ГИПОХЛОРИТ ДЛЯ ЖКХ ОПТИМАЛЬНЫЙ ПУТЬ ПОВЫШЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ ВОДОПОДГОТОВКИ И ВОДООТВЕДЕНИЯ ЖКХ Бахир В.М. НПО «ЭКРАН», Москва, Россия
На страницах журнала «Промышленная безопасность» в 2007 году напечатаны статьи, посвященные определению рациональных путей повышения промышленной и экологической безопасности объектов водоподготовки и водоотведения ЖКХ [1, 2]. По сути это программные документы, которые могут быть восприняты как рекомендации по развитию технологий и техники обеззараживания и очистки воды в нашей стране. Свидетельством тому является участие в авторских коллективах лиц, которые в силу официальных должностных обязанностей ответственны за жизнь, безопасность и здоровье многих людей. Самым важным в этих статьях является сделанный на основе анализа существующих в мире технологий обеззараживания воды и промышленно-бытовых сточных вод вывод о том, что использование на водоочистных сооружениях озонаторов или установок для ультрафиолетового облучения воды обязательно должно сочетаться с хлорированием, обеспечивающим длительное воздействие обеззараживающего агента [1].
Также важным и обоснованным решением является отказ от применения в качестве единственного биоцидного средства диоксида хлора, произведенного с использованием хлорита натрия.
Можно с уверенностью сказать, что эти два важных вывода, будучи реализованными, долгие годы будут служить во благо людей и позволят сэкономить огромные средства как в системе ЖКХ, так и в системе здравоохранения России.
Однако, некоторые положения и выводы, изложенные в упомянутых статьях и посвященные развитию собственно техники получения и технологии применения хлорсодержащих реагентов, недостаточно прочно опираются на фундамент накопленных за многие десятилетия химических знаний, в том числе, в области применения жидкого (газообразного) хлора и гипохлорита натрия для дезинфекции воды и, к сожалению, сформулированы без учета информации о новых, быстро развивающихся технических средствах и технологиях.
Остановимся на некоторых аспектах рассматриваемых вопросов, не обращая внимания на мелкие, но досадные опечатки, которые могут ввести в заблуждение неподготовленного читателя, например, такие, как уравнение реакции получения хлорноватистой кислоты в результате взаимодействия соляной кислоты и гидроксида натрия [1, стр. 6] и некоторые другие.
Рассматриваемые аспекты можно условно разделить на технические и концептуальные. Технические являются менее важными, поэтому обратимся к ним вначале. В статье [2] описан рекомендуемый к практическому внедрению процесс производства и применения низкоконцентрированного (0,6 – 0,9 %) раствора гипохлорита натрия, который заключается в приготовлении исходного раствора поваренной соли концентрацией 3 – 4 % на умягченной воде, обработке этого раствора в проточном электрохимическом реакторе с последующей подачей раствора гипохлорита в накопительную емкость, из которой дозировочным насосом раствор гипохлорита вводят в обеззараживаемую воду. В соответствии с технологической схемой процесса вода, которая используется для растворения соли и получения концентрированного раствора хлорида натрия, а также вода для его разбавления перед подачей в электрохимический реактор, подвергается умягчению в ионообменном фильтре. Стадия умягчения воды в данной схеме является излишней, поскольку обычная поваренная соль (и даже специально очищенная таблетированная соль) всегда содержит примеси в виде солей кальция, магния, железа, сводящие на нет качество предварительно умягченной воды. Практическое использование предложенной схемы неизбежно приведет к достаточно большому и совершенно нерациональному расходу соли на регенерацию ионообменных фильтров. Но даже без учета этих затрат соли, для работы одного реактора производительностью 45 кг/ч активного хлора (в эквиваленте) необходимо около 160 кг соли в час, растворенных в 5 кубометрах воды при затрате электроэнергии порядка 250 кВт. Для сравнения, производство такого же количества хлора (или гипохлорита натрия) промышленным способом требует не более 90 кг соли и около 130 кВт электроэнергии при десятикратной экономии воды. Для получения гипохлорита натрия в промышленных условиях вначале проводят электролиз концентрированного раствора хлорида натрия, продуктами которого являются газообразный хлор и раствор каустической соды, затем осуществляют барботаж газообразного хлора через раствор каустической соды при постоянном охлаждении реактора, после чего производят отделение избыточного количества хлорида натрия от раствора гипохлорита. Полученный промышленным способом концентрированный раствор гипохлорита натрия с концентрацией активного хлора от 120 до 190 г/л называют «химическим». В локальных электрохимических установках с бездиафрагменными реакторами осуществляют электролиз менее концентрированного солевого раствора (30 – 40 г/л), получая в итоге подщелоченный раствор гипохлорита в соленой воде при значительном (в сравнении с промышленной технологией) перерасходе соли и электроэнергии. Такой способ получения раствора гипохлорита, а также сам раствор называют «электрохимическим». На самом деле, более важным чем способ получения, для технологии обеззараживания воды является химический состав гипохлоритного раствора: концентрация в растворе собственно гипохлорита натрия, хлорида натрия и гидроксида натрия. Эти три показателя крайне редко, экстремально редко, приводятся все вместе, поскольку производители гипохлорита не стремятся афишировать излишнее подсаливание воды с одновременным излишним ее подщелачиванием, что обязательно (в большей или меньшей степени) сопровождает применение растворов гипохлорита для обеззараживания воды.
