Khử trùng bằng clo và các hợp chất của clo

Tất cả các hoạt động trong sinh hoạt và sản xuất của con người đều tạo ra chất thải. Các chất thải tồn tại ở dạng chất rắn, chất lỏng và thể khí. Ngoài các tạp chất vô cơ, hữu cơ…trong nước thải còn có nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn, vi trùng, virut gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn…. Nếu xả thải vào nguồn nước cấp mà chưa qua khử trùng thì khả năng lan truyền bệnh là rất lớn. Tiêu chuẩn của một nguồn nước tốt là phải loại trừ được các nguồn gây bệnh đó. Do đó, khử trùng nước là một quá trình không thể thiếu được trong công nghệ xử lý nước. Người ta nhận thấy rằng chỉ với các quá trình xử lý cơ học thì không thể loại trừ được các loài vi sinh vật và vi trùng có trong nước. Do vậy, để có nguồn nước đảm bảo an toàn vệ sinh trước khi thải vào các nguồn, bắt buộc phải tiến hành các biện pháp khử trùng (khử trùng chỉ nhằm tiêu diệt những vi khuẩn, virut loại có hại, gây bệnh, không phải tiêu diệt tất cả vi khuẩn có trong nước).

Khử trùng bằng clo và các hợp chất của clo

Cơ sở của phương pháp khử trùng bằng các chất hóa chất là sử dụng chất oxy hóa mạnh hơn để oxy hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là: các halogen clo, brom; clo dioxyt; các hypoclorit và các muối của nó; ozôn…. Phương pháp khử trùng hóa học có hiệu suất cao nên được sử dụng rộng rãi với nhiều quy mô.

Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất, khi clo tác dụng với nước đều cho các phân tử axit hypocloro  (HOCl), một hợp chất có năng lực khử trùng rất mạnh.

Cơ chế tác động của clo: Quá trình hủy diệt vi sinh vật xảy ra qua hai giai đoạn:  đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào của vi sinh vật, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến diệt vong tế bào.

Tốc độ phản ứng quá trình khử trùng được xác định bằng động học của quá trình khuếch tán chất diệt trùng qua vỏ tế bào và động học của quá trình phân hủy men tế bào. Tốc độ quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ của nước tăng, ngoài ra tốc độ khử trùng còn phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn cả quá trình phân ly. Tốc độ quá trình khử trùng còn phụ thuộc vào cả hàm lượng các chất hữu cơ, các cặn lơ lửng và các chất khử khác. Khi trong nước có hàm lượng cao của các chất này thì tốc độ quá trình khử trùng sẽ giảm đi đáng kể.

Khi cho clo tác dụng với nước, phản ứng đặc trưng xảy ra là quá trình thủy phân clo, tạo thành axit hypoclorit và axit clohydric :

Cl₂ + H₂O     HOCl + HCl

Ở dạng phân ly ta có :

Cl₂ + H₂O      2H⁺ + OCl^– + Cl^–

Tương tự khi dùng clorua vôi làm chất khử trùng ta có :

Ca(OCl)₂ + H₂O        CaO + 2HOCl

2HOCl        2H⁺ + 2OCl^–

Khả năng diệt trùng của clo phụ thuộc vào hàm lượng HOCl có trong nước. Nồng độ HOCl phụ thuộc vào lượng ion H⁺ trong nước hay phụ thuộc vào pH của nước. Khi :

pH = 6 thì HOCl chiếm 99,5%, OCl- chiếm 0,5%

pH = 7 thì HOCl chiếm 79%, OCl- chiếm 21%

pH = 8 thì HOCl chiếm 25%, OCl- chiếm 75%

HOCl không phân ly là thành phần khử trùng chính trong nước, thành phần này chỉ có giá trị cao ở pH thấp, điều đó cũng nói lên rằng quá trình dùng clo để khử trùng trong nước chỉ có được hiệu quả cao khi tiến hành ở pH thấp.

