Кислород - самый распространённый элемент в природе. В виде молекул он представляет собой бесцветный газ, который слабо растворяется в воде.
Окислительная способность кислорода сильно зависит от уровня кислотности среды (pH). Чем выше pH, тем быстрее протекает реакция. При этом кислород проявляет относительно слабую окислительную активность по сравнению с другими используемыми окислителями. При нейтральном pH окислительно-восстановительный потенциал кислорода составляет +0,815 В. Именно поэтому кислород, растворённый в воде, может окислять только некоторые соединения, например, двухвалентное железо.
Насыщение воды кислородом путём аэрации имеет ещё один полезный эффект - удаление некоторых растворённых газов, таких как сероводород H2S и углекислый газ CO2. При этом он химически инертен в отношении органических веществ, чем и объясняется сохранение жизнедеятельности микроорганизмов в присутствии кислорода.
Взаимодействие хлора с неорганическими веществами:
- Окисление цианидов. Цианиды окисляются хлором в форме гипохлорита при величине pH свыше 8,5.
- Окисление нитритов и бромидов. Их окисление хлором предполагает участие хлорноватистой кислоты.
Хлорирование воды может приводить к образованию различных вредных соединений, таких как хлорамины и бромат-ионы. Эти вещества считаются опасными для здоровья и поэтому регламентируются в различных нормативных документах. Количество этих вторичных загрязнений в хлорированной воде зависит в основном от уровня pH среды, дозы используемого хлора и времени реакции. Хлор может взаимодействовать с аммонийным азотом, образуя хлорамины. Эти соединения обладают способностью останавливать размножение бактерий. Они появляются, если хлорировать воду, содержащую ионы аммония, но при этом использовать количество хлора, меньшее критической точки. Также хлорамины могут образоваться, если одновременно добавить хлор и соли аммония или аммиак в соотношении от 2 до 4 частей Cl2 на 1 часть NH4.
Преимущество использования диоксида хлора для обработки питьевой воды заключается в том, что он не приводит к образованию тригалогенметанов и других галогенорганических соединений, в отличие от хлора. Диоксид хлора эффективно удаляет фенолы, которые придают воде неприятный привкус и запах. Однако при использовании недостаточной дозы реагента могут образовываться побочные хлорорганические продукты с лекарственным привкусом.
Химическое поведение озона в воде можно описать с помощью реакций двух типов. В первом случае озон реагирует в своей молекулярной форме, а во втором — разлагается с образованием гидроксильного радикала ОН*, который является более сильным окислителем, чем сам озон (E* = 2.80 В).
Ультрафиолетовое излучение - бактерицидное действие ультрафиолета (УФИ) основано на поглощении фотонов пиримидиновыми основаниями, которые входят в состав ДНК, в основном тимином и частично цитозином. Под воздействием УФИ происходит димеризация двух соседних оснований, что приводит к обрыву цепочки ДНК и делает её репликацию невозможной. Применение УФИ для обеззараживания приводит к минимальному образованию побочных продуктов.
УФИ эффективно уничтожает различные микроорганизмы, включая бактерии, в том числе в форме спор, ротавирусы, полиовирусы и цисты простейших. Однако яйца глистов не поддаются инактивации под воздействием УФИ. Способность некоторых микроорганизмов восстанавливать свою жизнеспособность может снижать эффективность обеззараживания с помощью УФИ, поскольку запускает механизмы регенерации структуры ДНК.
При таких условиях перманганат наиболее эффективно воздействует на неорганические загрязнения, такие как растворённые железо и марганец. Также возможно окисление сульфидов и цианидов. Однако аммиачный азот и ионы бромида практически не подвержены действию перманганата.
Взаимодействие озона с неорганическими и органическими веществами:
Примечание. 0 - эффект отсутствует; +/- - переменный эффект; + - слабый положительный эффект; ++ - заметный положительный эффект; +++ - значительный положительный эффект; ++++ - превосходный положительный эффект.
Окислительная способность кислорода сильно зависит от уровня кислотности среды (pH). Чем выше pH, тем быстрее протекает реакция. При этом кислород проявляет относительно слабую окислительную активность по сравнению с другими используемыми окислителями. При нейтральном pH окислительно-восстановительный потенциал кислорода составляет +0,815 В. Именно поэтому кислород, растворённый в воде, может окислять только некоторые соединения, например, двухвалентное железо.
Насыщение воды кислородом путём аэрации имеет ещё один полезный эффект - удаление некоторых растворённых газов, таких как сероводород H2S и углекислый газ CO2. При этом он химически инертен в отношении органических веществ, чем и объясняется сохранение жизнедеятельности микроорганизмов в присутствии кислорода.