Рассматривая далее схему производства низкоконцентрированного раствора гипохлорита натрия следует отметить, что газ, удаляемый при помощи вентилятора из емкости с готовым раствором гипохлорита, вовсе не является чистым водородом, но, напротив, взрывоопасной смесью водорода, хлора и кислорода. Объяснение простое: пузырьки водорода, образующиеся на катоде, перемещаясь и всплывая в толще раствора, захватывают растворенные и не успевшие раствориться молекулярный хлор и кислород, которые выделяются на аноде. Можно легко убедиться в этом без помощи химических анализов газового состава. Достаточно поднести пламя зажигалки к любому работающему бездиафрагменному реактору, например, реактору миниатюрной установки медицинского назначения ЭДО-4 ([3]) для получения низкоконцентрированного раствора гипохлорита натрия. Резкий треск и хлопки при горении выделяющегося электролизного газа совсем не похожи на ровное и спокойное горение чистого водорода, который выходит, например, из катодной камеры такой же небольшой установки медицинского назначения типа СТЭЛ [4], снабженной диафрагменным реактором.
Таким образом, пространство над емкостью для сбора готового раствора гипохлорита во время работы на самом деле заполнено не водородом, а взрывоопасной газовой смесью и только действительно мощная вентиляция может удалить из емкости и рассеять в атмосфере те 20 – 30 кубометров электролизных газов, которые образуются каждый час при работе единичного бездиафрагменного реактора, описанного в статье [2]. Рассеивание в атмосфере водорода и кислорода не приводит к каким-либо вредным последствиям и разрешено во всех странах, чего нельзя сказать о третьей составляющей газовой фазы – хлоре.
Переходя к концептуальным аспектам рассматриваемых статей отметим, что общие представления авторов о сравнительной эффективности реагентов для хлорирования воды, среди которых наилучшим они считают гипохлорит натрия, противоречат данным, накопленным как наукой, так и практикой.
Общеизвестным является, что гипохлорит натрия обладает несравненно меньшей бактерицидной активностью, нежели хлорноватистая кислота [5-11]. Одной из ярких иллюстраций этого факта является приведенная на рис. 1 диаграмма, заимствованная из [5]. Из приведенных на диаграмме данных ясно видно, что для достижения одинакового эффекта обеззараживания питьевой воды хлорноватистой кислотой, гипохлоритом натрия и хлорамином при одной и той же концентрации активного хлора, например, 0,1 мг/л, упомянутым реагентам требуется время менее 2 минут, более 100 минут и около 500 минут, соответственно.
Рис. 1. Сравнительная антимикробная активность растворов хлорноватистой кислоты, гипохлорита натрия, и хлорамина на примере уничтожения 99 % E. coli в воде при температуре 2 - 6 °C [5]
Подобную информацию можно найти не только в серъезных монографиях, но даже в руководствах по уходу за водой плавательного бассейна. Например, ниже приведена цитата из помещенного на сайте руководства по применению хлоркислородных соединений для обеззараживания воды: «В отличие от хлора, гипохлориты имеют щелочной характер и могут применяться для повышения уровня рН обрабатываемой воды. С изменением рН обрабатываемой воды меняются соотношения между хлорноватистой кислотой и ионами гипохлорита. С возрастанием рН хлорноватистая кислота распадается на ионы Н+ и ClO−. Так, например, при рН=6 доля HСlO составляет 97%, а доля гипохлоритных ионов 3%. При рН=7 доля HСlO составляет 78%, а гипохлорита - 22%, при рН=8 доля HСlO - 24%, гипохлорита - 76%. Таким образом, при высоких значениях рН в воде HСlO превращается в неактивный гипохлорит-ион».
Это упомянутое в цитате известное соотношение между формами соединений хлора в воде в зависимости от величины рН показано на рис. 2.
