Dwutlenek chloru: Skuteczna metoda uzdatniania wody
- Szczegóły
Dwutlenek chloru (ClO2) w temperaturze pokojowej i ciśnieniu 1 atm jest gazem o żółtopomarańczowym zabarwieniu. Skrapla się w temperaturze 11 ºC do ciemnobrązowej cieczy.
Właściwości i działanie dwutlenku chloru
Dwutlenek chloru (ClO2) to związek chemiczny o specyficznych właściwościach fizykochemicznych, które czynią go wyjątkowo skutecznym środkiem dezynfekującym. W temperaturze pokojowej ClO2 to żółto-pomarańczowy gaz, cięższy od powietrza. Charakteryzuje się bardzo dobrą rozpuszczalnością w wodzie, co ułatwia jego zastosowanie w procesach uzdatniania. Pod względem chemicznym dwutlenek chloru jest silnym utleniaczem o wysokim potencjale redoks. Właściwość ta przekłada się na jego skuteczność w eliminacji patogenów.
W związku z tym, iż dwutlenek chloru ma wyższy potencjał utleniający niż chlor, działa na wiele substancji zredukowanych utleniająco, a nie chlorująco i stosuje się go w dezynfekcji wody głównie do zmniejszenia ilości chlorowych pochodnych związków organicznych powstających podczas chlorowania.
Działanie dezynfekujące ClO2 polega na uszkadzaniu błony komórkowej i zakłócaniu procesu syntezy białek. Wykazuje on właściwości dezynfekujące już przy stężeniu powstałego ClO2 równym 0,1 g/m3.
Ponadto, dwutlenek chloru z materią organiczną reaguje bardzo powoli, długo utrzymując się w wodzie w formie niezhydrolizowanej. Dzięki temu jest dwa razy bardziej skutecznym dezynfektantem w porównaniu do chloru.
Przeczytaj także: Wpływ chloru na zdrowie
Przy dawkach, takich jakie stosuje się podczas uzdatniania wody do spożycia, dwutlenek chloru nie powoduje fizycznych uszkodzeń komórek. Kluczowym mechanizmem jest natomiast osłabienie fizjologicznych funkcji, takich jak synteza białka. Innym kluczowym mechanizmem inaktywacji jest reakcja pomiędzy dwutlenkiem chloru a specyficznymi cząsteczkami biologicznymi komórek mikroorganizmów, np. ze specyficznymi cząsteczkami ściany komórkowej, jak również kwasami nukleinowymi, włączając aminokwasy: cysteinę, tryptofan i tyrozynę [2].
Dwutlenek chloru (ClO2) działa jako silny utleniacz, wchodząc w reakcje ze składnikami komórkowymi drobnoustrojów oraz ich błoną komórkową. Mechanizm ten polega na odbieraniu elektronów ze struktur komórkowych, co prowadzi do zerwania ich wiązań molekularnych i w konsekwencji do rozpadu komórki i śmierci organizmu. Skuteczność dwutlenku chloru wynika z jego zdolności do jednoczesnego ataku oksydacyjnego na wiele białek, co utrudnia mikroorganizmom mutowanie i rozwijanie odporności.
Zastosowanie dwutlenku chloru
W Polsce na szerszą skalę jego zastosowanie datuje się od 1992 r., choć pierwsze próby wykorzystania tego reagenta podjęto już w latach 50. XX wieku.
Obecnie dwutlenek chloru znajduje szereg zastosowań.
- Systemy wodociągowe: Dwutlenek chloru jest stosowany do uzdatniania wody pitnej w zakładach wodociągowych.
- Przemysł spożywczy: W przetwórstwie żywności dwutlenek chloru dezynfekuje wodę używaną do mycia produktów, narzędzi, powierzchni produkcyjnych oraz do chłodzenia.
- Hotele, SPA i obiekty rekreacyjne: Dozowniki dwutlenku chloru stosowane są w systemach wodnych, takich jak baseny, jacuzzi, fontanny i inne instalacje wodne, aby zapobiec namnażaniu się mikroorganizmów i powstawaniu biofilmu.
