамм смешанного окислителя77
Потребление кислоты Соляная кислотаЛимонная кислота
Потребление водыЛитр на грамм смешанного окислителя12
Максимальная концентрация смешанных окислителейМиллиграммы на литр16001800
Запах хлорадада
PH раствора8-92.5-3

Сегодня системы мембранных ячеек являются одним из самых перспективных и быстроразвивающихся методов производства хлорщелочи (см. хлорно-щелочной процесс ) и он, несомненно, заменит другие техники. Это можно сделать из того факта, что с 1987 года практически все новые хлорно-щелочные установки по всему миру используют мембранную систему. Однако из-за длительного срока службы и высоких затрат на замену замена существующих ртутных и диафрагменных элементов на мембранные происходит очень медленно.[16] Прямо сейчас в большинстве развитых стран, поняв преимущества мембранных систем, технология производства изменилась в этом направлении. MIOX - одна из тех компаний, которая разработала эту технологию более чем в 40 странах и широко использует ее преимущества.[19]

Приложения

Смешанный раствор окислителя для очистки воды может повысить безопасность, снизить общую скорость коррозии, повысить производительность и сэкономить деньги. Смешанный раствор окислителя может быть более эффективным, чем отбеливатель, и может использоваться для различных целей. Некоторые из этих приложений цитируются ниже.

Охлаждающая вода лечение: Смешанный раствор окислителя для очистки и дезинфекции промышленной охлаждающей воды повышает безопасность и термическую эффективность, снижает общую скорость коррозии, увеличивает производительность и экономит деньги. Приводя к сокращению время простоя, техническое обслуживание и расходы. Дополнительно повысить безопасность на рабочем месте за счет отказа от обращения с опасными химическими веществами и их хранения при сохранении устойчивости микробиологический контроль.[20]

Промышленная технологическая вода и очистка сточных вод: Mixed Oxidant - это самый дешевый поставщик хлора для дезинфекции и окисления технологической воды и сточных вод перед сбросом. Химический состав смешанного раствора оксиданта более эффективен для контроля биопленки, Биохимический химическое удаление потребности в кислороде, хлорирование аммиака и сероводород удаление.[21]

Градирни очистка воды: Mixed Oxidant предлагает более разумные решения по очистке воды в градирнях, повышающие эффективность и безопасность градирни, при меньших затратах, чем обычные биоцид Методы лечения Для профилактики легионеллы, удаления биопленки и инактивации других водных организмов, снижающих эффективность.[22]

Водные виды спорта: Смешанный раствор окислителя для дезинфекции воды в бассейне повышает безопасность, увеличивает производительность, сокращает время обслуживания и снижает эксплуатационные расходы. С минимальным обслуживанием. Он устраняет суровые качества традиционной обработки хлором, что значительно улучшает плавание.[23]

Питьевая вода и напитки: Мультиоксидант - это проверенное дезинфицирующее средство для улучшения качества и безопасности питьевой воды со значительной экономией. Обеспечение чистой и безопасной питьевой водой варьируется от сельских общин до крупных городов. Также обеспечивает чистую и безопасную воду на предприятиях по производству продуктов питания и напитков. Идеально подходит для газированных безалкогольные напитки розлив, Пивоварение, Молочный Фермы и молочные и Переработка пищевых продуктов Приложения.[24]

Городские сточные воды: Как один из самых ценных в мире природные ресурсы, повторное использование воды становится все более важным. Смешанный оксидант является одновременно наиболее экономичным решением и предпочтительной технологией дезинфекции и окисления сточных вод для повторного использования или повторного введения в окружающую среду, устраняя многие из негативных проблем, связанных с традиционной дезинфекцией хлором.[21]

Приложения для ферм: Такие как Домашний скот Полив, дезинфекция питьевой воды, молочные продукты, доение, окунание перед и после сосков, дезинфицирующее средство CIP, Домашняя птица Обработка охлаждающих и увлажняющих подушек, Орошение & Очистка капельной линии, удаление железа и марганца из водоснабжения.[21]

Управление водными ресурсами нефти и газа: Повышение нефтеотдачи почти всегда включает какие-то процессы очистки воды. Технологии очистки воды в нефтегазовой отрасли включают дезинфекцию пластовой воды, воды гидроразрыва, площадок для захоронения скважин, повышение нефтеотдачи и сероводород удаление.[19]

