二氧化氯在飲用水消毒上的應用前景分析
飲用水是否衛生和安全直接關系到人類的生命與健康，目前雖然有不少人開始喝純凈水、礦泉水，但中國人絕大多數喝的仍是天然水體經常規處理工藝處理后的自來水。由于天然水體受到的各種污染日趨嚴重，自來水仍采用液氯進行消毒，將造成水中存在不安全隱患。
目前，我國自來水廠大部分采用液氯進行水的消毒，液氯在消毒過程中與水中存在的腐殖質及其他有機物作用會產生氯仿等有機鹵代物。美國環保局曾指出，在用液氯消毒的飲用水中，有機鹵代烴類化合物普遍存在，其中氯仿、溴仿、一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷等有機鹵代物含量最多。
科學家經過大量動物實驗研究證明，氯仿為致癌物，一溴二氯甲烷、二溴一氯甲烷具有使肝、腎中毒的作用，它們對人體的危害已被世界公認。美國、加拿大、日本等國家的學者經調查研究發現，在有機鹵代烴含量高的區域，胃癌、肝癌和膀胱癌的發病死亡率明顯增高。我國臺灣成功大學楊倍昌教授研究了臺灣地區14個鄉鎮用液氯進行飲用水消毒與癌癥危險性關系，并與13個未用液氯消毒的鄉鎮進行對比，結果發現在1981～1991年間，用液氯消毒的鄉鎮其結腸癌、膀胱癌、肺癌及腎癌的死亡率明顯高于未加液氯的鄉鎮。
我國曾規定飲用水中氯仿的含量不得超過60微克/升，美國則更為嚴格，規定氯仿、一溴二氯甲烷和二溴一氯甲烷的總含量不得超過80微克/升。但是，采用液氯進行飲用水的消毒，氯仿含量超標現象時有發生。前不久，非典疫情暴發，有的電視臺還專門報道不少水廠都在加大消毒劑的投放量，以確保’安全，但卻增加了以上致癌物質產生的幾率。
由于液氯消毒飲用水存在不安全隱患，世界衛生組織和世界糧農組織已向全世界推薦A1級廣譜、安全和高效的消毒劑——二氧化氯。目前，歐洲各國、美國和加拿大等的大多數水廠都已使用該消毒劑。美國環保局將二氧化氯作為替代液氯的首選消毒劑，并對二氧化氯用于飲用水消毒做了具體規定。意大利不僅采用二氧化氯處理飲用水，而且還將其用于鋼廠、電廠、紙漿廠和石油化工廠等用水和冷卻水系統中控制生物污染的藥劑。我國目前也有幾十家水廠采用二氧化氯消毒。
二氧化氯之所以被廣泛接受，主要原因有四點：二氧化氯在失活病毒及其他微生物方面比液氯更有效，即殺菌效果明顯好于液氯；二氧化氯在水中不形成氯仿等對人體健康有害的有機鹵代物；二氧化氯殺菌特性幾乎不受pH影響；二氧化氯可用于控制藻類、腐敗植物和酚類化合物產生的嗅和味等。
據有關資料介紹，目前我國已擁有用高純二氧化氯替代液氯進行飲用水消毒的成熟技術。這其中包括生產穩定性二氧化氯及其活化技術，生產二氧化氯發生器設備的技術。并有準確分析水中二氧化氯、氯氣、亞氯酸根和氯酸根的方法，為我國推廣二氧化氯消毒飲用水提供了技術保障。從成本上分析，采用現場制備二氧化氯的方式進行飲用水消毒的成本較液氯僅高出0．0035元/噸水左右，采用穩定性二氧化氯的綜合成本稍高，約為0.1～0.2元/噸水。
1. 二氧化氯簡介
二氧化氯為黃綠色氣體，帶有一種與氯氣或臭氧類似的特征氣味，分子式為ClO2，分子量為67.45。二氧化氯以自由基單體存在，氯－氧鍵表現出明顯的雙鍵特征，鍵角為117.5°，鍵長為1.47A。 比重為3.09克/升(11 ℃)，熔點-59.5 0C，沸點9.9℃ (壓力為731 mmHg時的沸點)。在20℃和30 mmHg壓力下，二氧化氯在水中的溶解度為2.9克/升。在水中能被光分解，與氨不起反應。二氧化氯對人體有刺激，當大氣中二氧化氯含量為14mg/L時，就可使人覺察；45mg/L時，明顯地刺激呼吸道；另外，當二氧化氯在空氣中的體積濃度超過10%時會有爆炸性，但在水溶液中則無危險性，因此在使用二氧化氯時要非常小心。二氧化氯的揮發性較大，稍一曝氣即從溶液中逸出。溫度升高、曝光或與有機質相接觸，也會發生爆炸。因此，在實際應用中，二氧化氯須避光保存，一般情況下，得現場制備，現場使用。
2. 二氧化氯的產生
二氧化氯可以通過以下多種方法產生：
1) 硫酸法制造二氧化氯
