氯酸盐消毒副产物:合乎氯酸盐监管要求且未来适用的水消毒

作者:Andrew Boal博士,陆上石油和天然气区域销售经理

Chlorate Article 1

氯酸盐于2010年被列入第三个化学污染物清单(CCL3),这表明环境保护署(EPA)正在将氯酸盐作为《安全饮用水法案》潜在监管对象展开审查。2014年,氯酸盐被评估为《监管决定3》(RD3)计划下的潜在监管对象,这表明美国环保署对氯酸盐的关注度越来越高。虽然没有迹象表明氯酸盐对人类是潜在的致癌物,但在长期接触氯酸盐的实验动物中观察到了甲状腺问题、血红蛋白生成减少和增重减缓等对健康不利的影响。

氯酸盐是氯的一种高度氧化形式,易通过工业或农业污染物形式被带入水源,也可通过消毒副产物(DBP)形式进入成品水中。作为一种消毒副产物,氯酸盐是大量使用次氯酸钠、二氧化氯或电解氯化(EC)系统形成的次氯酸盐进行水消毒的结果。

Chlorate Regulation Article 2

监管现状

目前,美国对饮用水中的氯酸盐没有管制,也没有强制执行的污染物最大浓度值(MCL)。在加拿大,氯酸盐的管制浓度为1.0毫克/升(1000微克/升)。 世界卫生组织(WHO)建议

氯酸盐最大浓度值为0.7毫克/升(700微克/升)。虽然没有最终的建议结论,但有关这一主题的文献表明,在美国,管制浓度可能在0.21毫克/升(210微克/升)至0.8毫克/升(800微克/升)之间。 ;虽然EPA已将210微克/升确定为健康参考水平(HRL),但据推测,EPA不会将管制浓度设在如此低的水平,因为这将严重影响业界广泛使用散装次氯酸盐进行消毒的可行性。

业界广泛使用的次氯酸钠对水处理厂的影响

研究人员对饮用水中氯酸盐的产生情况以及影响氯酸盐引入的因素进行了一些研究。就业界广泛使用的次氯酸盐而言,氯酸盐主要作为次氯酸根离子的降解产物而产生。次氯酸盐降解速度可由以下几个因素加快:

  • 溶液新鲜度–次氯酸盐溶液存在时间越长,其相对氯酸盐浓度越高。
  • 溶液浓度–次氯酸盐溶液浓度越高,降解速度越快。
  • 储存温度–温度越高,次氯酸盐降解越快,氯酸盐生成也越快。
  • 溶液pH值–大部分次氯酸钠pH值通常配制在12-13之间,以尽量减少储存时氯酸盐的生成,这使其成为一种高腐蚀性化学品,需要小心保管。

由于这些因素,一些水处理厂在使用散装次氯酸盐时很是纠结,他们不仅要关注从化学生产商那里所购买产品的新鲜度,还要关注他们使用溶液的速度。如果氯酸盐作为消毒副产物被监管,则大多数使用散装次氯酸盐的公用事业单位将不得不大幅改变其使用该化学品的方式,以避免超过监管标准。这些变化将导致运营成本大幅增加。

Chlorate Regulation Article 3

操作变更可能包括:

  • 对储存次氯酸盐的房间进行冷却,以减缓次氯酸盐的降解速度。
  • 要求生产商贴上“生产日期”标签。
  • 限制储存量。这可能在那些需要在处理厂长期储存水处理补给品的地方不太可行。
  • 购买较低浓度溶液以减缓次氯酸盐降解。
  • 将高浓度次氯酸盐运至处理厂后立即进行稀释。

任何这些操作调整都会给水处理厂的运营商带来很大的困难,因为它们会涉及到更复杂的后勤管理以及更高的运营成本。再考虑到最低氯酸盐MCL要求,这些影响就更为明显了。

ClorTec Gen III

现场生成

现场生成使用基本、简单的化学物质在使用地点生成氧化剂,安全、环境和成本效益极佳。此时,次氯酸盐是用盐生成的。软化水在盐水罐中与盐混合,形成饱和盐水。将饱和盐水注入电解槽,通上电,就生成了氧化剂:

阳极初级反应(+侧): 

2 Cl-  →  Cl2  +  2 e-

阴极反应(-侧): 

2 H2O  +  2 e-  →  H2↑  +  2 OH-

氯水解反应: 

Cl2  +  H2O  →  HOCl  +  Cl-  +  H+

HOCl平衡反应: 

HOCl  ↔  OCl-  +  H+ (取决于 pH值)

电解过程中产生的氢气被排放出去,氧化剂溶液离开电解槽,储存在氧化剂罐中。氧化剂溶液通过计量泵注入处理程序。现场发生器根据位于氧化剂罐内的信号指示打开和关闭。在这个电化学过程中,氯酸根离子以不良的副反应形式产生。此过程中,一部分次氯酸或次氯酸根离子在阳极处被氧化生成氯酸根离子。

MIOX MOS SMALL

迪诺拉现场生成

凭借近一个世纪的电解专业知识,迪诺拉对氯化钠盐水电解过程中氯酸盐的生成过程所涉及的诸多因素有着深入的了解,包括储存时间、储存温度和次氯酸盐浓度。迪诺拉已经开发出可以控制和影响这些因素的技术。

迪诺拉目前可提供多种现场生成系统,以解决氯酸盐形成方面的一些关切问题:

迪诺拉电解产生的次氯酸盐溶液所形成的氯酸盐远远低于建议的监管水平。预计EPA对氯酸盐的监管浓度,可能会落在或接近WHO指南里的0.7毫克/升(700微克/升)的标准。迪诺拉EC systems对氯酸盐的生成进行了广泛的测试,包括内部测试和与第三方共同研究测试。通常情况下,迪诺拉系统产生氯酸盐的速率低于每毫克游离性有效氯(FAC)40微克(0.04毫克)。

因此,即使采用5 毫克/升的高FAC剂量,被处理的水中的预期氯酸盐浓度也将低于200微克/升(0.2毫克/升),远低于700微克/升的上限,甚至低于EPA210微克/升的健康参考限值。通常情况下,水处理厂仅以2-3 毫克/升的剂量投加游离性有效氯,在此剂量点下,成品水中氯酸盐的含量可能是最低氯酸盐监管限值的一半。
由于次氯酸盐溶液是在现场按需生成的,储存时间通常为24小时或更短,从而最小化了次氯酸盐的降解速率。

次氯酸盐溶液在氯浓度低于1%时生成,这也降低了氯的降解率。

现在,为更好地了解电解过程中氯酸盐的生成方式,迪诺拉–包括其在2019年初收购的MIOX,已经独立开展多年工作。迪诺拉正在多个实验室积极展开研究,掌握电解过程中氯酸盐产生的机理,以确保其产品能够满足未来氯酸盐监管要求。预计这些研究工作会带来一些新的专利技术,以确保随着监管的不断升级,迪诺拉电解氯化系统可以满足最严格的氯酸盐管制要求。

虽然无法得知EPA是否会、何时会、以及在多大程度上,限制饮用水中氯酸盐的生成,但作为一家有着95年多电解经验的公司,迪诺拉一定会走在新技术的前沿,以达到并超越这些未来的监管标准。

相关内容