- Szpitale i placówki służby zdrowia: Systemy wodne w szpitalach muszą być wolne od bakterii, w tym Legionella, ponieważ stanowią duże zagrożenie dla pacjentów, zwłaszcza tych o obniżonej odporności.
- Przemysł farmaceutyczny i kosmetyczny: Czystość mikrobiologiczna wody jest kluczowa w produkcji leków i kosmetyków.
- Hodowla zwierząt: W fermach i zakładach hodowlanych stosuje się dwutlenek chloru do dezynfekcji systemów wodnych dostarczających wodę do picia zwierzętom.
- Chłodnie i instalacje klimatyzacyjne: Dwutlenek chloru stosuje się do dezynfekcji systemów chłodniczych i wież chłodniczych, które mogą być siedliskiem bakterii Legionella.
Dwutlenek chloru ma szerokie zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagana jest ciągła dezynfekcja wody oraz ochrona przed bakteriami i biofilmem w instalacjach wodnych.
Przeczytaj także: Przewodnik po uzdatnianiu wody basenowej bez chloru
Środki z dwutlenkiem chloru są wykorzystywane do dezynfekcji powierzchni i przedmiotów w miejscach, gdzie wymagana jest wysoka skuteczność biobójcza przy zachowaniu bezpieczeństwa użytkowników.
Dwutlenek chloru ma szerokie zastosowanie ze względu na swoją efektywność i zdolność do szybkiej degradacji, co oznacza, że nie pozostawia trwałych osadów ani zapachów, dzięki czemu jest wygodny i bezpieczny w użytkowaniu w tych różnorodnych środowiskach.
Preparaty z dwutlenkiem chloru stosowane do dezynfekcji za pomocą zamgławiaczy są wykorzystywane w różnych branżach i miejscach, gdzie wymagane jest skuteczne odkażanie dużych przestrzeni.
- Przemysł spożywczy i przetwórczy: Dezynfekcja hal produkcyjnych, linii technologicznych, chłodni, magazynów i pojazdów transportowych.
- Służba zdrowia: W szpitalach, przychodniach, laboratoriach i klinikach stosuje się go do dezynfekcji sal operacyjnych, gabinetów i pomieszczeń pacjentów.
- Branża hotelarska i gastronomiczna: Dezynfekcja pokoi hotelowych, kuchni, restauracji i stref wspólnych.
- Transport publiczny: Stosowany w autobusach, pociągach, samolotach, taksówkach oraz na terminalach (lotniczych, kolejowych, autobusowych).
- Rolnictwo i hodowla zwierząt: Dezynfekcja pomieszczeń dla zwierząt, kurników, obór, chlewni oraz sprzętu hodowlanego.
- Szkoły i instytucje publiczne: Zamgławianie pomieszczeń szkolnych, urzędów, siłowni, bibliotek i innych miejsc publicznych.
Zamgławianie z użyciem dwutlenku chloru jest efektywne, ponieważ umożliwia dotarcie preparatu do trudno dostępnych miejsc, zapewniając szerokie spektrum działania przeciwko bakteriom, wirusom, pleśniom i grzybom.
Dzięki właściwościom biobójczym i możliwości aplikacji w formie zamgławiania, preparaty z dwutlenkiem chloru są skuteczne w miejscach, gdzie konieczne jest szybkie i kompleksowe oczyszczenie przestrzeni.
Przeczytaj także: Odwrócona osmoza i chlor
Dawkowanie dwutlenku chloru
Do usuwania smaku i zapachu wody wystarczają na ogół dawki z zakresu 0,4 - 0,8 g ClO2/m3, które przeważnie są również wykorzystywane ze względów bakteriologicznych.
Zapotrzebowanie wody na dwutlenek chloru jest wprost proporcjonalne do stężenia substancji zredukowanych w wodzie poddawanej dezynfekcji. Na przykład, zmniejszenie stężenia OWO z 3,9 do 2,1 - 2,5 g C/m3 w wodzie przed dezynfekcją obniża zapotrzebowanie na deynfektant z 1,7 - 1,8 ClO2/m3 do 0,1 - 0,3 ClO2/m3 (ClO2 pozostały = 0,04 - 0,23 g/m3).