2NaClO3+SO2+H2SO4=2ClO2+Na2SO4+H2SO4
2) 二氧化硫法制造二氧化氯
2NaClO3+SO2=2ClO2+Na2SO4
3) 甲醇法制造二氧化氯
2NaClO3+CH3OH+H2SO4=2ClO2+HClO+Na2SO4+2H2O
4) 硫酸－氯化鈉法制造二氧化氯
2NaClO3+2NaCl+H2SO4=2ClO2+Cl2+Na2SO4+2H2O
5) 鹽酸法制造二氧化氯
NaClO3+2HCl= ClO2+1/2Cl2+ NaCl+ H2O
6) 亞氯酸鈉－硫酸反應
10 NaClO2+ H2SO4=8 ClO2+5 Na2SO4+2HCl+4H2O
7) 亞氯酸鈉－鹽酸反應
5NaClO2+4HCl=4 ClO2+5 NaCl+2H2O
8) 亞氯酸鈉－次氯酸鈉－酸反應
2NaClO2+HOCl=2ClO2+NaCl+NaOH
9) 亞氯酸鈉和氯氣反應
2NaClO2+Cl2=2ClO2+2NaCl
具體生產時要根據所需的量和純度來選擇。反應6～9在原料、副反應、轉化率、產品純度、操作等方面更為合理，為目前所普遍采用。
3. 二氧化氯用于飲用水消毒劑的主要特點
1) 消毒特性
二氧化氯是高效的消毒劑和殺菌劑，在相同的劑量下，其性能優于氯氣，這一點不論在實驗室、小型試驗場還是在大規模飲用水及廢水處理中得到證實。二氧化氯在水中不會水解，所以在很寬的PH值范圍內的殺菌效果是比較穩定的。在PH值為6.5時，濃度為0.25mg/L的二氧化氯與氯氣對大腸桿菌一分鐘殺滅率基本相同。而在PH值為8.5時二氧化氯仍保持相同的殺菌效率，而氯氣則需要5倍的時間。
二氧化氯對于其他傳染性細菌同樣具有高效的殺滅性，比如葡萄球菌和沙門氏菌。用劑量為2mg/L的二氧化氯殺菌的存活率比用10mg/L的氯氣低得多。一個消毒劑用于消毒時，必須具有特定的微生物殺滅或去活性的標準。通常根據EPA（環境保護組織）對消毒的定義，以CT值（即濃度*接觸時間的函數）看，二氧化氯要使99.9%的Giardfia lamblia孢子或99.99%的傷寒病毒失去活性都有可靠的保證。根據美國環保總署（EPA）的規定，二氧化氯在飲用水中最大消毒殘留水平(MRDL)為0.8mg/L，其消毒副產物——亞氯酸根離子的最大污染物水(MCL)為1.0 mg/L。因此在二氧化氯用于飲用水消毒時，只要不超過以上規定就可以認為是安全的。
2) 對THMs的控制
近來研究表明，氯氣與水中的腐植物質反應時，會產生氯仿和其他氯化和溴化有機衍生物，統稱為三氯甲烷（THMs）。國際腫瘤研究組織（IARC）和美國國家毒理綱（NTP）都已證實氯仿對動物有致癌作用。二氧化氯和氯氣與THM前體的反應是完全不同的。二氧化氯主要發生氧化反應，而氯氣則同時發生氧化反應和親電取代反應，產生易揮發的和不易揮發的氯化有機物（THMs）。二氧化氯與THM的前體反應，使他們無反應性或不會形成THM。這說明用二氧化氯對原水進行預處理會有效減少THM的產生。
3) 對味和嗅的控制（氧化作用）
飲用水中如果存在較為嚴重的味和嗅，會影響人們的飲用。而二氧化氯在破壞產生味和嗅的各種物質的性質方面要遠遠優于氯氣。因此，它一直用于飲用水味和嗅的控制。酚類化合物中，鄰－氯酚在低濃度下就產生令人不愉快的氣味，二氧化氯能有效破壞氯酚。二氧化氯能有效控制藻類的生長。經研究發現，二氧化氯破壞葉綠素中的吡咯環，使葉綠素失活。據報道，控制藻類污染的劑量為1mg/L。二氧化氯與錳反應將其氧化為二氧化錳
2ClO2+5Mn2++6H2O=5MnO2+12H++2Cl-
二氧化錳不溶于水，可在濾池去除。二氧化氯能迅速將Fe2+氧化為Fe3+，以氫氧化鐵的形式沉淀析出
ClO2+5Fe(HCO2)2+2H2O=5Fe(OH)3+H++Cl-+10CO2
二氧化氯能將硫化物迅速氧化為硫酸鹽。
4) 對色度的控制
