二氧化氯發(fā)生器運行成本分析
二氧化氯在我國已經(jīng)有十余年的發(fā)展，在人們對它的認識已日漸深刻、對它的研究日漸深入、對它的投入也日漸增大的今天，二氧化氯發(fā)生器自身的生產(chǎn)工藝也得到了長足的發(fā)展。
無庸置疑，在水處理領(lǐng)域二氧化氯取代氯氣消毒已引起國內(nèi)外環(huán)保工作者的高度重視。我國城市供水2000年技術(shù)進步發(fā)展規(guī)劃中，已將二氧化氯列入替代氯氣消毒劑的推廣研究之列。
由于二氧化氯具有氧化劑、消毒劑以及漂白劑的強大功能，越來越多的用戶在選擇水處理設(shè)備時已將二氧化氯水處理作為產(chǎn)品。綜上所述，這都為二氧化氯在我國發(fā)展提供了良好的發(fā)展空間。
但據(jù)筆者多年的了解發(fā)現(xiàn)：人們對二氧化氯發(fā)生器的了解還僅僅處于初級階段，常用的二氧化氯制取方法有電解法、電化法和化學法等幾種，化學法又分亞氯酸鈉化學法和氯酸鈉化學法等。許多用戶對不同二氧化氯發(fā)生器的特點并不清楚。
筆者通過近幾年的追蹤調(diào)查，現(xiàn)就zui常用的化學法和電解法的運行成本作一簡單的比較，為用戶選型時提供參考，見下表。
項目 | 電解法 | 氯酸鈉法 | 亞氯酸鈉法 |
消耗材料的市場價格 | 電：按0.5元/度粗鹽：500元/噸 | 氯酸鈉：5500元/噸（固體）鹽酸：700元/噸（33%濃度） | 亞氯酸鈉：15000元/噸（固體）鹽酸：700元/噸（33%濃度） |
每產(chǎn)生1克二氧化氯所消耗材料費用 | 鹽1.3克，電0.0006度，合計0.00365元 | 氯酸鈉和鹽酸各1.6克（濃度*），電費不計，合計0.0122元 | 亞氯酸鈉和鹽酸各1.6克（濃度*），電費不計，合計0.0274元 |
一臺1000g/h的二氧化氯發(fā)生器的運行成本 | 每小時運行費用 | 3.65元 | 12.2元 | 27.4元 |
每年運行費用 | 3.2萬元 | 10.7萬元 | 24萬元 |
一個日供水量10萬噸的自來水廠的消毒成本（地下水） | 每天消毒費用 | 365元 | 1220元 | 2740元 |
每年消毒費用 | 13.8萬元 | 44.5萬元 | 100萬元 |
醫(yī)院污水的處理成本（按二級標準），每噸按40克消毒劑 | 每噸污水消毒成本 | ＜0.146元 | ＜0.488元 | ＜1.096元 |
從上表可以看出，不同的二氧化氯發(fā)生器的運行成本是不同的，電解法zui低，亞氯酸鈉法zui高，氯酸鈉法介于中間。值得注意的是，目前二氧化氯發(fā)生器生產(chǎn)廠家較多，有的廠家計算運行成本時將二氧化氯換算成有效氯除以2.63，是不科學的。
次氯酸鈉發(fā)生器設(shè)備運行成本
1、運行成本
該設(shè)備每生產(chǎn)1公斤有效氯(即折合為該1%濃度的次氯酸鈉消毒液為100公斤)一般需要4公斤鹽、4度電（包括上水、化鹽電耗）、水110公斤。一套產(chǎn)有效氯量為300克／小時的次氯酸鈉發(fā)生器，其zui大耗費電力一項尚不及一臺2千瓦的電機。通常情況下，設(shè)備正常運行時，生產(chǎn)1公斤有效氯量的次氯酸鈉液其運行成本費用計算如下：
鹽（工業(yè)級）：4 × 0.35 = 1.40 (元)
電費:4 × 1.00 = 4.00 (元)
水費：0.11 × 3.00 = 0.33(元)
