摘要：本文通过次氯酸钠化学特性和消毒原理的研究，提出了自来水厂采用次氯酸钠消毒的应用和优化。为保障居民饮水安全和自来水厂周边居民生命财产安全；降低自来水厂出水中消毒副产物，提高供水可靠性，使用更为安全的次氯酸钠作为自来水厂的消毒剂已经成为一种趋势。因此合理应用和优化次氯酸钠用于自来水厂消毒，可使水厂消毒工艺更加效率、安全、稳定、环保。
Abstract: Based on the study of the chemical characteristics and disinfection principle of sodium hypochlorite, this article puts forward the application and optimization of sodium hypochlorite disinfection in water treatment plants. In order to ensure the safety of drinking water for residents as well as lives and property of the residents around the waterworks, reduce the disinfection by-products in the effluent from the waterworks and improve the reliability of water supply, the use of sodium hypochlorite as a kind of safer disinfectant in water plants has become a trend. Therefore, the rational application and optimization of sodium hypochlorite for disinfection in water plants can make the disinfection process more efficient, safe, stable and environmentally friendly.
关键词:成品次氯酸钠溶液；次氯酸钠发生器；自来水；消毒
Keywords: Finished Sodium Hypochlorite Solution; Sodium Hypochlorite Generator; Tap Water; Disinfection
一、前言
氯气消毒曾经一直是自来水厂普遍采用的一种消毒处理方式，但由于氯气在运输、贮存和设备的使用的过程中仍然存在泄漏、剧毒、易燃易爆等风险,是国家重点管控的危化品[3]。次氯酸钠溶液是一种用途极为广泛的广谱杀菌灭藻剂，对细菌，病毒，真菌和芽孢均有较强的杀灭能力并且有很强的漂白性[1],而且其易分解、无残留、对人体无毒无害,是一般杀菌剂所无法比拟的。次氯酸钠溶液应用于自来水厂消毒主要有两个来源：一是采用成品次氯酸钠溶液（有效氯浓度10%左右）；二是采用电解法次氯酸钠发生器现场制备的次氯酸钠溶液（有效氯浓度0.8%左右）。
二、次氯酸钠的化学特性及消毒原理
2.1次氯酸钠的化学特性
次氯酸钠的分子式为NaClO，分子量等于74.454。次氯酸钠固体是白色粉末，易溶解于水。成品次氯酸钠是无色或带淡黄色的液体，俗称漂白水。次氯酸钠的水溶液如果是中性，很不稳定；如果是酸性，也不稳定；若是碱性（与氢氧化钠共存时），就比较稳定，所以常见的都是它的碱性水溶液。碱度不低于2～3％的溶液，可以储存10～15 天。碱度较小的溶液分解较快，并放出不稳定的次氯酸HClO，次氯酸再分解而失去氯或氧。总的说来，次氯酸钠溶液的稳定性较一般商品差，故不宜久贮。
次氯酸钠溶液的化学性质不稳定,在光照或受热条件下可以分解为氯酸盐和氯化物。10%浓度成品的次氯酸钠溶液在运输、储存和长期使用等的过程中会发生分解，现场制备的0.8%低浓度次氯酸钠比较稳定，不易快速分解。在不同浓度、温度、压力不同的环境条件下,次氯酸钠与水分解的反应速度不同，浓度相对越高,温度相对越高,压力越低,次氯酸钠的分解相对越快,反而越慢。次氯酸钠溶于水后在水中产生的游离态分子氯很低，在消毒过程中一般难以发生因存在分子氯而引发的氯代化合反应，所以采用次氯酸钠消毒有利于减少消毒副产物的生成。
次氯酸钠在光照下的化学反应：
NaClO + H2O ==可逆== NaOH + HClO；
光照条件下：2 HClO → 2 HCl + O2↑；
NaOH + HCl → NaCl + H2O.
