Химия хлорирования
Даже сейчас в XXI веке ни одно другое химическое вещество не разрушает бактерии также быстро, как хлор, являясь к тому же экономически выгодным. Считается, что каждый купальщик вносит в бассейн около 600 миллионов бактерий. Так что хлор незаменим и является «лучшим другом» директора бассейна.
Несомненно, что загрязнение бассейна (а значит и потребление хлора) можно было бы значительно уменьшить, если бы каждый пловец тщательно мылся перед купанием, и пользовался туалетом ДО ТОГО как войти в бассейн!
Когда хлор добавляют в воду, образуется хлорноватистая (гипохлористая) кислота (свободный хлор). Она является мощным окислителем и очень эффективно разрушает загрязняющие вещества. Хлор быстро расходуется в присутствии бактерий, которые вносятся в воду купальщиками, поэтому его нужно добавлять по мере необходимости.
Если рассматривать хлор в его самой простой форме, то можно увидеть, что происходит следующая обратимая реакция:
Cl2 + H2O < > HOCl + HCl
хлор вода хлорноватистая хлористо-водородная
кислота кислота
В настоящее время в большинстве плавательных бассейнов в качестве доноров хлора используются гипохлориты (соли хлорноватистой кислоты) и вне зависимости от того, гипохлорит какого типа используется, образуется хлорноватистая кислота. Главное отличие между гипохлоритами заключается в том, какие другие химические вещества они добавляют в воду. В том случае, когда используется гипохлорит кальция, происходит следующая реакция:
Ca(OCl)2 + H2O < > 2HOCl + Ca++ + 2OH-
гипохлорит вода хлорноватистая ион гидроксильный
кальция кислота кальция ион
а в случае гипохлорита натрия:
NaOCl + H2O < > HOCl + Na+ + OH-
гипохлорит вода хлорноватистая ион гидроксильный
натрия кислота натрия ион
Имеются еще два вида доноров хлора:
Трихлоризоциануровая кислота – Трихлор
Дихлоризоцианурат натрия – Дихлор
В этих двух дезинфицирующих средствах для очистки используется другой элемент – циануровая кислота. В той части инструкции, где рассказывается о тестировании воды, мы узнаем, какую роль она играет. Эти дезинфицирующие средства участвуют в следующих реакциях:
трихлор:
C3Cl3N3O3 + 3H2O < > C3H3N3O3 + 3HOCl
трихлор вода циануровая хлорноватистая
кислота кислота
дихлор:
C3H4Cl2N3O5Na + 2H2O < > C3H2N3O3Na + 2H2O + 2HOCl
дихлор вода циануровая вода хлорноватистая
кислота кислота
Так как хлорноватистая кислота является слабой кислотой, то она продолжает разлагаться:
HOCl <> H+ + OCl-
хлорноватистая ион ион
кислота водорода гипохлорита
Скорость, с которой хлорноватистая кислота разрушается, зависит от pH фактора. Так как ни ион водорода, ни ион гипохлорита не являются эффективными дезинфицирующими средствами, то необходимо, чтобы уровень pH поддерживался в пределах жестко заданных параметров.
Уровень содержания хлора в воде должен быть достаточным для защиты от перекрестной инфекции еще до того, как пловцы войдут в бассейн. Загрязнение от пловцов приходит в воду бассейна в виде мочи, пота, слизи и т.п. Может происходить до трех реакций между хлором и загрязнителями на основе аммиака, которые называются хлораминами. Ниже изложены процедуры их получения и разрушения.
Первая реакция, которая происходит – это формирование монохлораминов. Они стабильны при нормальных уровнях pH в бассейне, не раздражают кожу и глаза, но не очень эффективны как дезинфицирующее средство.