Рекомендации

  1. ^ Т. Сасахара, М. Аоки, Т. Секигучи, А. Такахаши, Ю. Сато, Х. Китасато, М. Иноуэ, Влияние раствора смешанного оксиданта на инфекционность ооцист Cryptosporidium parvum в модели неонатальных мышей, Europe PMC, 2003
  2. ^ Л. В. Венцель, М. Эрровуд, М. Херд и М. Д. Собси, Инактивация ооцист Cryptosporidium parvum и спор Clostridium perfringens дезинфицирующим средством со смешанным окислителем и свободным хлором, Прил. Environ. Microbiol. 1997 г.
  3. ^ W.L. Брэдфорд, Различия между раствором смешанного оксиданта, созданным на месте, и гипохлоритом натрия, Обзор основных характеристик MIOX, 2011 г.
  4. ^ Ф. Сольсона и И. Пирсон, «Нетрадиционные технологии дезинфекции для малых систем водоснабжения», Отчет ВКР № 449/1/95, CSIR, Претория, Южная Америка, 1995
  5. ^ С.Ю. Сюй "Влияние расхода воды, концентрации соли и температуры воды на эффективность электролизованного генератора окислительной воды" Journal of Food Engineering 60, 469–473, 2003
  6. ^ Г. К. Уайт, Справочник по хлорированию и альтернативным дезинфицирующим средствам, Нью-Йорк, 4-е издание, 1999 г.
  7. ^ а б H.S. Вайнберг, Родригес-Мозаз и А. Сайкс, «Характеристика химических компонентов дезинфекции смешанными окислителями», заключительный отчет по проекту, представленный MIOX Corporation Департаментом экологических наук и инженерии Университета Северной Каролины, Чапел-Хилл, Северная Каролина, 23 июля 2008 г.
  8. ^ а б Гордон, Г.Л., 1998, "Электрохимическая обработка смешанными окислителями: химические детали технологии электролизованного солевого раствора", подготовлено для Национальной лаборатории управления рисками охраны окружающей среды США, Цинциннати, Огайо, май 1998.
  9. ^ Озон
  10. ^ 47. В.М. Линьков, (2002) Электромембранные реакторы для опреснения и обеззараживания водных растворов. Отчет ВКР № 964/1/02, Университет Западного Кейпа, Беллвилл, Южная Америка.
  11. ^ Ю. Танака Основы и приложения ионообменных мембран, Мембранная наука и технология, серия 12
  12. ^ А. Катарина Б. В. Диас «Хлор-щелочной мембранный клеточный процесс», докторская диссертация, Университет Порту
  13. ^ E.T. Игунну и Г. З. Чен «Технологии очистки пластовой воды», международный журнал передового доступа к низкоуглеродным технологиям, 2012 г.
  14. ^ J.T. Масис, «Смешанные газы-окислители, образующиеся на месте», Региональный симпозиум по качеству воды: эффективная дезинфекция, Лима, 27-29 1998.
  15. ^ М. Сигуба «Разработка соответствующих рассольных электролизеров для обеззараживания сельского водоснабжения», кандидатская диссертация, 2005 г.
  16. ^ а б c d е Комплексное предотвращение и контроль загрязнения (IPPC) - справочный документ по наилучшим доступным технологиям в хлорно-щелочной промышленности, 2001 г.
  17. ^ а б Информационный бюллетень Национального центра обмена информацией по питьевой воде
  18. ^ а б http://www.howelllabs.com/wp-content/uploads/2013/09/Microbial_MOS_VS_HYPO_Comparison_Table_100413.pdf
  19. ^ а б http://www.miox.com/
  20. ^ А. Боал, Альтернатива бром улучшает микробиологический контроль охлаждающей воды и общую очистку, Ежегодная конференция Института технологий охлаждения, 2015 г.
  21. ^ а б c Доктор медицины Собси, М.Дж. Кастил, Х. Чанг, Г. Лавлейс, О.Д. Симмонс и Дж. С. Мешке, Инновационные технологии обеззараживания сточных вод и обнаружения патогенов, Труды по дезинфекции, 1998 г.
  22. ^ У. Л. Брэдфорд, Смешанный окислитель заменяет «коктейль» из химикатов в системе водоснабжения градирни электростанции, Industrial Waterworld, 2011
  23. ^ У. Л. Брэдфорд, Механизмы отсутствия жалоб пловцов при наличии постоянного комбинированного измерения хлора, 2005 г.
  24. ^ К. Крейтон, Б. Уорвуд, А. Кампер, Валидация смешанных окислителей для дезинфекции и удаления биопленок из систем распределения, 1997 г.