二氧化氯具有較強的氧化作用，所以有較好的脫色作用。例如江南太湖系某河流，在初春其原水色度為17度，而傳統的水處理工藝，即反應、沉淀、過濾、液氯消毒只能脫色4度，即達到14度，而當投加二氧化氯時，則色度有顯著降低，如當預投加二氧化氯0.5mg/L時，色度可降低至11度；當預投加二氧化氯1.0mg/L，色度可降低至10度；當預投加二氧化氯1.5mg/L(或大于1.5mg/L)時，色度可降低至9度，也即傳統的水處理工藝，其脫色效率只能達到23.5%，而二氧化氯對低色度的原水，其脫色效率可以達到47.0%。
4. 二氧化氯的應用
目前，我國二氧化氯的應用比較普遍。在食品、衛生、醫療、工業用水、污水處理和生活飲用水等多方面都有應用。但是由于我國對二氧化氯的研究較晚，其實際應用與廣闊的市場相比還是十分有限的。
國內市場上與二氧化氯有關的產品種類較多。根據了解主要有兩種形式：一種是各種穩定性二氧化氯產品，產品形式主要有液體和固體粉劑兩種。這類型產品由于其穩定性高，可以長期儲存，使用較為方便，所以主要應用于一些周期性的、比較集中的、臨時性的局部消毒場所，比如食品加工企業的設備、空氣系統的消毒，醫院賓館、飯店的消毒，以及家庭的局部消毒等場所。從經濟角度講，這種消毒方式的綜合成本較高，如果應用于飲用水消毒，處理綜合成本約為0.1～0.2元/噸水。從消毒工藝上講，其操作比較簡便，設備也很簡單，有些場所甚至不需要專用設備，只需要簡單的溶解容器即可進行消毒操作。第二種是代理國外的產品或國內自行研制生產的二氧化氯發生器，這類產品在國內也有幾十種之多，產品性能參差不齊。這種產品的特點是采用兩種或兩種以上的化工原料，通過發生器現場制備二氧化氯直接用于消毒生產，根據前面介紹，性能較好的設備生產二氧化氯的純度要高于95%，安全性也是比較有保障的，廣泛應用于飲用水、污水以及游泳池等消毒場所。從經濟角度講，這種消毒方式的綜合成本較氯氣的成本略高一些，但比采用穩定性二氧化氯產品要低得多。與第一種方式比較，這種方式需要專用生產設備，工藝相對比較復雜。
綜合以上兩種二氧化氯應用方式，作者認為這兩種方式各有其不可替代的特點。穩定性二氧化氯的產品種類繁多，有各種形式的消毒劑和保鮮劑，應用范圍十分廣泛，而且其具有使用操作簡便，可以根據需要隨時進行消毒的優點，尤其對傳染病的控制時，更體現了其定點、及時、迅速、有效的優點。這種方式的相對成本較高，因此不易持續過長時間。而二氧化氯發生器相對處理成本較低因此主要適用于連續性、日常性的消毒場合，比如飲用水廠、污水廠等，國內的許多水廠就是應用這種方式，比如廣西玉林玉州區江南自來水廠今年7月就建成兩套先進的二氧化氯自來水消毒設備，有效地改善了飲用水水質。但是，目前我國在推廣使用二氧化氯的過程中還存在一些制約因素。首先是觀念的轉變，這其中既包括供水單位和企業的觀念，也包括每一位用戶。供水單位和企業在現有的運行條件下對于需要大量投入的新工藝大多采取“旁觀”的態度，因為處理成本加大勢必導致水價的上漲，而廣大用戶對于價格問題又十分敏感，調整水價的難度較大。作為用戶更應該轉變觀念，了解水污染的現狀，充分理解和支持與提高生存質量有關的行動。其次，作為國家有關職能部門應該及時準確了解行業動態，及時出臺相關政策和法規以規范市場，據了解國家已經出臺了液體穩定性二氧化氯的產品標準，這樣有利于該行業規范有序的發展。國家還應該盡快出臺與二氧化氯有關的其他產品的相關標準，比如固體粉劑穩定性二氧化氯、二氧化氯發生器等。只有在規范的指導下才能使二氧化氯產業正常地發展，才能使廣大人民盡早感受到他帶來的益處。
5. 結束語
二氧化氯從其被發現之日起，就引起了廣泛的關注。隨著科學技術的迅猛發展，二氧化氯已經進入了人們的日常生活，為人類的身體健康提供保障。而且隨著工業化的發展，各種環境污染愈來愈嚴重地影響著人類的健康，傳統的氯制劑消毒方式已經被證明對人體存在這不良影響，因此開發新的、有效的、對人體無害的綠色消毒制劑，就成為一個必然的發展方向。我國政府部門也積極倡導這項事業的發展，各種法規、標準也在緊鑼密鼓的研究和制定當中，相信在不久的將來，我們就會真切地體會到二氧化氯帶來的潔凈的、綠色的美好環境。
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