Хлор и гипохлорит. Хлор, химическая формула которого Cl2, в обычных условиях (при нормальной температуре и давлении) находится в газообразном состоянии. Хлор можно вводить в воду в виде газа или гипохлорита (наиболее часто используются такие вещества, как гипохлорит натрия, гипохлорит кальция и гипохлорит калия). По причине опасности использования газообразного хлора наиболее распространено именно примененние гипохлорита, в частности - гипохлорита натрия NaOCl.
Взаимодействие хлора с неорганическими веществами:
- Окисление железа. Железо, которое обычно присутствует в растворенном виде, превращается в хлорид трёхвалентного железа. Он быстро гидролизуется до гидроксида трёхвалентного железа и выпадает в осадок. Реакция приводит к снижению величины pH. Оптимальное значение pH для этой реакции составляет 7. Для неорганического железа реакция практически мгновенна, в то время как для органических комплексов она более замедленна.
- Окисление марганца. Марганец осаждается в форме диоксида марганца. Величина pH реакции может изменяться от 8 до 10, оптимальное значение — 10.
- Окисление сульфидов. Сероводород, который встречается в подземных водах, очень быстро реагирует с хлором. В зависимости от величины pH он образует серу или серную кислоту.- Окисление марганца. Марганец осаждается в форме диоксида марганца. Величина pH реакции может изменяться от 8 до 10, оптимальное значение — 10.
- Окисление цианидов. Цианиды окисляются хлором в форме гипохлорита при величине pH свыше 8,5.
- Окисление нитритов и бромидов. Их окисление хлором предполагает участие хлорноватистой кислоты.
Хлорирование воды может приводить к образованию различных вредных соединений, таких как хлорамины и бромат-ионы. Эти вещества считаются опасными для здоровья и поэтому регламентируются в различных нормативных документах. Количество этих вторичных загрязнений в хлорированной воде зависит в основном от уровня pH среды, дозы используемого хлора и времени реакции. Хлор может взаимодействовать с аммонийным азотом, образуя хлорамины. Эти соединения обладают способностью останавливать размножение бактерий. Они появляются, если хлорировать воду, содержащую ионы аммония, но при этом использовать количество хлора, меньшее критической точки. Также хлорамины могут образоваться, если одновременно добавить хлор и соли аммония или аммиак в соотношении от 2 до 4 частей Cl2 на 1 часть NH4.
Хлор — это мощный биоцидный реагент, особенно когда он находится в форме хлорноватистой кислоты. Для эффективного обеззараживания необходимо достичь определённого уровня концентрации хлора. Бактерицидные свойства хлора хорошо известны и широко используются. Он также обладает противовирусным действием, что проявляется в инактивации патогенных энтеровирусов. Однако его влияние на паразитарные организмы, особенно инцистированные, незначительно.
Диоксид хлора - чрезвычайно хорошо растворим в воде. Его растворимость может меняться в зависимости от температуры и давления. По сравнению с хлором, диоксид хлора быстрее реагирует с растворёнными железом и марганцем. Он также способен окислять сульфиды, нитриты и цианиды. Однако при этом он не вступает в реакцию ни с бромидами, ни с растворённым аммиаком.
В сравнении с хлором диоксид хлора обладает меньшей окислительной способностью и более узким спектром воздействия на органические загрязнения. При этом диоксид хлора является более эффективным биоцидом по сравнению с хлором. Он эффективно уничтожает вирусы, бактерии, споры и биоплёнки, которые могут образовываться в трубопроводах.
Преимущество использования диоксида хлора для обработки питьевой воды заключается в том, что он не приводит к образованию тригалогенметанов и других галогенорганических соединений, в отличие от хлора. Диоксид хлора эффективно удаляет фенолы, которые придают воде неприятный привкус и запах. Однако при использовании недостаточной дозы реагента могут образовываться побочные хлорорганические продукты с лекарственным привкусом.
Озон - самый мощный химический дезинфектант, который используется для обработки воды. Его молекулы O3 состоят из трех атомов кислорода. Озон эффективно уничтожает патогенные организмы и живые клетки, независимо от уровня pH. Однако озон мало устойчив и быстро разлагается в водной среде, поэтому для защиты систем распределения воды от биологической активности необходимо использовать окислитель пролонгированного действия.
Химическое поведение озона в воде можно описать с помощью реакций двух типов. В первом случае озон реагирует в своей молекулярной форме, а во втором — разлагается с образованием гидроксильного радикала ОН*, который является более сильным окислителем, чем сам озон (E* = 2.80 В).
