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六、二氧化氯

1、二氧化氯的物化性质是怎样的?

二氧化氯(ClO₂)是一种黄绿色气体，性质极不稳定，与氯一样的刺激性气味，毒性比氯要大，相对密度为2.4。二氧化氯在常温下即能压缩成液体，并很容易挥发。二氧化氯很容易爆炸，温度升高、暴露在光线下或与某些有机物接触摩擦，都可能发生爆炸，而且液体二氧化氯比气体二氧化氯更易爆炸。在空气中的体积浓度超过10%时或水中二氧化氯浓度超过30%就会发生爆炸。二氧化氯易溶于水，在水中的溶解度是氯的5倍，但ClO2不和水起化学反应，在水中极易挥发，在光线照射下容易发生光化学分解。贮存在敞开容器中的ClO₂水溶液，ClO2含量会下降很快。因此，二氧化氯不宜贮存，最好现场制取和使用。

市场上销售的商品稳定二氧化氯溶液，多为无色或略带黄绿色透明液体，二氧化氯含量一般在2%左右，而且要加入一定量的特制稳定剂(如碳酸钠、硼酸钠及过氯化物的水溶液或二乙烯三胺五亚甲基膦酸等)，但运输和储存时仍要注意避开高温和强光。因此，采用二氧化氯消毒时，最好在现场边生产边使用。二氧化氯杀菌后生成无毒物质，对环境水体没有污染。

2、使用二氧化氯时的注意事项有哪些?

⑴在水处理中，二氧化氯的投加量一般为0.1～1.5mg/L，具体投加量随原水性质和投加用途而定。当仅作为消毒剂时，投加范围是0.1～1.3mg/L;当兼用作除嗅剂时，投加范围是0.6～1.3mg/L;当兼用作氧化剂去除铁、锰和有机物时，投加范围是1～1.5mg/L。

⑵二氧化氯是一种强氧化剂，其输送和存储都要使用防腐蚀、抗氧化的惰性材料，要避免与还原剂接触，以免引起爆炸。

⑶采用现场制备二氧化氯的方法时，要防止二氧化氯在空气中的积聚浓度过高而引起爆炸，一般要配备收集和中和二氧化氯制取过程中析出或泄漏气体的措施。

⑷在工作区和成品储藏室内，要有通风装置和监测及警报装置，门外配备防护用品。

⑸稳定二氧化氯溶液本身没有毒性，活化后才能释放出二氧化氯，因此活化时要控制好反应强度，以免产生的二氧化氯在空气中的积聚浓度过高而引起爆炸。

⑹二氧化氯溶液要采用深色塑料桶密闭包装，储存于阴凉通风处，避免阳光直射和与空气接触，运输时要注意避开高温和强光环境，并尽量平稳。

3、二氧化氯的制备方法有哪些?

二氧化氯的制备方法有很多种，在水处理行业中，一般用氯、盐酸或稀硫酸与亚氯酸钠或氯酸钠反应的办法生产，还有使用次氯酸钠酸化后与亚氯酸钠合成二氧化氯的。反应式分别如下：

2NaClO₃+2NaCl+2H₂SO₄→2ClO₂+Cl₂+2Na₂SO₄+2H₂O

Cl₂+2NaClO₂→2ClO₂+2NaCl

5NaClO₂+4HCl→4ClO₂+5NaCl+2H₂O

10NaClO₂+5H₂SO₄→8ClO₂+5Na₂SO₄+4H₂O+2HCl

NaClO+2HCl+2NaClO₂→2ClO₂+3NaCl+H₂O

使用氯和亚氯酸钠合成二氧化氯时，先调制pH﹤2.5的氯水溶液，再和一定量的10%亚氯酸钠溶液一起进入反应室，在反应室中充分混合和反应，生成二氧化氯。理论上，每10g亚氯酸钠加3.9g氯，可生成7.5g二氧化氯。为了防止未起反应的亚氯酸钠被带入水中，通常要加入比理论值多的过量氯。

其他方法与上述方法的操作基本类似，为保证反应过程的安全性，酸和氯酸钠或次氯酸钠都配成水溶液，也都是要加入过量的酸，以提高氯酸钠或次氯酸钠的转化率。生成的ClO2溶液可按照合适的投加量直接加到水中进行消毒。

国内市场上有许多使用电解法生产二氧化氯的设备，但实际上，这些设备制造的所谓二氧化氯至多是二氧化氯和氯的复合物，不可能彻底解决氯类消毒剂会产生氯代烃的问题，而且已经有使用复合二氧化氯时发生爆炸的事例。

七、臭氧

1、臭氧的物化性质是怎样的?