Рис. 2. Соотношение содержания форм соединений хлора в воде в зависимости от значения рН
При значениях рН, близких к нейтральному, концентрации HClO и гипохлорит-анионов ClO- приблизительно равны. Наивысшая бактерицидная активность кислородных соединений хлора проявляется в диапазоне рН от 7,0 до 7,5, где концентрации гипохлорит-ионов и хлорноватистой кислоты сопоставимы. Объясняется данный факт тем, что указанные соединения, являясь сопряженными кислотой и основанием (HClO + H2O → H3O+ + ClO- ; ClO- + H2O → HClO + OH-), образуют в указанном диапазоне рН метастабильную систему, способную генерировать ряд соединений и частиц, обладающих гораздо большим антимикробным действием, нежели хлорноватистая кислота: 1О2 – синглетный молекулярный кислород; ClO• – гипохлорит-радикал; Cl• – хлор-радикал (атомарный хлор); O• – атомарный кислород; ОН• – радикал гидроксила. Катализаторами реакций с участием хлоркислородных соединений являются ионы H+ и OH-, существующие в воде также приблизительно в равном количестве при значениях рН, близких к нейтральному [8]. Исследованиями последних десятилетий установлено, что все высшие многоклеточные организмы, включая человека, синтезируют в особых клеточных структурах (микросомы гепатоцитов, эндоплазматический ретикулум фагоцитов) хлорноватистую кислоту и высокоактивные метастабильные хлоркислородные и гидропероксидные соединения (метастабильную смесь оксидантов) для борьбы с микроорганизмами и чужеродными субстанциями [3, 12, 13]. Этот механизм антибактериальной защиты, созданный Природой, функционирует во внутренней среде организма животных и человека на протяжении миллионов лет без каких-либо сбоев.
Образующиеся радикалы, атомарный кислород принимают участие в уничтожении микроорганизмов, взаимодействуя с биополимерами в их структуре, способными к окислению, например, в соответствии с реакциями: RH2 + OH• → RH• + H2O; RH2 + Cl• → RH• + HCl; RH2 + O• → RH• + OH• . Метастабильная смесь соединений, образующаяся в процессе фагоцитоза, является весьма эффективным средством уничтожения микроорганизмов, поскольку обладает множеством спонтанно реализующихся возможностей изменения (необратимого нарушения) жизненно важных функций биополимеров микроорганизма на уровне реакций передачи электронов. Метастабильные частицы с различными значениями электрохимического потенциала обладают универсальным спектром действия, т.е. способны оказывать повреждающее действие на все крупные систематические группы микроорганизмов (бактерии, микобактерии, вирусы, грибы, споры), не причиняя вреда клеткам тканей человека и других высших организмов, т.е. соматическим клеткам в составе многоклеточной системы.
Это обусловлено принципиальными отличиями в строении и условиях жизни клеток этих форм жизни. Клетки высших организмов в процессе жизнедеятельности, например, в оксигеназных реакциях функционирования цитохрома Р-450, во время фагоцитоза при адгезии и обездвиживании микробных клеток продуцируют и используют целый ряд высокоактивных оксидантов. Эти клетки обладают мощной химической системой антиоксидантной защиты, предотвращающей токсическое воздействие подобных веществ на жизненно важные клеточные структуры. Антиоксидантные свойства соматических клеток связаны с наличием мощной трехслойной липопротеидной оболочки, которая содержит обладающие электрондонорными свойствами диеновые конъюгаты (–С=С–) и сульфгидрильные группы (SH). Микроорганизмы не имеют мощных систем антиоксидантной защиты с участием указанных химических групп.
Из вышеизложенного понятно, что Природа избрала хлор защитником внутренней среды организма человека. Человеку, если он считает себя защитником Природы, вероятно, следует постараться найти оптимальный путь применения этого апробированного инструмента для обеспечения безопасности окружающего его мира, в том числе, мира воды. При этом нужно понимать, что простота перехода одних форм хлора в другие в зависимости от рН воды (рис. 2), положенная в основу неверных представлений [1, 2] о большей эффективности гипохлорита в сравнении с хлором, является кажущейся, а поиск оптимального пути требует очень вдумчивого изучения и анализа. Например, изучая зависимости, приведенные на рис. 2, легко предположить, что если в большой объем воды с рН = 7 ввести малый объем хлорной воды с рН = 2,5, или малый объем гипохлоритного раствора с рН = 12, то рН большого объема воды останется неизменным после перемешивания и равным семи, и что в обеих случаях действующие вещества будут идентичными и соответствовать рН воды. На самом деле все не так просто, хотя первая часть предположения о том, что рН воды не изменится от добавления малых объемов хлорной воды или раствора гипохлорита, верна. Наилучшим образом о подобной ситуации, равно как и о некоторых других вопросах, затронутых в этой статье, сказал А. Эйнштейн: “Кто бы мог подумать, что мы будем так много знать и так мало понимать…”.