Взаимодействие озона с неорганическими и органическими веществами:
- Окисление железа и марганца. Ионы двухвалентного железа быстро окисляются озоном до нерастворимого гидроксида трёхвалентного железа. Марганец реагирует с озоном медленнее. Скорость реакции может снижаться, если вода содержит органические вещества. Избыток озона может привести к образованию перманганата, который придаёт воде розоватое окрашивание.
- Окисление сульфидов и нитритов. Сульфиды и нитриты очень чувствительны к действию озона.
- Окисление цианидов и аммиака. Окисление цианидов и аммиака хорошо происходит в щелочной среде.
- Окисление аминов. Продуктами озонирования аминов являются гидроксиламины, аминоксиды, амиды, аммиак и нитраты.
- Разложение спиртов. Под действием озона спирты разлагаются на альдегиды, карбоновые кислоты и кетоны.
- Окисление железа и марганца. Ионы двухвалентного железа быстро окисляются озоном до нерастворимого гидроксида трёхвалентного железа. Марганец реагирует с озоном медленнее. Скорость реакции может снижаться, если вода содержит органические вещества. Избыток озона может привести к образованию перманганата, который придаёт воде розоватое окрашивание.
- Окисление сульфидов и нитритов. Сульфиды и нитриты очень чувствительны к действию озона.
- Окисление цианидов и аммиака. Окисление цианидов и аммиака хорошо происходит в щелочной среде.
- Окисление аминов. Продуктами озонирования аминов являются гидроксиламины, аминоксиды, амиды, аммиак и нитраты.
- Разложение спиртов. Под действием озона спирты разлагаются на альдегиды, карбоновые кислоты и кетоны.
Ультрафиолетовое излучение - бактерицидное действие ультрафиолета (УФИ) основано на поглощении фотонов пиримидиновыми основаниями, которые входят в состав ДНК, в основном тимином и частично цитозином. Под воздействием УФИ происходит димеризация двух соседних оснований, что приводит к обрыву цепочки ДНК и делает её репликацию невозможной. Применение УФИ для обеззараживания приводит к минимальному образованию побочных продуктов.
УФИ эффективно уничтожает различные микроорганизмы, включая бактерии, в том числе в форме спор, ротавирусы, полиовирусы и цисты простейших. Однако яйца глистов не поддаются инактивации под воздействием УФИ. Способность некоторых микроорганизмов восстанавливать свою жизнеспособность может снижать эффективность обеззараживания с помощью УФИ, поскольку запускает механизмы регенерации структуры ДНК.
Перманганат - находит практическое применение в форме перманганата калия KMnO4. Окислительная способность перманганата калия по отношению к загрязнениям в воде сильно зависит от уровня кислотности среды, измеряемого показателем pH. В практических условиях рекомендуется работать в диапазоне значений pH от 6 до 8,5.
При таких условиях перманганат наиболее эффективно воздействует на неорганические загрязнения, такие как растворённые железо и марганец. Также возможно окисление сульфидов и цианидов. Однако аммиачный азот и ионы бромида практически не подвержены действию перманганата.
Взаимодействие озона с неорганическими и органическими веществами:
- Окисление железа. При уровне pH от 6 до 10 реакция протекает стремительно. На практике требуется меньше перманганата калия, чем указано в стехиометрическом расчёте, потому что двухвалентное железо адсорбируется диоксидом марганца. Чем выше уровень pH, тем активнее этот процесс.
- Окисление марганца. Чем выше значение pH, тем быстрее идёт реакция. В этом случае диоксид марганца также снижает необходимое количество перманганата калия благодаря своей адсорбционной способности.
Перекись водорода является неустойчивым соединением и легко разлагается с выделением кислорода. Её нечасто применяют для очистки воды и используют только для решения специфических задач, в основном для удаления сульфидов и цианидов.
Бактерицидные и противоводорослевые свойства пероксида водорода позволяют использовать его для обработки воды в бассейнах или промышленных системах водоснабжения.
Применение основных окислителей
|
Цель окисления |
Хлор |
Диоксид хлора |
Озон |
Перманганат |
|---|---|---|---|---|
|
Железо и марганец |
+ |
++ |
++++ | ++++ |
|
Аммонийный азот |
+++ | 0 | + | 0 |
| Цвет | + | ++ | +++ | 0 |
| Привкус | +/- | ++ | ++++ | +/- |
|
Органические соединения |
+/- | + | ++++ | 0 |
|
Биоразлогаемость ОВ |
- | - | ++ | 0 |