次氯酸钠受热的化学反应：
3NaClO → NaClO3+2NaCl,
干燥后继续加热：2NaClO3 → 2NaCl+3O2↑
2.2次氯酸钠的消毒原理
次氯酸钠溶液被投入水中迅速水解后再分解,其中次氯酸根与水中的碳酸氢跟离子进行反应生成次氯酸。
NaClO＋H2O→NaOH＋HClO
次氯酸再分解，生成氯化氢和新生氧：
HClO→HCl＋[O]
新生氧的氧化能力很强，所以次氯酸钠也是强氧化剂，其杀菌作用体现在新生氧
[O]及HClO 的作用及氯化作用，致使菌体或病毒蛋白失活，发挥化学杀菌和生物消毒结合的效果。
三、成品次氯酸钠的消毒应用和优化
成品次氯酸钠主要是指利用碱吸收氯碱厂产生的尾气从而产生次氯酸钠，为氯碱厂的副产品。[2]该工艺产生的次氯酸钠溶液含有过量的碱和较多的杂质，如应用于自来水厂消毒，需经过处理并取得国家食品卫生检验许可证和相关涉水卫生批件，符合国标gb19106-003的标准要求，游离氯酸碱和其他有害重金属物质含量不得高于国标平均值。成品次氯酸钠浓度一般在10%左右，按照国家《危险化学品目录》规定，有效氯浓度＞5%的次氯酸钠溶液属于危险化学品，运输、存储和使用存在不变之处[3]。
3.1成品次氯酸钠的储存
成品次氯酸钠溶液在光照或受热条件下均会加速有效氯的分解速度，采用合适的避光储存介质和场地至关重要。结合2019年东部沿海某城市多个水厂的成品次氯酸钠投加系统，储存成品次氯酸钠的储罐建议室内放置，采用防紫外线的一体化HDPE材质储罐，可有效防止因光照和受热导致的次氯酸钠降解过快问题。
3.2成品次氯酸钠有效氯浓度控制
10%浓度成品的次氯酸钠溶液在密闭、不见光储存条件下，有效氯浓度降解线性见图1：
.png)
图1成品次氯酸钠随储存时间有效氯降解线形图
成品次氯酸钠有效氯浓度越高，降解速度越快，直至有效氯浓度达到5%左右降解速度明显减缓。
结合以上信息，成品次氯酸钠应用于自来水厂消毒存储浓度控制在5%以下，可避免涉及危化品管控及储存风险，也可降低有效氯浓度降解速度，从而实现精确控制消毒剂投加量。示意流程见图2：
.png)
图2优化后成品次氯酸钠储存投加工艺流程
传统的成品次氯酸钠消毒工艺是直接将10%的次氯酸钠溶液存于储罐中，经计量泵直接投加。优化后的工艺是成品次氯酸钠经运药车到厂区后与卸药泵对接，通过调节阀、流量计的控制与厂区自来水等比例混合，经管道混合器，达到均匀稀释配比为5%有效氯浓度的次氯酸钠溶液至储罐储存，再经计量泵投加到各加药点。
四、次氯酸钠发生器现场制备系统消毒应用和优化
4.1电解法现场制备次氯酸钠的原理
电解产生次氯酸钠的过程包括主反应和副反应，主反应包括电解反应和溶液反应：
（1）电解反应和溶液反应
①阳极反应: 2C1--2e→Cl2
②阴极反应: 2H++2e → H2 ↑
③水解反应：Cl2+H2O → HClO+ HCl
④总反应：NaC1+ H2O+ (2F) = NaC1O+ H2 ↑
式中: F为法拉第常数, 其数值为96500C或26.8A?h 。所以，在理论上通过1A电流每小时能产生1.323g的有效氯。
（2）副反应
特别是电解电压过高及电解液中杂质过多时，副反应将严重影响电解槽的正常工作并大大降低电流效率。
阳极可能发生的副反应：
①析氧反应：4OH--4e → O2↑+2H2O
②次氯酸根被氧化生成氯酸及盐酸：