Zaleca się stosowanie dwutlenku chloru do dezynfekcji wód o małym zapotrzebowaniu na chlor, co umożliwi dotrzymanie norm dopuszczalnego stężenia nieorganicznych ubocznych produktów dezynfekcji tym reagentem.
W zależności od potrzeb, ClO2 jest produkowany na miejscu bądź zamawiany i przechowywany w postaci stabilizowanej, a następnie aktywowany przed użyciem.
Aby proces uzdatniania był w pełni skuteczny, niezwykle ważne jest precyzyjne dobranie dawki ClO2, co zależy od jakości wody i celu dezynfekcji.
Porównanie dwutlenku chloru z innymi metodami dezynfekcji
Zachęcającą alternatywą wydaje się być stosowanie dwutlenku chloru (ClO2), którego działanie różni się od dezynfektantów chlorowych. Związek ten w porównaniu z klasycznym chlorowaniem powoduje zmniejszone tworzenie produktów ubocznych dezynfekcji oraz posiada większą skuteczność dezynfekcyjną. Dwutlenek chloru poza tym skutecznie usuwa barwę, smak i zapach wody.
Skuteczność inaktywacji mikroorganizmów dwutlenkiem chloru jest porównywalna do skuteczności dezynfekcji związkami chloru przy odczynie obojętnym wody. Przy zmianie odczynu skuteczność dezynfekcyjna chloru maleje, natomiast działanie dezynfekcyjne dwutlenku chloru pozostaje bez zmian.
Dwutlenek chloru jest reagentem bardzo efektywnym w stosunku do Cryptosporidium, szczególnie w połączeniu z ozonem lub chloraminą. Ze względu na powolną hydrolizę i występowanie w formie cząsteczkowej w zakresie pH 6 - 9, ClO2 jest równie skuteczny w stosunku do jelitowych i brzusznych wirusów oraz Giardia.
Dwutlenek chloru skuteczniej zabija wirusy niż chlor czy nawet ozon. W odróżnieniu od chloru, dwutlenek chloru skutecznie dezaktywuje pierwotniak Giardia (podobnie jak ozon czy promieniowanie UV).
Dwutlenek chloru (ClO2) jest uważany za lepszą alternatywę dla tradycyjnego chloru ze względu na brak tworzenia szkodliwych dla zdrowia produktów ubocznych dezynfekcji.
Istotną zaletą dwutlenku chloru jest mniejsza podatność dezynfektanta na reakcje z organicznymi związkami obecnymi w wodzie. Oznacza to, że jego działanie biobójcze jest w mniejszym stopniu zakłócane przez materię organiczną w stosunku do innych metod dezynfekcji np. chlorowania.
Potencjalne zagrożenia i produkty uboczne
Dwutlenek chloru jest silnym utleniaczem i szybko może ulegać redukcji w sieci wodociągowej w której są zdeponowane osady. Dlatego, w przypadku systemów dystrybucji wody o złym stanie technicznym i sanitarnym, bardziej przydatne mogą być chloraminy ze względu na ich większą trwałość oraz zdolność do penetracji biofilmów obecnych w sieci wodociągowej.
Główną wadą stosowania ClO2 jako wstępnego utleniacza jest powstawanie bardzo nieprzyjemnych zapachów w domach konsumentów. Problem ten pogłębia się wówczas, gdy ClO2 odtwarza się w czasie dystrybucji w reakcji pomiędzy wolnym chlorem a jonem chloranowym.
Aby zapobiec przykrym konsekwencjom stosowania ClO2 jako wstępnego utleniacza należy usuwać jony chloranowe(III) w trakcie procesu uzdatniania lub też zastępować chlor chloraminą.
Produktem ubocznym dezynfekcji dwutlenkiem chloru są chloryny i chlorany. Stosowanie więc tego środka biobójczego do dezynfekcji wody pitnej wiąże się z potencjalnym ryzykiem ich obecności.