* Khi nước có mặt amoniac hoặc hợp chất có chứa nhóm amoni, chúng có thể tác dụng với clo axit hypoclorit hoặc ion hypoclorit để sinh thành các hợp chất cloramin theo các phản ứng sau :

NH₃ + HOCl    ¨    NH₂Cl + H₂O

monocloramine

NH₂Cl + HOCl    ¨     NHCl₂ + H₂O

dicloramine

NHCl₂ + HOCl    ¨     NCl₃ + H₂O

tricloramine

Sản phẩm monocloramine và dicloramine sinh thành tùy thuộc vào trị số pH của môi trường. Trị số pH càng cao, lượng clo kết hợp để tạo thành dicloramine càng thấp và nồng độ monocloramine càng cao. Hơn nữa, nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, năng lực diệt trùng của monocloramine thường thấp hơn so với năng lực diệt trùng của dicloramine khoảng từ 3 đến 5 lần, so với clo, năng lực diệt trùng của dicloramine lại thấp hơn từ 20 đến 25 lần. Chính điều đó giải thích vì sao quá trình khử trùng lại xảy ra có hiệu quả hơn khi trị số pH của môi trường thấp.

Để đảm bảo cho quá trình khử trùng đạt được hiệu quả hoàn toàn, người ta thường tính đến một lượng clo dư thích hợp trong nước sau quá trình khử trùng. Trong hệ thống khử trùng có chứa amoniac hoặc các hợp chất có chứa nhóm amoni, lượng clo tham gia phản ứng để tạo thành cloramine được gọi là clo kết hợp, tổng hàm lượng của clo tự do dưới dạng Cl₂, HOCl và ClO^–, lượng Clo kết hợp được gọi là clo hoạt tính khử trùng, do khả năng diệt trùng của clo tự do và clo kết hợp khác nhau mà lượng clo dư cần thiết để đảm bảo khử trùng triệt để cũng dược đánh giá ở mức khác nhau.

Điểm tới hạn (breakpoint) rất quan trọng trong tính toán hàm lượng clo cho vào. Điểm tới hạn là điểm bão hòa của các phản ứng khử trùng. Tại điểm tới hạn, clo thêm vào sẽ trở thành clo dư. Để đánh giá hiệu quả của quá trình khử trùng nước thải bằng clo, ta thường thực hiện bằng cách kiểm tra số dư lượng hóa chất đã sử dụng và bằng cách xác định hàm lượng clo dư trong nước thải sau khi tiếp xúc với clo.

Thông thường để đảm bảo hiệu quả của quá trình khử trùng, ta điều chỉnh lượng clo cho vào sao cho hàm lượng clo dư còn lại trong nước thải sau khi tiếp xúc không nhỏ hơn 1,5 mg/l.

* Khử clo dư trong nước : Khử dư lượng clo trong nước khi clo hóa với liều lượng cao có thể dùng phương pháp hóa học. Khử clo bằng hóa chất như dùng SO₂, Na₂SO₃, Na₂S₂O₃ theo các phản ứng sau :

Cl₂ + SO₂ +2H₂O→ 2HCl + H₂SO₄

Cl₂ + Na₂SO₃ + H₂O → 2HCl + Na₂SO₄

4Cl₂ + Na₂S₂O₃ + 5H₂O → 2NaCl + 6HCl + 2H₂SO₄

Axit clohydric và axit sunfuric hình thành được trung hòa bằng độ kiềm dư của nước. Để khử hết 1mg clo dư cần đến 0,9 mg SO₂.

Ngoài ra có thể dùng than hoạt tính để lọc clo dư. Lớp lọc hấp thụ qua than hoạt tính có chiều dày từ 2 đến 2,5m, kích thước hạt từ 1,5 đến 2,5mm, tốc độ lọc 20 – 30m/h. Tái sinh than hoạt tính khi nó hết khả năng hấp thụ clo được tiến hành bằng rửa qua dung dịch kiềm nóng hoặc canxi hypoclorit.

Phương pháp làm thoáng bề mặt chỉ khử được một phần clo dư hòa tan, còn hypoclorit do không bay hơi nên phương pháp này kém hiệu quả hơn. Khử clo và cloramine bằng phương pháp làm thoáng chỉ đạt hiệu quả khi pH của môi trường nhỏ hơn 5.

Để khử trùng nước nhiễm bẩn nặng, đặc biệt khi trong nước có nhiều vi trùng có sức đề kháng cao với các chất oxy hóa và trong trường hợp cần khử màu, mùi, vị của nước, có thể sử dụng liều lượng clo đến 10mg/l hoặc hơn để đảm bảo cả hiệu quả khử trùng triệt để và cả việc oxy hóa các chất gây mùi vị. Tuy nhiên khi lượng clo dư sau khử trùng còn quá lớn, nhất thiết phải tìm biện pháp khử bớt clo dư xuống đến tiêu chuẩn cho phép từ 0,3 đến 0,5mg/l.