人类发现臭氧已经有一百年的历史。在距离地球表面15～25公里的高空，因受太阳紫外线照射的缘故，形成了包围在地球外围空间的臭氧层，这厚厚的臭氧层正是人类赖以生存的保护伞。

臭氧分子式为O3，是氧的同素异构体，又名三原子氧，因其类似鱼腥味的臭味而得名，雷电后的腥臭味即是电击产生臭氧而使空气具有的气味。在常温常压下，较低浓度的臭氧是无色气体，当浓度达到15%时，呈现出淡蓝色。臭氧的沸点是-112oC，密度是2.144g/m3，是氧的1.65倍。可燃物在臭氧中燃烧比在氧气中燃烧更加猛烈，可获得更高的温度。

臭氧在水中的溶解度较高，在同样条件下是纯氧的10倍。臭氧分子结构极不稳定，容易分解成氧气，而且臭氧在水中比在空气中更容易自行分解。臭氧在空气中的半衰期一般为20～50分钟，一般随温度与湿度的增高而加快。臭氧在水中半衰期约为35分钟，随水质与水温的不同而有所变化。臭氧在水溶液中的稳定性受水中所含杂质的影响较大，特别是有金属离子存在时，臭氧可迅速分解为氧气。

2、臭氧在水处理中的应用有哪些?

臭氧和氯的氧化还原电位分别是2.07V和1.36V，因此，臭氧的氧化性仅次于羟基自由基∙OH和氟，是一种比氯性质更强烈的氧化剂和杀生剂，在水处理中的可以作为氧化剂或消毒剂。

作为消毒剂消毒时，其杀菌和除病毒效果较好，而且接触时间较短。比如臭氧达到某种消毒效果要求投加量与接触时间的乘积是5的话，要达到同样效果，氯的投加量与接触时间的乘积是1440。臭氧消毒的最大特点是当水中含有有机物时，不会产生氯消毒时容易生成的有机氯化物一类有毒物质。而且由于臭氧的氧化力极强，不但可以杀菌，还可以除去水中的色味等有机物，即同时具有杀菌、除臭、去色、除酚等多种作用。由于其分解快而没有残留物质存在，因此特别适用于对微污染地表水为水源的饮用水消毒和污水深度处理出水的消毒。

利用臭氧的强氧化性，可以将污水中的Fe₂+、Mn₂+等金属离子氧化到较高或最高氧化态，再加碱形成更难溶的氢氧化物沉淀从水中除去。当废水中含有氰化物、硫化物、亚硝酸盐等有毒还原性无机物时，可以使用臭氧氧化的方法，将其氧化为CO₂、N₂O、SO42-、NO₃-等无毒或毒性较小的物质。

与有机物反应时，臭氧的氧化作用可导致不饱和的有机分子的破裂而发生臭氧分解。即臭氧分子在极性有机分子原来的双键位置上发生反应，把其分子分裂为两个羧酸类分子。臭氧化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基团的两性离子，后者是不稳定的，可分解成酸和醛。因此，在废水处理领域，已开始广泛利用臭氧的这一性质对一些难以生物降解的有机废水进行处理，作为二级生物处理的预处理。紫外/臭氧光化学系统能促进臭氧分解产生氧化能力更强的∙OH自由基，从而提高臭氧的氧化速率和效率，实现对有机物彻底的矿化处理。比如这样的系统对含二甲苯废水进行处理时，可以将二甲苯彻底氧化成无毒的水及二氧化碳。

3、使用臭氧时的注意事项有哪些?