Nieorganiczne produkty uboczne utleniania dwutlenkiem chloru
Głównymi nieorganicznymi produktami ubocznymi stosowania dwutlenku chloru są chlorany(III) i chlorany(V), które mogą powstawać w wyniku reakcji utleniania wodnej naturalnej materii organicznej, reakcji dysproporcjonowania ClO2 w środowisku alkalicznym lub w wyniku redukcji ClO2 w zakresie pH spotykanym w wodach naturalnych.
Produkty te tworzą największą ilościowo grupę potencjalnych źródeł zagrożenia dla zdrowia człowieka. Chlorany(III) tworzą się w ilości równoważnej 60 - 70% zużytego ClO2. W kolejnym etapie może następować redukcja chloranów(III) do chlorków. Traktowane są jako związki powodujące zmiany patologiczne krwi prowadzące do anemii hemolitycznej.
Według USEPA najwyższe dopuszczalne stężenie chloranów(III) wynosi 1,0 mg/dm3. W Niemczech wartość ta wynosi zaledwie 0,2 mg/dm3. W znacznie mniejszych ilościach występują chlorany(V), których obecność łączy się z efektywnością wytwarzania ClO2 oraz z jego fotolitycznym rozkładem. Mogą powodować one methemoglobinemię, uszkodzenia nerek, hipotermię i konwulsje. Na dzień dzisiejszy nie wyznaczono dla chloranów(V) żadnych wartości dopuszczalnych.
Organiczne produkty uboczne utleniania dwutlenkiem chloru
Dwutlenek chloru charakteryzuje się dużą skutecznością utleniania prekursorów trihalometanów. W reakcjach ze związkami organicznymi obecnymi w wodzie ClO2 praktycznie nie tworzą tego typu produktów ubocznych. Natomiast przeważają reakcje utleniania, które w nielicznych przypadkach kończą się połączeniem chloru z tego względu, iż ClO2 nie utlenia związków organicznych poprzez rozerwanie wiązania C-C.
Ilość powstających w reakcji ClO2 z naturalnymi substancjami organicznymi związków halogenoorganicznych stanowi 1 - 25% ilości jaka powstałaby w tych samych warunkach w wyniku procesu chlorowania. Obecność kwasów fulwowych w utlenianej wodzie prowadzi do ich dekarboksylacji wskutek czego tworzą się hydroksylowane kwasy fenylokarboksylowe przechodzące w chinony w obecności niewielkiego nadmiaru ClO2. Natomiast kwasy huminowe reagują z dwutlenkiem chloru z wytworzeniem aldehydów, kwasów karboksylowych i glioksalu.
Reakcja z nadmiarem ClO2 może prowadzić do powstawania kwasu monochlorooctowego i małych ilości kwasu monochlorobursztynowego oraz kwasu di- i trichlorooctowego.
Końcowym produktem reakcji utleniania wielkocząsteczkowych związków organicznych (takich jak ligniny, substancje humusowe) dwutlenkiem chloru są aldehydy i glioksal, chinony, kwasy mono- i dikarboksylowe tworzące się w reakcji otwarcia jednego z pierścieni aromatycznych.
Podczas utleniania ClO2 struktury chinonowe mogą powstawać również na skutek rozerwania wiązania estrowego pomiędzy pierścieniami aromatycznymi z utworzeniem pochodnych hydrochinonu i fenolu. Poza tym ClO2 może także utleniać grupy metoksylowe wielkocząsteczkowych związków organicznych do alifatycznych grup hydroksylowych.
Podczas reakcji utleniania substancji humusowych dwutlenkiem chloru nie tworzą się chlorofenole ani też reagent ten nie reaguje z nasyconymi alifatycznymi węglowodorami. Jednak w przypadku, gdy ClO2 zawiera niewielkie domieszki Cl2, kwas podchlorawy obecny w mieszaninie reakcyjnej może reagować z alkenami tworząc chlorohydryny, aldehydy, α-chloro- i α-nienasycone ketony. Amoniak i grupy aminowe nie reagują z ClO2.
tags: #dwutlenek #chloru #uzdatnianie #wody #zastosowanie #dawkowanie