Кривые на рис. 2, полученные различными авторами, всегда строились для условий, при которых скорость установления равновесия преимущественно определяется законом действующих масс. Концентрация соединений хлора в растворах при подобных исследованиях всегда в сотни и тысячи раз больше, чем в питьевой воде, поэтому практически полное химическое равновесие после изменения рН устанавливается в течение времени от нескольких минут до нескольких десятков минут, после чего и производятся замеры концентраций веществ.
Для сверхразбавленных растворов активного хлора, к которым относится питьевая вода, равновесие устанавливается в течение от нескольких часов до нескольких десятков часов, поскольку в таких системах скорость процессов в большей степени определяется принципом Ле-Шателье. Применительно к превращениям форм хлора в воде этот принцип выглядит следующим образом. Когда в большой объем воды с рН = 7 вводят малую порцию хлорной воды с рН = 2,5 – 3,0, то вода этого практически «не замечает», и ее рН после перемешивания остается равным 7. Однако, растворенный хлор и хлорноватистая кислота весьма чувствительны к происходящим переменам и всеми силами стремятся противодействовать повышению рН. Им остается только одно: препятствовать собственному превращению в гипохлоритный ион, огородившись энергетическим (ионно-гидратным) потенциальным барьером, который сохраняет их длительное время в виде недиссоциированной хлорноватистой кислоты. Данная ситуация относится к области кинетики химических реакций и мы не будем отвлекаться на более подробное пояснение. Безусловно, рано или поздно, все химические превращения, которые необходимы для установления равновесного химического состава, соответствующего внешним и внутренним условиям, наступят. Но дело в том, что наступят они спустя длительное время, т.е. тогда, когда важные для технологии очистки воды реакции, типа уничтожения микроорганизмов, будут завершены. И в данном случае это весьма полезно для практических целей.
Тот же процесс, но в зеркальном отражении, произойдет при вводе малого объема раствора гипохлорита с рН = 12 в большой объем воды с рН = 7, т.е. в случае практического применения технологии, предложенной с статье [2]. Гипохлоритные ионы будут медлить переходить в активную форму хлорноватистой кислоты, несмотря на понизившуюся величину рН, и это промедление будет также исчисляться часами и десятками часов, что, естественно, весьма негативно отразится на качестве обеззараживания воды.
Сразу отметим, что для выполнения квалифицированных лабораторных исследований в этой области нужна соответствующая специальная подготовка персонала и глубокие представления об исследуемых химических процессах. Чтобы убедиться в справедливости изложенного, не прибегая к дорогостоящим исследованиям, лучше всего обратиться к практикам, занимающимся подготовкой воды в больших объемах, а также к уже опубликованным наблюдениям и выводам, полученным в результате независимых исследований или аналитических обобщений.
В качестве примера обращения к практикам приведем еще одну цитату, взятую из упомянутого выше интернет-сайта: «При использовании вместо газообразного хлора гипохлорита натрия, в процессе ввода этого реактива в систему трубопроводов для его разбавления там образуется осадок, состоящий из гидроксида магния и диоксида кремния, забивающий водные каналы».
Конечно, можно думать, что одно дело - это вводить гипохлорит в систему трубопроводов плавательного бассейна, а совсем другое – в систему трубопроводов, обеспечивающих город питьевой водой. Однако, очевидно, что эти различия кажущиеся: все дело только во времени проявления и масштабах неприятностей.
Недавно опубликовано серъезное научное исследование, в котором наглядно показана и доказана решающая роль хлорид-иона (не активного хлора) в интенсификации коррозионных процессов стенок стальных водоводов [14]. Эта работа очень наглядно показывает, что применение для дезинфекции воды гипохлорита натрия приводит к резкому ускорению коррозии в сравнении с использованием для дезинфекции газообразного хлора. Можно, конечно, оспаривать в научных дискуссиях опубликованные результаты научных исследований, однако, такое обсуждение не будет способствовать уменьшению количества (все учащаюшихся) аварий городских водоводов, обрабатываемых гипохлоритом.
Еще одно практическое свидетельство справедливости изложенного выше описано в руководстве для врачей – эпидемиологов [9], где указано, что гипохлорит натрия, полученный химическим и электрохимическим путем (неважно, каким) неэффективен против споровых форм микроорганизмов в отличие от электрохимически синтезированного раствора оксидантов – анолита. Этот факт говорит о том, что важным для достижения конечного результата (в данном случае – уничтожение микроорганизмов) является не только формальное применение электрохимически синтезированного раствора, но и, собственно, технология синтеза. Кроме того, чрезвычайно важным является также технология применения, чему, к сожалению, в настоящее время не уделяется практически никакого внимания. Хорошо и давно известно, что гипохлорит натрия не в состоянии обеспечить удаление биопленок с поверхности трубопроводов, поэтому скорость биокоррозии на отдельных, благоприятных для развития микроорганизмов участках водоводов, может намного превышать скорость химической коррозии, что также проявляется и будет проявляться в авариях водоводов.