小 計：1.40 + 4.00 + 0.33 = 5.73(元)
按25%的人工、損耗、折舊，每生產(chǎn)1公斤有效氯耗費為：
5.73 + 5.73×20% = 6.88 (元)
以上成本為zui高限額，實際成本應(yīng)根據(jù)各地電力實際價格來計算。通常情況下，使用本公司產(chǎn)品，1Kg有效氯的成本在全國大部分地區(qū)都大約為4.5元人民幣。
次氯酸鈉和二氧化氯的消毒效果比較
目前，從水體消毒的種類來說，有氯氣、次氯酸鈉、漂白分、三氯異氰尿酸(二氯異氰尿酸鈉)、二氧化氯、雙氧水、臭氧等藥劑和方式，此外還有紫外線消毒等一些手段。
由于氯氣在運輸、存儲方面存在安全隱患；在定量投加方面，因氯氣在水中的溶解度較低，氯氣容易散失，使得水中留存余量難以達到標準；同時，氯氣瓶氣壓不斷變化，存在投加計量不夠準確的問題；氯氣具有*的擴散性，對環(huán)境存在毒害作用；游離氯的高活性容易形成許多象*一類的致癌物質(zhì)，故而，在常規(guī)消毒領(lǐng)域，取消液綠的主張越來越多，也日益受到人們的關(guān)注。
就拿氯氣的安全性來說，就始終是一個讓人時時警覺的問題。在我國，幾乎每年都有氯氣罐泄漏的安全事故發(fā)生。氯氣作為危險品受到各國安全機關(guān)的嚴格管制。前些年，發(fā)生在福建三明火車站氯氣瓶運輸中的跑氯事件，造成幾千人的緊急疏散；在北京有些游泳場由于操作人員不謹慎，三分鐘的跑氯，就有37名孩子住進醫(yī)院。2005年3月29日18時50分，江蘇省淮安市境內(nèi)，一輛山東魯H－00099裝有液綠危險品的運輸車，行至京滬高速公路上行線103KM＋300M處，與一輛魯QA0938貨車相撞，導致魯H－00099側(cè)翻液綠泄漏。截止3月31日8時，此事故已造成28人中毒死亡，285人被送往醫(yī)院救治。事故發(fā)生后，有關(guān)部門立即組織疏散村民群眾近1萬人，造成京滬高速公路宿遷至寶應(yīng)段關(guān)閉20個小時。我國的天津地區(qū)就明確規(guī)定公共娛樂場所禁用氯氣進行消毒。
在國外許多發(fā)達國家，如美國、德國、日本等對氯氣的使用有嚴格的限制，氯氣主要用于污水處理。而公用場所和中小型自來水廠一般不再使用液綠，而多使用次氯酸鈉液體進行消毒。當然，也可根據(jù)用水量的情況，采用其它消毒方法。如小量飲用水的消毒就可以采用諸如紫外線、臭氧、雙氧水等手段進行滅菌殺毒。
氯氣、次氯酸鈉、二氧化氯和臭氧[1]都是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中比較容易見到的幾種強氧化劑，除臭氧以外，它們均為非天然存在的化學物質(zhì)。一般都可以用作水體殺生劑。它們不僅具有滅殺細菌和病毒的功能，還能夠漂白紙張、纖維以及用作化學合成等。廣泛用于自來水消毒、游泳池水消毒、污水處理、循環(huán)水除藻、造紙工業(yè)、化學合成業(yè)、以及醫(yī)藥衛(wèi)生和防疫等各個領(lǐng)域。
但是，不同的藥劑具有不同的性能和特點，就如同不同廠家的產(chǎn)品具有并不相同的質(zhì)量一樣。氯氣、次氯酸鈉、二氧化氯和臭氧在物理化學性能上，以及實際使用中都有很大的區(qū)別。就這幾種消毒劑的應(yīng)用來講，次氯酸鈉zui為安全有效，易于儲存，使用zui為方便。