Реакция следующая:
HOCl + NH3 > NH2Cl + H2O
хлорноватистая аммиак монохлорамин вода
кислота
Если мы будем продолжать добавлять хлор, то реакция продолжится:
HOCl + NH2Cl > NHCl2 + H2O
хлорноватистая монохлорамин дихлорамин вода
кислота
Дихлорамин раздражает как глаза, так и нос. Он неустойчив при нормальных уровнях pH и легко разлагается, при условии что имеется в наличии достаточное количество хлора. Если в воду добавлено достаточное количество хлора, то следующий шаг реакции приводит химические соединения в такое состояние, когда они относительно безвредны:
NH2Cl + NHCl2 > 3HCl + N2
монохлорамин дихлорамин хлористоводородная азот кислота
Если же хлора введено недостаточно, то в результате следующей реакции образуется высокий уровень содержания хлора в смеси с другими веществами (комбинированного хлора):
HOCl + NHCl2 > NCl3 + H2O
хлорноватистая дихлорамин трихлорид вода
кислота азота
Хлорамины, которые не удалось «обуздать» являются сильными раздражителями, и именно они дают этот знакомый всем «запах хлора», который так часто чувствуется в помещениях бассейнов. Если образуется трихлорид азота, то он пахнет почти также, но гораздо резче и вызывает сильное раздражение глаз у купальщиков и обслуживающего персонала бассейна.
До недавнего времени тех сведений о химии хлорирования, которые изложены выше, было достаточно, чтобы нормально управлять бассейном. Сейчас нужно еще уметь различать органические и неорганические виды хлораминов, которые присутствуют в воде бассейна. Хотя эти два вида хлораминов давно известны и хорошо изучены, Джордж Уайт в своей книге «Руководство по хлорированию», изданной в 1972г., подробно их описывает. Те люди, кто работает с водой в плавательных бассейнах, обратили внимание на различие между этими двумя видами хлораминов только в последние годы. Выше представлены реакции хлора с загрязнителями на основе аммиака и показано, как образуются неорганические хлорамины.
Органические хлорамины – это другое дело. Эти соединения – результат азотистого загрязнения, которое оставляют в бассейне купальщики. Одно из самых часто встречающихся соединений – это креатинин, который есть в моче и поте. Попытки избавиться от этих соединений при помощи хлорирования только ухудшают ситуацию. С ними нужно обращаться по-другому. Известно, что разбавление, озонирование или использование ультрафиолетового света может иметь большое значение для решения данной проблемы. Обязательно прочитайте ту часть инструкции, где более подробно рассказывается об органических и неорганических хлораминах.
ХЛОРАМИНЫ В ПЛАВАТЕЛЬНЫХ БАССЕЙНАХ
Общие сведения
В предыдущем параграфе было показано, что когда хлор добавляют в воду, то образуется хлорноватистая кислота (HOCl). Эта кислота впоследствии действует как дезинфицирующее средство (убивает бактерии, водоросли, возбудителей грибковых инфекций и т.п.) и как окислитель (удаляет органические и неорганические загрязнения). Здесь возникает нежелательный побочный эффект, которого, однако, можно избежать. Это реакция хлорноватистой кислоты с азот-содержащими соединениями, которые поступают в воду бассейна от купальщиков и из окружающей среды (например, листья с деревьев). При этом образуется неспецифический класс соединений, которые называются хлораминами или «комбинированным хлором». С целью обсуждения и для того чтобы прояснить ситуацию, принято считать, что «комбинированный хлор» подразделяется на неорганические и органические хлорамины, хотя такой подход, является, безусловно, слишком упрощённым.
Неорганические хлорамины
Неорганические хлорамины образуются в результате реакции HOCl с аммиаком (NH3). В бассейнах чаще всего встречаются монохлорамин (NH2Cl), дихлорамин (NHCl2) и трихлорамин (NCl3). Сама же реакция может быть представлена в следующем виде:
3NH3 + 6HOCl ---- NH2Cl + NHCl2 + NCl3 + 6H2O
Органические хлорамины
Органические хлорамины формируются в результате реакции HOCl с азот-содержащими органическими соединениями, такими как протеины и аминокислоты. Реакция может быть представлена следующим образом:
R-NH2 + HOCl ---- R-NHCl + H2O
где R – это какой-нибудь органический радикал.