Вновь обращаясь к примерам, напомним, что процесс образования тригалометанов растянут во времени до нескольких десятков часов, а их количество при прочих равных условиях тем больше, чем выше рН воды. Известно [5], что применение гипохлорита натрия или кальция для дезинфекции воды вместо молекулярного хлора не снижает, а значительно увеличивает вероятность образования тригалометанов. Это обусловлено тем, что малоактивные гипохлорит-ионы не в состоянии быстро окислить наиболее реакционноспособные части молекул гумусовых веществ и потому реагируют с ними с образованием тригалометанов. В то же время, пероксид водорода, озон, которые обладают высоким окислительным потенциалом и высокой окислительной активностью за счет способности выделять свободный кислород, способны быстро окислить реакционные группы органических примесей в воде и предотвратить таким образом их дальнейшие химические превращения в галогенсодержащие соединения (ГСС).
Еще одним примером являются хлорамины, о вреде и сильнейшем аллергенном действии которых в последнее время опубликовано несколько научных работ [15,16]. В то же время аммонизация воды в настоящее время с расширением применения гипохлоритной обработки воды начинает приобретать все более широкие масштабы, поскольку таким путем пытаются решить проблему поддержания уровня активного хлора в водоводах, где биопленки поглощают и дезактивируют вредный для них свободный хлор и оставляют хлорамин, органическую часть молекул которого легко утилизируют многие бактерии.
Подобных примеров можно привести множество. Однако, из всего сказанного выше следует, что применение раствора гипохлорита вне зависимости от способа его получения (промышленный или на локальных установках) в сравнении с хлором не только не обеспечивает защиту от коррозии, а наоборот, способствует ее усилению за счет повышения электропроводности (минерализации) воды [17], не снижает, а увеличивает вероятность образования тригалометанов, всегда повышает рН воды, что активизирует рост микроорганизмов в биопленках, которые покрывают внутреннюю поверхность водопроводных сетей.
Тем не менее, ситуация не является безвыходной. Существует и уже апробирована в течение нескольких лет в практических условиях технология ионселективного электролиза с диафрагмой, реализованная, в частности, в установках типа АКВАХЛОР [10]. Эта технология сочетает в себе экономическую эффективность промышленного производства хлора и каустической соды (следовательно, и гипохлоритных растворов как высокой, так и низкой концентрации), позволяет реализовать более совершенные процессы обеззараживания и очистки воды с одновременным регулированием ее рН, предотвращением образования тригалометанов и биопленок, защиту от коррозии и осадконакопления при полной безопасности эксплуатации оборудования, контроль которой не входит в функции Ростехнадзора [17, 18]. Последний момент может вызывать возражения некоторых представителей структур, ответственных за промышленную безопасность, но с этим им придется рано или поздно согласиться, поскольку и в данном случае к рассматриваемой ситуации вполне применим принцип Ле-Шателье.
Известны публикации об этой технологии, ее описание легко найти в интернете (), а также на сайтах водоканалов городов (Энгельс, Невинномысск, Вольск, Усть-Илимск, Балаково и других), где эксплуатируются установки АКВАХЛОР. Очень странно, что авторы рассматриваемых статей «не заметили» того, что, с абсолютной очевидностью, должно быть им известно.
Ионселективный электролиз с фильтрующей диафрагмой - новый процесс в технологии электрохимических производств, который принципиально отличается от известных процессов электролиза с разделенными анодным и катодным пространствами, таких, как электролиз с погруженной или фильтрующей диафрагмой, электролиз с ионообменной мембраной.
Рис. 3. Схема ионселективного электролиза с фильтрующей диафрагмой, роль которой выполняет оксидно-циркониевая диафрагма элемента ПЭМ. Анодным продуктом в данном процессе является влажная газообразная смесь молекулярного хлора (около 95%), диоксида хлора (около 3%) и озона (около 2%). В качестве исходного используется раствор хлорида натрия концентрацией 200 – 250 г/л.
Особенность нового процесса заключается в том, что селективность переноса ионов при электролизе водных растворов электролитов достигается с помощью микрофильтрационной керамической диафрагмы из оксидов циркония, алюминия и иттрия, установленной между электродами электрохимической системы, за счет создания в объеме порового пространства диафрагмы градиентов плотности тока и давления, управляющих скоростью и направлением перемещения воды и содержащихся в ней заряженных частиц (ионов) в порах диафрагмы.