有關(guān)氯氣的性能和使用情況，我們已很熟悉了。液綠的殺菌效果很好，且容易獲得，經(jīng)濟廉價，而且投加方便，占用地方很小，但其安全性比較低，管理上容易疏忽。在這里，不再對液綠的情況進行詳細分析，具體探討和比較一下次氯酸鈉、二氧化氯和臭氧三種消毒劑的性能以及相關(guān)設(shè)備的使用特點。
次氯酸鈉
次氯酸鈉的分子式是NaOCl，屬于強堿弱酸鹽，它清澈透明，是一種能*溶解于水的液體。但由于次氯酸鈉液不易久存，次氯酸鈉多以電解低濃度食鹽水現(xiàn)場制備。
次氯酸鈉液體可通過電解食鹽水制備，這種設(shè)備稱為次氯酸鈉發(fā)生器。次氯酸鈉的生成過程可以通過化學方程式表達如下：
其總反應(yīng)表達如下：
NaCl + H2O → NaOCl + H2↑
電極反應(yīng)：
陽極： 2Cl- - 2e → Cl2
陰極： 2H+ + 2e → H2
溶液反應(yīng)： 2NaOH + Cl2 → NaCl + NaOCl + H2O
當然，次氯酸鈉消毒液體以次氯酸鈉發(fā)生器生產(chǎn)為zui家。因為，它生產(chǎn)出的次氯酸鈉液體比較穩(wěn)定、單一，也容易保存，不含制氯廠出品的那些復雜甚至有害的成分。
關(guān)于次氯酸鈉發(fā)生器，我國已于1990年1月12日發(fā)布了GB 12176-90 國家標準。它是一種已經(jīng)認可、可以信賴、十分穩(wěn)定、并有資料可查詢的產(chǎn)品。次氯酸鈉發(fā)生器已經(jīng)有一百多年的歷史了，已經(jīng)證明是一種運行成本很低、藥物投加準確、消毒效果的設(shè)備。
就消毒而言，次氯酸鈉液還是具有明顯優(yōu)勢的。作為一種真正、廣譜、安全的強力滅菌、殺病賭藥劑，它同水的親和性很好，能與水任意比互溶，它不存在液綠、二氧化氯等藥劑的安全隱患，且其消毒效果被*為和氯氣相當加之其投加準確，操作安全，使用方便，易于儲存，對環(huán)境無毒害，不存在跑氣泄漏，故可以在任意環(huán)境工作狀況下投加。
事實上，次氯酸鈉廣泛用于包括自來水、中水、工業(yè)循環(huán)水、游泳池水、醫(yī)院污水等等各種水體的消毒。次氯酸鈉還能夠破壞氰根離子，用作處理含氰廢水。高濃度的次氯酸鈉液體還可以用于剝離設(shè)備及管道上附著的沾泥[2]。
次氯酸鈉的殺菌原理主要是通過它的水解形成次氯酸，次氯酸再進一步分解形成新生態(tài)氧[O]，新生態(tài)氧的*氧化性使菌體和病毒的蛋白質(zhì)變性，從而使病源微生物致死。（氯氣消毒的原理亦同）。
根據(jù)化學測定，次氯酸鈉的水解受PH值的影響，當PH超過9.5就會不利于次氯酸的生成。但是，絕大多數(shù)水質(zhì)的PH值都在6—8.5，而對于PPM級濃度的次氯酸鈉在水里幾乎是*水解成次氯酸，其效率高于99.99%。其過程可用化學方程式簡單表示如下：
NaOCl + H2O → HOCl + NaOH
HClO → HCl + [O]
次氯酸在殺菌、殺病毒過程中，不僅可作用于細胞壁、病毒外殼，而且因次氯酸分子小，不帶電荷，可滲透入菌（病毒）體內(nèi)與菌（病毒）體蛋白、核酸、和酶等發(fā)生氧化反應(yīng)，從而殺死病原微生物。
R-NH-R + HOCl → R2NCl + H2O
同時，氯離子還能顯著改變細菌和病毒體的滲透壓使其喪失活性而死亡。