Система органических хлораминов
Органические хлорамины представляют собой проблему только в больших плавательных бассейнах, которые находятся в помещении и интенсивно используются. В бассейнах, находящихся на открытом воздухе, они не являются проблемой, вероятно из-за ультрафиолетового света. Ультрафиолетовый свет оказывает каталитическое воздействие, в результате чего органические хлорамины либо вообще не образуются, либо, если они все-таки сформировались, то под воздействием этого света быстро разрушаются.
Признаки, указывающие на присутствие органических хлораминов в бассейне, следующие:
1) Комбинированный хлор сохраняется в воде даже после повторной ударной обработки бассейна;
2) Есть данные о «запахе хлора», проблемы с дыханием у купальщиков и персонала бассейна, а также раздражения глаз и кожи.
Воздействие на качество воды
Неорганические хлорамины обычно являются причиной того, что в плавательных бассейнах появляется «запах хлора», проблемы с дыханием и раздражения глаз у людей. Все это может случиться уже при такой низкой концентрации неорганических хлораминов как 0,3 мг на литр. С другой стороны, органические хлорамины могут присутствовать в воде в намного более высокой концентрации (например, 3 мг на литр). При этом они хотя и могут вызывать проблемы, связанные со вкусом и запахом, но все-таки не оказывают заметного ухудшения на качество воды. Так как их часто принимают за вредные неорганические хлорамины, то их часто называют «неудобными остаточными продуктами».
Тестирование на содержание в воде комбинированного хлора
Стандартный тест на содержание в воде «свободного хлора» (free available chlorine – FAC) измеряет концентрацию HOCl в воде. Тест выполняется с использованием DPD1 таблетки (DPD – Diethyl-p-phenylenediamine), при помощи специального набора оборудования для тестирования. Тест на «комбинированный хлор» (combined chlorine – CC) – это попытка измерить количество неорганических хлораминов, которые упоминались выше, т.е. NH2Cl, NHCl2 и NCl3. При этом используется DPD3 таблетка, и делается попытка измерить то, что называется «общее содержание хлора» (total chlorine – TC) т.е. HOCl + NH2Cl, NHCl2 и NCl3. Чтобы узнать, какое количество комбинированного хлора присутствует, нужно из «общего содержания хлора» вычесть «свободный хлор», т.е.
CC = TC – FAC
Однако, возникает трудность, когда в воде присутствуют органические хлорамины, как те, которые упомянуты выше. Они часто вступают в реакции с DPD2 реагентами, и интерпретируются, как неорганические хлорамины, что ведет к ошибочному мнению о том, что в воде есть высокий уровень содержания моно-, ди-, и трихлорамина.
Предельное хлорирование
Для того, чтобы удалить существующие в воде хлорамины, обычно используется процесс, называемый "предельное хлорирование". В этом процессе хлор добавляется до того предела, пока отношение свободного хлора (HOCl) к хлораминам, связанному хлору, не станет достаточно высоким, чтобы превратить все хлорамины в газ азота (N2), HCl и H2O. Обычно требуется соотношение хлора к хлораминам 10:1. Поскольку превращение хлораминов газ азота (N2), HCl и H2O есть реакция свободного хлора и хлораминов, при предельном хлорировании наблюдается резкое падение уровня свободного и связанного хлора, после чего при дальнейшем добавлении хлора уровень свободного хлора пропорционально возрастает.
Удаление органических хлораминов
Удаление органических хлораминов – это не очень легкое дело, так как большинство из них высоко устойчивы к окислению хлором, как уже упоминалось выше. Поэтому ударная обработка воды хлором не помогает избавиться от них.