Технология ионселективного электролиза с диафрагмой обеспечивает электрохимическое разложение раствора хлорида натрия с получением конечных целевых продуктов без промежуточного кондиционирования анолита и католита, непрерывно, в электрохимическом реакторе с неактивной микропористой диафрагмой. Технология ионселективного электролиза (ИСЭД – ISED) разработана в качестве безопасной и экономичной альтернативы известным технологическим процессам синтеза хлора: электролизу с ртутным катодом, электролизу с диафрагмой и электролизу с ионселективной мембраной.
Технология ИСЭД реализована в установках типа АКВАХЛОР, основным продуктом которых является кислый (с рН 2,5 – 3,5) водный раствор оксидантов (хлор - 95%, диоксид хлора - 3%, озон - 2%) с концентрацией от 0,5 до 2,0 г/л и раствор гидроксида натрия концентрацией 150 – 170 г/л. Исходя из назначения раствора оксидантов, его можно и нужно считать более совершенным в технологическом и функциональном плане аналогом хлорной воды, которая образуется в хлораторах водоочистных сооружений при вводе газообразного хлора в воду.
Не будем повторять содержание статей об установках АКВАХЛОР и опыте их промышленного применения, опубликованных в журнале «Питьевая вода» в 2003 и 2007 годах за номерами, соответственно, 1 и 3. Рассмотрим только некоторые сравнительные моменты, важные для представителей Ростехнадзора.
Обобщая различные нормативные документы, определяющие степень опасности производственных объектов, можно заключить, что степень опасности прямо пропорциональна величине химического или энергетического потенциала объекта, а также определяется конфигурацией и величиной объема, в котором сосредоточен этот потенциал. Например, можно собрать в одном помещении 120 работающих электрических чайников, которые по суммарной мощности (250 кВт) равны одному бездиафрагменному электролизеру, диаметром 30 и длиной 150 см, который описан в статье [2]. Однако, трудно придумать ситуацию, при которой это собрание чайников могло бы вызвать техногенную аварию (каждый из них имеет собственные устройства безопасности), в то время, как в случае прекращения протока солевого раствора через реактор бездиафрагменного электролизера без предварительного отключения электропитания, разрыв корпуса электролизера произойдет практически моментально с непредсказуемыми последствиями.
Природа давно придумала безопасные варианты управления гигантскими энергиями и процессами. Грозовая туча содержит множество капелек, заряды которых складываются в нужный момент и при определенных условиях (при разряде молнии), но, даже находясь внутри этой тучи и наблюдая ее, можно не опасаться огромного, рассредоточенного в пространстве, суммарного энергетического потенциала, который является совершенно безопасным для наблюдателя.
Установки АКВАХЛОР соответствуют этой модели. Каждая установка является совершенно автономной, с собственными системами контроля и безопасности работы, однако с возможностью соединения в блоки любой производительности по целевым продуктам. Реакторы установок АКВАХЛОР являются диафрагменными, но принципиально отличаются от любых известных электрохимических реакторов – диафрагменных, мембранных, бездиафрагменных.
Главным принципом традиционного проектирования электрохимических реакторов является стремление в единичном аппарате увеличить площадь поверхности электродов при возможно меньшем межэлектродном расстоянии.
В результате, все многообразие существующих электрохимических систем представлено узкоспециализированными установками со строго заданными внешними и внутренними параметрами работы, при этом, диапазон допустимого отклонения по параметрам и условиям работы таких устройств тем меньше, чем больше размеры электродных камер (площадь одного электрода).
Новый принцип проектирования электрохимических реакторов [19] основан на разработке технически совершенных универсальных малогабаритных электрохимических ячеек, каждая из которых представляет собой диафрагменный электрохимический проточный реактор с механически прочной и химически очень стойкой диафрагмой из оксидной керамики. Такие универсальные ячейки – элементы ПЭМ (элементы проточные электрохимические модульные) являются основной частью электрохимических установок любой мощности и любого возможного назначения. Построение электрохимических установок из модульных элементов ПЭМ имеет аналогию в живой природе. Каждую из таких ячеек можно уподобить листу дерева. При этом коллекторы, соединяющие элементарные электрохимические ячейки в единую систему, подобны ветвям дерева, доставляющим к каждому листу питательные вещества и отводящие продукты физико-химических реакций. Преимущество электрохимических установок из малогабаритных модульных универсальных ячеек перед большими единичными электрохимическими реакторами, созданными по традиционной схеме, состоит в первую очередь в значительном повышении надежности и технической устойчивости системы, что обусловлено намного более широкими допустимыми интервалами изменения давления, скорости протока, температуры, концентрации исходных растворов и продуктов электрохимических реакций, значительно большими допустимыми вариациями плотности тока и намного большей устойчивостью к мешающим факторам в виде нежелательных примесей в растворах - солям жесткости, нефтепродуктам, ионам тяжелых металлов, а также к вибрации и тряске.