在消毒方面，值得肯定的是，由于次氯酸鈉發(fā)生器所生產(chǎn)的消毒液中不象氯氣、二氧化氯等消毒劑在水中產(chǎn)生游離分子氯，所以，一般難以形成因存在分子氯而發(fā)生氯代化合反應(yīng)，生成不利于人體健康的有毒有害物質(zhì)。并且，次氯酸鈉也不會象氯氣同水反應(yīng)會zui后形成鹽酸那樣，對金屬管道構(gòu)成嚴重腐蝕。不過，它同氨可以發(fā)生反應(yīng)，在水中生成微量的帶有氣味的氯氨化合物，但這種物質(zhì)也是一種安全的殺生藥劑，只是遠不及次氯酸鈉的殺生能力。
NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O
NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O
NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O
就運行成本而言，采用次氯酸鈉消毒的運行成本費用是很低的，稍比氯氣高一些。根據(jù)英國所統(tǒng)計的一組數(shù)據(jù)表明，次氯酸鈉同氯氣成本相比大約為1.05 ：1[3]。
使用次氯酸鈉消毒以采用次氯酸鈉發(fā)生器為*。以前，次氯酸鈉發(fā)生器未能在我國大范圍推廣的原因，主要是過去在陽極防腐材料方面不過關(guān)，其次是我國經(jīng)濟發(fā)展滯后和對水處理技術(shù)不夠重視，再次是次氯酸鈉發(fā)生器比氯氣的一次性投入要略高等因素造成的。
實際中，還有一些單位對水體消毒使用的是從氯堿工廠出產(chǎn)的次氯酸鈉液。事實上，氯堿工廠生產(chǎn)的次氯酸鈉液同次氯酸鈉發(fā)生器現(xiàn)場制備的次氯酸鈉液還是有一定區(qū)別的。次氯酸鈉是氯堿工廠生產(chǎn)過程中必然留下的一種副產(chǎn)品，它是通過堿液吸收多余的氯氣生成的。這是為了保障安全必須設(shè)置的一道工藝。對于大多數(shù)制氯堿的工廠來說，次氯酸鈉作為一種副產(chǎn)物，成分較復雜，還很容易分解。據(jù)一些報道分析，有些廠從經(jīng)濟效益上考慮，使用石墨做電極還產(chǎn)生出相當多的二惡因成分。
2OH- + Cl2 → Cl- + ClO- + H2O
一般來講，該反應(yīng)通常在低溫下進行，因為低溫下一分子氯氣還可以同八分子水結(jié)合成暫時性的水合氯，它在水中呈游離氯狀態(tài)。這樣，當溫度略高時，它就會很自然地從水中釋放出來，不能長時間保存，很容易揮發(fā)失效，投加中也散逸出一些氯氣。另外，它需要大型塑料桶裝儲，占用一定空間，在運輸、儲存和管理上也還是比較麻煩的。所以，這種含有一定游離分子氯的次氯酸鈉溶液用于水體消毒，當然不及現(xiàn)場使用次氯酸鈉發(fā)生器好。但它還是比使用液綠消毒更為安全可靠。
此外，還必須說明的是，采用次氯酸鈉消毒，不可避免地使水中存在一定鹽分。不過，由于投加是按每一噸水幾克的標準進行的，象自來水等流動水體根本就不存在累積的問題，更不可能產(chǎn)生咸鹽的感覺。對于游泳池水來說，某一個較短時期可能有一些累積的，但由于游泳池本身會定期對凈化設(shè)備進行反沖洗，因而需要補充一部分新鮮水，加之投加的量很小，約為百萬分之幾的量，從*來看，池中也不會有鹽分累積，池水更不可能變得咸鹽的。通過我們的調(diào)查和走訪，我們也沒有發(fā)現(xiàn)哪一家用戶有使用次氯酸鈉發(fā)生器設(shè)備而造成池水變咸了的事例出現(xiàn)。
二氧化氯