⑴臭氧是一种有毒气体，对人体眼和呼吸器官有强烈的刺激作用，正常大气中的臭氧的体积比浓度是(1～4)×10-8m3/m3，当空气中臭氧体积比浓度达到(1～10)×10-6m3/m3时，就会使人出现头痛、恶心等症状。《工业企业设计卫生标准》GBZ1—2002规定车间空气中O3的最高允许浓度为0.3mg/m3。

⑵臭氧极不稳定，在常温常压下容易自行分解成为氧气并放出热量。在空气中，臭氧的分解速度与温度和其浓度有关，温度越高，分解越快，浓度越高，分解越快。臭氧在水中的分解速度比在空气中的分解速度要快得多，水中的羟离子对其分解有强烈的催化作用，所以pH值越高，臭氧分解越快。因此不能贮存和运输，必须在使用现场制备。

⑶臭氧具有强烈的腐蚀性，除铂、金、铱、氟以外，臭氧几乎可与元素周期表中的所有元素反应。因此凡与其接触的容器、管道、扩散器均要采用不绣钢、陶瓷、聚氯乙烯塑料等耐腐蚀材料或作防腐处理。

⑷臭氧在水中的溶解度只有10mg/L，因此通入污水中的臭氧往往不能被全部利用。为了提高臭氧的利用率，接触反应池最好建成水深5～6m的深水池，或建成封闭的多格串联式接触池，并设置管式或板式微孔扩散器散布臭氧。

4、臭氧的制备方法有哪些?

臭氧的制备方法有化学法、电解法、紫外线法、辐照法和无声放电法等。水处理中应用的多是无声放电法，其生产臭氧的原理是在两平行高压电极之间隔以一层介电体(又称诱电体，通常是特种玻璃材料)并保持一定的放电间隙;通入15000～17500V高压交流电后，在放电间隙形成均匀的蓝紫色电晕放电，经过净化和干燥的空气或氧气通过放电间隙，氧分子受高能电子激发获得能量，并相互发生碰撞聚合形成臭氧分子。生产1kg臭氧耗电约20～30kW。

臭氧由臭氧发生器制取，一般以空气或氧气为原料，空气中含有的蒸气和灰尘都会形成弧电损坏电极和降低臭氧产量，所以进入臭氧发生器的空气必须预先经过净化和干燥。利用氧气作为制造臭氧的原料时，并不是纯氧效果最好，一般氧气浓度在92%～99%臭氧产率最高，这可能是因为其中的杂质起到了催化剂的作用。利用氧气为原料的臭氧发生器，国外单机发生量已可达250kg/h，这为大规模利用臭氧消毒打下了良好的基础。

为了提高臭氧的溶水效果，一般使用水深较大(5～6m)的接触池，而且应使臭氧以微气泡形式，在水中迅速混合和扩散。常用臭氧加注方法有静态混合器、文丘里管和微孔曝气等形式，这一过程要在接触池内完成，接触时间通常只要数分钟，结合不同的水质，臭氧的投加量一般为1～5mg/L之间。为此，臭氧氧化工艺主要包括空气净化干燥装置、臭氧发生器以及水-臭氧的接触池。

八、紫外线

1、紫外线的杀菌原理

紫外线杀菌就是通过紫外线的照射，破坏及改变微生物的DNA(脱氧核糖核酸)结构，使细菌当即死亡或不能繁殖后代，达到杀菌的目的。真正具有杀菌作用的是UVC紫外线，因为，C波段紫外线很易被生物体的DNA吸收，尤以253.7nm左右的紫外线最佳。

紫外线杀菌灯的发光谱线主要有254nm和185nm两条。254nm紫外线通过照射微生物的DNA来杀灭细菌，185nm紫外线可将空气中的O2变成O3(臭氧)，臭氧具有强氧化作用，可有效地杀灭细菌，臭氧的弥散性恰好可弥补由于紫外线只沿直线传播、消毒有死角的缺点。

紫外线杀菌属于纯物理消毒方法，具有简单便捷、广谱高效、无二次污染、便于管理和实现自动化等优点，随着各种新型设计的紫外线灯管的推出，紫外线杀菌的应用范围也不断在扩大。

2、紫外线杀菌灯的结构

紫外线杀菌灯(UV灯)实际上是属于一种低压汞灯，和普通日光灯一样，利用低压汞蒸汽(<10-2Pa)被激发后发射紫外线。不同的是日光灯的灯管采用的是普通玻璃，254nm紫外线不能透出来，只能被灯管内壁的荧光粉吸收后激发出可见光。如果改变荧光粉的成分和比例，它就可以发出我们通常所见的不同颜色的光。一般杀菌灯的灯管都采用石英玻璃制作，因为石英玻璃对紫外线各波段都有很高的透过率，达80%～90%，是做杀菌灯的最佳材料。