Реактор установки АКВАХЛОР-500, производительностью 500 граммов смеси оксидантов (в эквиваленте хлора) в час, состоит из 16 запатентованных во многих странах электрохимических элементов ПЭМ-7, каждый из которых представляет собой миниатюрный диафрагменный электролизер с коаксиально установленными электродами и диафрагмой (рис.4). Внешний электрод элемента ПЭМ-7 является катодом и изготовлен из титановой трубы диаметром 40 мм. Внутренний электрод (анод) также изготовлен из титановой трубы, на поверхность которой по оригинальной технологии нанесено покрытие из оксидов рутения и иридия, обеспечивающее не менее 6 лет непрерывной работы.
Рис. 4. Элементы ПЭМ-7
Керамическая диафрагма в элементе ПЭМ-7 обладает исключительной стойкостью к действию кислот, щелочей, окислителей, восстановителей, выдерживает давление на разрыв до 4 атм, имеет неограниченный ресурс работы. Особенностью диафрагмы является полное отсутствие возможности проникновения газов из анодной камеры в катодную и наоборот. Таким образом, водород, образующийся в катодной камере элемента ПЭМ-7 не содержит хлора и кислорода, а хлор, образующийся в анодной камере, не содержит водорода. Очистка диафрагм в процессе работы установки АКВАХЛОР не требуется, если для питания установок используется специально очищенный солевой раствор. При использовании солевого раствора с солями жесткости необходима периодическая очистка диафрагмы 5%-ным раствором соляной кислоты. Очистка производится путем промывки реактора установки АКВАХЛОР без какой-либо его разборки в течение 15 – 30 минут.
Элементы ПЭМ-7 изготавливаются российским предприятием «Лаборатория Электротехнологии» в соответствии с ТУ 9451-021-44464870-2003.
Возвращаясь к примеру с чайниками можно заметить, что производительность по хлору, равная 45 кг/ч, которая соответствует описанному в статье [2] агрегату, может быть получена использованием 90 установок АКВАХЛОР-500 (А-500), которые в стационарном режиме работы потребляют приблизительно 120 кВт-ч электроэнергии, не более 90 кг соли в час и занимают площадь около 150 квадратных метров с учетом площади для размещения оборудования системы приготовления солевого раствора. При этом они производят два продукта: кислый раствор оксидантов (улучшенный аналог хлорной воды) и 360 – 450 литров в час раствора гидроксида натрия концентрацией 150 – 170 г/л, который можно использовать в процессах коагуляционной очистки воды, для промывки фильтров или для продажи на фабрики первичной мойки шерсти, на нефтеперерабатывающие предприятия, на транспортные предприятия, осуществляющие мойку емкостей от нефтепродуктов, масел, жира. В случае отсутствия возможности реализации раствора гидроксида натрия по указанным направлениям, его можно вводить в воду сразу после насосной станции первого подъема или перед ней, непосредственно в водозаборное устройство, для улучшения процессов очистки воды на фильтрах. Раздельный ввод гидроксида натрия и хлорной воды обеспечивает возможность проявления свойств каждого из реагентов на всем объеме воды, что коренным образом по технологическому эффекту отличается от ввода гипохлоритного раствора, образованного в результате реакции взаимодействия указанных реагентов. Чистый водород отводится по поливинилхлоридной трубке (не по трубопроводу) диаметром 5 мм от каждой установки А-500 за пределы помещения и рассеивается в атмосфере. Дозировочных насосов не требуется, не требуется также переделка хлораторной, так как раствор оксидантов подается к точкам ввода по тем же линиям и в том же количестве, что и хлорная вода. Регулирование количества вводимых оксидантов производится путем изменения количества работающих модулей А-500 или изменением силы тока на индивидуальных для каждого модуля блоках питания. Если через какой – либо модуль А-500 прекращается проток воды, которая в эжекторном смесителе установки смешивается с оксидантами и превращается в раствор оксидантов, установка автоматически отключается. Также установка автоматически отключается в случае повышения температуры реактора свыше 55 градусов.
Одна из главных технологических особенностей установки АКВАХЛОР заключается в том, что расход соли на синтез оксидантов в анодной камере реактора полностью определяется силой тока, причем, при любой величине тока эффективность использования соли сохраняется и равна 99,5 %. Это позволяет осуществлять совершенно точное дозирование оксидантов в обеззараживаемую воду путем изменения концентрации оксидантов в «хлорной воде» - растворе оксидантов регулированием силы тока.