二氧化氯的分子式是ClO2，在高于11oC時，二氧化氯沸騰，成為一種黃綠色氣體。它是一種極活潑的化合物，稍經(jīng)受熱，就會迅速而爆炸性分解為氯氣和氧氣。二氧化氯具有比氯氣更大的刺激性和毒性。由于它是氣體，易于擴散，受熱又容易分解，在纖維表面停留時間較短，并且與水反應(yīng)還能生成具有較強漂白能力的HClO2, 能夠不降解和損傷纖維，所以在造紙、印染等行業(yè)得到很好應(yīng)用。二氧化氯作為一種強氧化劑，同樣具有和氯相似的殺生能力。
二氧化氯極其不穩(wěn)定，不能象次氯酸鈉那樣可以運輸，運輸中很容易發(fā)生爆炸事故，所以只有依靠現(xiàn)場制備。一般都是通過氯酸鈉同酸的反應(yīng)制備得到。但是，氯酸鈉與硫酸的反應(yīng)十分劇烈，所產(chǎn)生二氧化氯幾乎是爆炸性分解為氯氣和氧氣，這當然與硫酸在反應(yīng)中大量放出熱量有關(guān)。用化學方程式表達如下：
3NaClO3 + 3H2SO4 → 3NaHSO4 + 3HClO3
3HClO3 → 2ClO2↑ + HClO4 + H2O
2ClO2 → Cl2↑ + 2O2↑
zui為溫和的方法是草酸與氯酸鈉的反應(yīng)生成二氧化氯氣體：
2NaClO3 + 2H2C2O4 → Na2C2O4 + 2H2O + 2CO2↑ +2ClO2↑
國內(nèi)一些廠家采用鹽酸進行定量控制滴加氯酸鈉的方法生成二氧化氯，這種設(shè)備有的可以獲得zui高不超過50%的二氧化氯和大于50%的氯氣。
一般來說，氯酸鈉與鹽酸發(fā)生反應(yīng)過程比較復雜一些。如果使用*反應(yīng)，生成物可以獲得二氧化氯和氯氣的混合物氣體[4]，但規(guī)模制備還必須設(shè)防爆裝置，操作也必須十分小心，因為二氧化氯受熱很容易爆炸性分解：
NaClO3 + HCl（?。?→ NaCl + Cl2↑ + 2ClO2↑ + 2H2O
實際上，這個反應(yīng)也是分為兩步完成的，氯酸鈉先同鹽酸反應(yīng)生成氯酸和氯化鈉，氯酸隨后分解成二氧化氯、氯氣和水。
當使用濃鹽酸與氯酸鈉反應(yīng)時，生成物中只有氯氣放出，而沒有二氧化氯氣體[4]：
NaClO3 + 6HCl（濃） → NaCl + 3Cl2↑ + 3H2O
很顯然，在某一中間范圍的鹽酸濃度中，上述兩種反應(yīng)均有發(fā)生，可將上兩反應(yīng)方程式相加表述為[4]：
ClO3- + 7Cl- + H+ → 4Cl2↑ + 2ClO2↑ + 5H2O
從上面方程表達式是來看，鹽酸同氯酸鈉反應(yīng)生成的二氧化氯含量是很不穩(wěn)定的，所生成氣體主要部分還是氯氣，少量為二氧化氯。
由于制取二氧化氯需要使用氯酸鈉或者氯酸鉀，所以運行成本很高，大約為次氯酸鈉運行成本的5倍以上[2]。此外，由于鹽酸容易揮發(fā)，并具有強烈腐蝕性，因此，在管理上相對比較麻煩，需要較多的安全容器來儲存保管。
在工業(yè)上，有一種制備二氧化氯水溶液的工藝[1]，工藝比較復雜，具體方法是：讓二氧化氮由底部向上通過一個填充塔，而氯酸鈉溶液由上往下流動，反應(yīng)方程式表達如下：
ClO3- + NO2 → NO3- + ClO2
這種水溶液濃度不高，處理起來比較安全（水溶液中二氧化氯含量超高30%時處理不當也會引起爆炸），溶解實際上是一個物理過程。置于日光下時，溶液會緩慢地分解成酸的混合物。但是，這種方式的運行成本更高，一般也不用于生活飲用水中消毒。