12C1O-+6H2O-12e → 4HCIO3+8HC1+3O2↑
阴极可能发生的副反应：
①结垢：主要是电解液中的Ca2+、Mg2+、Ba2+等离子得到电子被还原而形成结垢。
②次氯酸根的还原：ClO- + 2H+ + 2e → C1-+H2O
主次反应之间的关系与电极电位、电流密度、电极材料、电解槽内传质条件及温度变化等有关。[1]
4.2现场制备次氯酸钠基本工艺
传统的现场制备次氯酸钠工艺流程：自来水经软化水器软化后分2路，1路到溶盐箱用于溶解饱和食盐水，1路至软化水箱经软化水泵带动喷射器与上1路的饱和食盐水混合为3%~5%的稀盐水到次氯酸钠发生器电解槽进行电解，电解过程通过换热器中间换热控制电解液温度，电解产生的次氯酸钠溶液到储罐储存，再经加药泵投加至加药点。流程图见图3
.png)
图3传统现场制备次氯酸钠流程图
4.3现场制备次氯酸钠基本工艺设计优化
电解过程会在电极的阴极有部分Ca2+、Mg2+离子沉淀积聚，导致槽压升高，温度上升，影响电流效率。因此控制系统进水中Ca2+、Mg2+等离子含量可直接降低沉淀的积聚，延长电解槽酸洗除垢周期。因此系统采用软化水器的软化效果至关重要，通过贵阳某水厂的实际应用案例，推荐采用两级软化三阀三罐，出水水质＜0.005mmol/L，提高了进水水质，降低了进水硬度。最大限度的延长酸洗周期，减少电解副产物的产生，降低设备操作的复杂度以及运行维护的成本，降低运维人员的工作量。
电解温度对电解效率的影响也很复杂：一方面，随着温度升高，阳极表面活性增强，水中氯离子的扩散速率加快，氯离子扩散到阳极表面的阻力减小，这些都是有利于电解制氯的方面。另一方面，随着温度的升高，次氯酸钠的分解速度加快，造成了氯的亏损和副产物的增多。大部分的研究发现，温度在15℃左右，电流效率最高。而温度超过40℃时，氯的亏损占据主导地位，电流效率下降明显。
传统次氯酸钠发生器温度控制工艺是采用板式换热器中间换热，利用厂区自来水做冷水侧换热源。该换热工艺最大的缺点是受制于冷水侧自来水温度，不能精确控制电解液温度，无法达到最佳换热效果。如采用冷热水机，在电解液进入电解槽前精确控制电解液温度，可有效控制电解槽内电解温度。实验发现，电解槽入口电解液温度在5~20℃范围内，电流效率最高，电解副产物最少。如图4
.png)
图4电解槽进水水温与电解产生有效氯浓度关系图
因此次氯酸钠发生器现场制备系统采用出水水质更好的软化水器和对电解液进液温度控制精确的冷热水机可有效提高次氯酸钠发生器的电流效率、减少电解副产物的产生。
五、结语
成品次氯酸钠溶液消毒因其需运输和长期储存，且涉及危化品管控等问题，适用于中小型自来水厂消毒；现场制备次氯酸钠具有消毒副产物少、安全、稳定、经济、环保等特点，在大中型水厂应用有其重要实际意义。因此，通过对次氯酸钠化学特性和消毒原理的分析，合理的控制外界因素（如光照、温度等）对次氯酸钠消毒的应用和优化具有重要的研究价值。
参考文献：
[1] 吴前俊，刘晓松，次氯酸钠发生器基本知识[J]，环境与健康杂志，1989,6（3）：43-48.
[2]张春逢等，次氯酸钠水溶液稳定剂的研究[J]，齐鲁石油化工，1998,26（1）：22~23.
[3]危险化学品目录（2018版）
作者资料：孙明伟，1986.3，中国矿业大学环测学院，本科，工程师，青岛双瑞海洋环境工程股份有限公司