Семилетний опыт эксплуатации установок АКВАХЛОР с реакторами из элементов ПЭМ-7 в различных условиях (климатических, технических, технологических) в России и за рубежом показал их высокую эффективность, экономичность, практически полное отсутствие побочных продуктов хлорирования даже при обработке раствором оксидантов сточных вод с высоким содержанием органических соединений. Дальнейшее совершенствование технологии обеззараживания воды с применением установок АКВАХЛОР происходит по пути оптимизации гидравлических схем и систем автоматизации при одновременном подключении большого количества модулей А-500 (от 100 до 1000). В настоящее время наибольшее количество одновременно используемых модулей А-500 составляет 18, однако, в стадии завершения проекты использования 100 и более установок в одном месте. Некоторые данные, использующиеся в процессе проектирования, отражены в таблице.
Установки АКВАХЛОР имеют сертификат соответствия РФ, а производимый ими раствор оксидантов – санитарно-эпидемиологическое заключение Госсанэпиднадзора РФ. Кроме того, установка АКВАХЛОР-500 имеет сертификат соответствия стандартам Германии (TUV).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пуликовский К.Б., Кутьин Н.Г., Селезнев Г.М., Ягуд Ю.Б., Мартынов А.Н. Пути повышения промышленной и экологической безопасности объектов водоподготовки и водоотведения ЖКХ, Безопасность труда в промышленности. - 2007. - №5. – с. 3-7
2. Селезнев Г.М., Лыков С.М., Буракова Ю.В., Кармазинов Ф.В., Лобанов Ф.И. Новые технологии и оборудование для дезинфекции воды – альтернатива хлору, Безопасность труда в промышленности. - 2007. – №2. – с. 64-66
3. Лопаткин Н.А., Лопухин Ю.М. Эфферентные методы в медицине (теоретические и экспериментальные аспекты экстракорпоральных методов лечения). - М.: Медицина, 1989. - 352 с.
4. Бахир В.М., Вторенко В.И., Леонов Б.И., Паничева С.А., Прилуцкий В.И. Эффективность и безопасность химических средств для дезинфекции, предстерилизационной очистки и стерилизации, Дезинфекционное дело. – 2003. - №1. – с. 29-36
5. Faust S.D., Aly O.M., Chemistry of water treatment, 2nd Edition, Lewis Publishers, L., NY, W. D.C., p. 582, 1998.
6. Geo Clifford White, Handbook of chlorination and alternative disinfectants, 4th edition, A Wiley-Interscience Publication, p. 1659, 1999.
7. Water Quality & Treatment. A Handbook of Community Water Suppliers. American Water Works Association. 5th edition. Technical Editor Raymond D. Letterman. McGRAW-HILL, INC., 1999.
8. Краснобородько И.Г. Деструктивная очистка сточных вод от красителей. – Л.: Химия, - 1988. - 193 с.
9. Пономарева Л.А., Селькова Е.П., Гвелесиани Г.А., Юркова Е.В., Толстов К.Г. Пособие по применению средств дезинфекции и стерилизации в лечебно-профилактических учреждениях и организации режимов дезинфекции и стерилизации в отделениях эндоскопии и стоматологии. – М., Дезинфекционная станция «Био-Конт» Московского городского центра дезинфекции, 1998, - 96 с.
10. Бахир В.М. Дезинфекция питьевой воды: проблемы и решения, Питьевая вода. – 2003. - №1. – с. 13 - 20
11. Практическое руководство по применению средств дезинфекции и стерилизации в лечебно-профилактических учреждениях. Под ред. Авчинникова А.В. Издание 4-е, исправленное и дополненное. – Смоленск: СГМА, 2002. – 200 с.
12. Арчаков А.И., Карузина И.И. Окисление чужеродных соединений и проблемы токсикологии, Вестник АМН СССР. – 1998. - №1. - с. 14 - 28
13. Арчаков А.И. Микросомальное окисление. - М.: Наука, - 1975. - 327 с.
14. Gary A. Burlingame, Darren A. Lyttle, Vernon L. Snoeyink. Why red water? Understanding iron release in distribution systems, Opflow, December, 2006, p. 12 - 16
15. Dan Kroll, Security of National Water Supply, The American Society for Microbiology and ASM Biodefense and Emerging Disease Research Meeting, Washington D.C., March, 2007
16. Jim Barlow, Byproduct of water disinfection process, Medical News Today, Sep 15.
17. Бахир В.М.. Дезинфекция питьевой воды: анализ и перспективы, Питьевая вода. – 2007. - №3. - с. 11 - 19.
18. Инструкция по применению раствора оксидантов, вырабатываемого установками «АКВАХЛОР» (ТУ 3614-702-05834388-02), для дезинфекции воды хозяйственно-питьевого водоснабжения, бытовых и промышленных сточных вод, воды плавательных бассейнов, утвержденная Главным врачом Федерального Центра Госсанэпиднадзора, М., 2002 г.
19. Бахир В.М. Современные технические электрохимические системы для обеззараживания, очистки и активирования воды. –М.: ВНИИИМТ, 1999. – 84 с; - ил.