Наилучшим методом удаления органических хлораминов, по-видимому, является метод разбавления, хотя его используют неохотно, так как он неэкономичный и требует использования дополнительных материально-технических средств.
Довольно эффективен метод, при котором используются фильтры из активированного угля. Такие фильтры устанавливаются автономно и постоянно обрабатывают небольшие количества воды в боковых водотоках бассейна. Активированный уголь необходимо периодически удалять из фильтров для регенерации.
Резюме
Органические хлорамины – это продукты реакции между хлором и органическими аминами, например, аминокислотами. Их присутствие физически незаметно (т.е. нет запаха и раздражения глаз у людей), но их часто обнаруживают в воде при помощи специальных приборов для тестирования воды в бассейне (DPD). Путем хлорирования в момент проскока будут удаляться неорганические хлорамины, которые ответственны за «запах хлора» и раздражение глаз и кожи, но не будут удаляться органические хлорамины. Наилучшим способом удаления органических хлораминов является разбавление.
pH
pH – это логарифмическая шкала, которая проходит от 0 до 14 и используется для того, чтобы показывать, является ли вода в бассейне кислой или щелочной. Когда pH = 7, это значит, что вода нейтральная, а не кислая и не щелочная. Вода со значением pH меньше 7 является кислой и может вызывать раздражение глаз, коррозию металлических деталей и повреждение пластиковой облицовки. При значениях pH больше 7 вода называется щелочной. Когда pH поднимается выше 7,3–7,5, хлор постепенно становится менее эффективным в деле разрушения бактерий и регулирования количества водорослей. Вода может стать мутной, и в ней может появиться твёрдый осадок. Значение pH человеческого тела около 7,4, так что, для того чтобы показатель pH был оптимальным для хорошего самочувствия купальщиков, нужно следить за тем, чтобы его значение удерживалось в промежутке между 7,3 и 7,5.
Общая щёлочность
Общая щёлочность (ОЩ) характеризует количество щелочных соединений, представленных в воде бассейна, таких как карбонаты, бикарбонаты и гидроксиды. Многие недорогие приборы для тестирования не обеспечивают проверку воды на общую щёлочность, к тому же важность такой проверки часто недооценивается. Как уже было объяснено ранее, есть веские причины для того, чтобы поддерживать стабильное значение pH в пределах жёстко заданных параметров. Если бы щёлочность была низкой или её не было бы совсем, то было бы невозможно сохранять стабильное значение pH, так как вода реагировала бы с различными химическими веществами, вводимыми в бассейн. И наоборот, если общая щёлочность увеличилась бы слишком сильно, то было бы очень трудно снизить высокий уровень pH или увеличить низкий уровень pH, так как воздействие используемых химикатов усиливалось бы общей щёлочностью. Высокая общая щёлочность также будет способствовать помутнению воды и чрезмерному увеличению твёрдого осадка.
Идеальный диапазон ОЩ для гипохлорита кальция – 80 – 120 мг/л как CaCO3
Идеальный диапазон ОЩ для гипохлорита натрия – 140 – 160 мг/л как CaCO3.
Идеальный диапазон ОЩ для газообразного хлора – 180 – 220 мг/л как CaCO3.
Жёсткость кальция
Общая жёсткость воды образуется в основном за счёт растворенных в ней солей кальция, а также других минералов (например, магнезии), правда в меньших количествах. В плавательных бассейнах обычно требуется измерять только жёсткость кальция, а измеряют её, проверяя воду на наличие в ней карбоната кальция. При низком уровне жёсткости кальция (меньше 250 мг/л) жидкий цементный раствор будет размываться. И чем ниже будет уровень жёсткости кальция, тем быстрее будет происходить размывание. При более высоких уровнях жёсткости кальция (постоянно поддерживаемый уровень выше 250 мг/л), разрушение цемента в значительной степени уменьшится. А ещё более высокие уровни жёсткости кальция (выше 500 мг/л) будут замедлять разрушение цемента.