杀菌灯有热阴极低压汞蒸气放电灯、冷阴极低压汞蒸气放电灯等几种结构，可按外型和功率分为多种类型。

石英玻璃与普通玻璃在性能上有很大的差别，主要是热膨胀系数不同，一般不能封接铝盖灯头，所以杀菌灯的灯头材质多采用胶木、塑料或陶瓷。

3、紫外线杀菌灯的灯管

因成本关系与用途不同，也有用紫外线穿透率<50%的高硼砂玻璃管代替石英玻璃的。高硼玻璃的生产工艺与节能灯一样，因此成本很低，但它在性能上远比不上石英杀菌灯，其杀菌效果有相当大的差异。

高硼灯管的紫外光强度很容易衰减，点灯数百小时后紫外线强度就大幅下降到初始时的50%～70%。而石英灯管在点燃2000～3000小时后，紫外线强度只减到初始时的80%～70%，光衰程度远远小于高硼灯。

还一种透紫外光较高的普通玻璃，比高硼玻璃要高得多，比石英玻璃略低。但光衰比石英杀菌灯大，并且不能产生臭氧。菲利浦生产的一种杀菌灯上的灯管就使用这种玻璃制作。

4、紫外线杀菌灯的种类

紫外线杀菌灯的发光谱线主要有254nm和185nm两条。254nm紫外线通过照射微生物的DNA来杀灭细菌，185nm紫外线可将空气中的O2变成O3(臭氧)，臭氧具有强氧化作用，可有效地杀灭细菌，臭氧的弥散性恰好可弥补由于紫外线只沿直线传播、消毒有死角的缺点。

石英玻璃在炼制的时候，如果添加足够数量的钛(Ti)元素，就能使透过它的紫外线在200nm以下发生截止，而对254nm紫外线透过基本无影响。适当控制钛元素的添加量，就可有效的控制185nm紫外线的逸出量。根据这一特点， 我们可以制作低臭氧(无臭氧)、臭氧、高臭氧等三种紫外线杀菌灯管。

5、紫外线杀菌灯的应用

1)每一种微生物都有其特定紫外线杀灭、死亡剂量标准，其剂量是照射强度与照射时间的乘积(杀菌剂量=照射强度·照射时间/K=I·t)，即，紫外线的照射剂量则取决于紫外线的强度大小以及照射时间的长短，高强度短时间与低强度长时间之照射其效果是相同的。

2)石英灯管使用一段时间后会逐渐老化，紫外线照射强度会发生衰退，为达到彻底消毒的效果，应定期检查测石英灯的照射强度，发现强度不够时应立即更换。

3)紫外线只能沿直线传播，穿透能力弱，任何纸片、铅玻璃、塑料都会大幅降低照射强度。因此消毒时尽量应使消毒部位充分暴露于紫外线下，定期擦拭灯管，以免影响紫外线穿透率及照射强度。

4)紫外线对人体的的皮肤能产生很大的伤害性，不要在有人的场所使用UV灯，更不要用眼睛直视点燃的灯管，由于短波紫外线不能透过普通玻璃，所以戴眼镜可避免眼睛受伤害。

5)在有人员活动的场所，一般不能使用臭氧灯管，因为臭氧会促进人体的血红蛋白凝结，造成人体供氧不足，发生头晕、恶心的感觉，影响身体健康，特别在臭氧浓度达到>0.3ppm(mg/m2)时，将会对人体造成严重的伤害。

6)低压放电灯中之紫蓝色光芒为汞蒸气压，虽然汞蒸气压的强度与紫外线仍然有其关联性，但是并不直接代表紫外线之强度，这也就是说，紫外线的强度无法用肉眼来判定。

7)灯具加反光罩可以保证紫外线能量的集中，另外可以避免给工作人员造成损伤。反光罩一定要用对253.7nm紫外线材料吸引少反射多的材料制作，表面氧化抛光处理过的铝对短波紫外线的反射系数最大，所以一般紫外线灯具的反光系统均用铝材制成。