Как показывает многолетний опыт эксплуатации плавательных бассейнов, уровни жёсткости кальция должны быть следующими:
· Минимум 250 мг/л для оптимального ингибирования эрозии жидкого цементного раствора.
· Минимум 500 мг/л для оптимального ингибирования коррозии.
Во многих бассейнах поддерживается уровень жёсткости кальция 350 мг/л. Этот уровень считается достаточным для того, чтобы не разрушалось оборудование и очистные сооружения. Но поддерживается он всегда только при низких уровнях содержания сульфатов.
Общее солесодержание
Что такое общее солесодержание?
Это суммарный вес растворимых соединений, которые содержатся в воде бассейна, он измеряется в миллиграммах на литр (мг/л). Обыкновенная питьевая вода обычно содержит несколько сотен мг/л таких соединений. Слабоминерализованная вода может содержать 3000 – 5000 мг/л, а морская вода – до 40 000 мг/л. Большинство из тех химикатов, которые мы добавляем в воду бассейна для поддержания её в состоянии, пригодном для купания, увеличивают общее солесодержание в ней. Грязь, пыль и даже соль с тел купальщиков также вносят свой вклад в общее солесодержание в воде бассейна.
Общее солесодержание – это мера проводимости воды. Выражается она в микросименсах. Большинство счётчиков, разработанных для использования в бассейнах, имеют встроенный компенсационный коэффициент, который умножает показатель проводимости на 0,7, чтобы получить общее солесодержание в мг/л.
Какие проблемы возникают из-за высокого солесодержания?
Из-за высоких уровней проводимости могут ухудшиться эксплуатационные качества некоторых авто контроллеров, а также могут возникнуть неудобства для купальщиков. Кроме того, может значительно уменьшиться срок службы теплообменников, вентилей, фильтров и циркуляционных насосов. Всё это происходит вследствие гальванической атаки. Существует мнение о том, что при высоком уровне солесодержания вода делается матовой и безжизненной, но это миф. Самая высокая концентрация солесодержания, которую приходилось измерять в обыкновенном бассейне автору этих строк, равнялась 11 000 мг/л. Вода при этом выглядела чрезвычайно привлекательной для купания. В том бассейне использовался гипохлорит натрия. Очистные сооружения в нём часто выходили из строя, например, сварные обручи вокруг каждого из фильтров, три новых калорифера. Кроме того, появились большие коричневые пятна вокруг входных отверстий для воды в бассейне.
Как и почему происходит коррозия?
Дело в том, что солесодержание – это не что иное, как химические соли, так что вода действует как электролит, а разные металлы являются причиной того, что происходит гальваническое или электролитическое действие.
Электромагнитные ряды – это сводная таблица, которая состоит из сотен различных металлов. Некоторые из них перечислены ниже:
КАТОДНЫЙ КОНЕЦ
золото
титан
серебро
бронза
латунь
железо
цинк
АНОДНЫЙ КОНЕЦ
Если, например, клапан затвора, сделанный из железа и латуни, поместить в плавательный бассейн, то латунь (расположена в таблице выше) станет катодом, а железо (расположен в таблице ниже) будет действовать как анод. Вода в бассейне действует как электролит, обеспечивая проводимость, в которой она нуждается, чтобы ионы в ней могли перейти с анода на катод. Чем выше проводимость воды в бассейне, тем больше вероятность возникновения коррозии. И это является единственной причиной того, что директора бассейнов стараются снизить общее солесодержание. Многие организации, которые занимаются здоровьем населения, даже не тестируют воду на общее солесодержание, потому что солесодержание не представляет опасности для здоровья.
Как можно снизить высокое общее солесодержание?
Разбавление – это единственный практический способ снижения общего солесодержания. Он не идеален, так как при этом тратятся лишние химикаты и тепло. Однако, если солесодержание не уменьшить, они будут являться причиной коррозии в установках бассейна.