Диоксид хлора: свойства и применение

Введение

Химическое соединение

В 1933 году Лоуренс О. Броквей, аспирант Линуса Полинга, предложил структуру, включающую трёхэлектронную связь и две одинарные связи. Однако, Полинг в своей книге «Общая химия» показывает двойную связь к одному атому кислорода и одинарную связь плюс трёхэлектронную связь к другому. Структура валентных связей может быть представлена в виде резонансного гибрида, предложенного Полингом. Трёхэлектронная связь является более слабой, чем двойная связь. В теории молекулярных орбиталей эта идея широко распространена, если третий электрон помещается в антисвязывающую орбиталь. Последующие исследования подтвердили, что высшая занятая молекулярная орбиталь действительно является не полностью заполненной антисвязывающей орбиталью. Кристаллическая структура ClO2 является орторомбической и обладает симметрией пространственной группы Pbca.

Подготовка

Диоксид хлора был впервые получен в 1811 году сэром Хамфри Дэви. Реакция хлора с кислородом в условиях вспышечного фотолиза в присутствии ультрафиолетового света приводит к образованию незначительных количеств диоксида хлора. Cl2 + 2 O2 >[\ce{UV}] 2 ClO2 ^. Диоксид хлора может разлагаться с взрывом при отделении от разбавителей. Поэтому часто предпочтительны методы получения, которые предусматривают производство растворов без стадии газовой фазы.

Обработка воды

В 1944 году на водоочистной станции Ниагарского водопада в штате Нью-Йорк впервые применили диоксид хлора для очистки питьевой воды с целью уничтожения "фенольных соединений, вызывающих неприятный вкус и запах". Тригалометаны являются подозреваемыми канцерогенными побочными продуктами дезинфекции, образующимися при хлорировании природных органических веществ в исходной воде. Диоксид хлора также превосходит хлор при работе с pH выше 7 и для контроля биопленок в системах водораспределения. Диоксид хлора менее коррозионен, чем хлор, и эффективнее в борьбе с бактериями рода Legionella. Диоксид хлора превосходит некоторые другие методы вторичной дезинфекции воды тем, что на него не влияет pH, он не теряет эффективности со временем (поскольку бактерии не вырабатывают к нему устойчивость), и на него не влияют кремнезем и фосфаты, которые обычно используются в качестве ингибиторов коррозии питьевой воды. В Соединенных Штатах он зарегистрирован EPA как биоцид. В большинстве случаев диоксид хлора эффективнее хлора в качестве дезинфицирующего средства против патогенных микроорганизмов, переносимых с водой, таких как вирусы, бактерии и простейшие, включая цисты Giardia и ооцисты Cryptosporidium. Всемирная организация здравоохранения также рекомендует дозировку 1 ppm, и он был основным средством, использованным для дезинфекции зданий в Соединенных Штатах после атак сибирской язвой в 2001 году. После катастрофы, вызванной ураганом "Катрина" в Новом Орлеане (штат Луизиана) и на прилегающей территории побережья Мексиканского залива, диоксид хлора использовали для уничтожения опасной плесени в домах, затопленных водой. В связи с пандемией COVID-19 Агентство по охране окружающей среды США опубликовало список многих дезинфицирующих средств, соответствующих его критериям для использования в мероприятиях по борьбе с коронавирусом. Некоторые из них основаны на хлорите натрия, который активируется до диоксида хлора, хотя в каждом продукте используются различные составы. Многие другие продукты из списка EPA содержат гипохлорит натрия, название которого схоже, но его не следует путать с хлоритом натрия, поскольку они имеют совершенно разные механизмы химического действия.

The water treatment plant at Niagara Falls, New York first used chlorine dioxide for drinking water treatment in 1944 for destroying "taste and odor producing phenolic compounds." Trihalomethanes are suspected carcinogenic disinfection by products associated with chlorination of naturally occurring organics in raw water. Chlorine dioxide is also superior to chlorine when operating above pH 7, and for the control of biofilms in water distribution systems. Chlorine dioxide is less corrosive than chlorine and superior for the control of Legionella bacteria. Chlorine dioxide is superior to some other secondary water disinfection methods, in that chlorine dioxide is not negatively impacted by pH, does not lose efficacy over time, because the bacteria will not grow resistant to it), and is not negatively impacted by silica and phosphates, which are commonly used potable water corrosion inhibitors. In the United States, it is an EPA registered biocide. It is more effective as a disinfectant than chlorine in most circumstances against waterborne pathogenic agents such as viruses, bacteria, and protozoa – including the cysts of Giardia and the oocysts of Cryptosporidium. The World Health Organization also advises a 1ppm dosification. and was the principal agent used in the decontamination of buildings in the United States after the 2001 anthrax attacks. After the disaster of Hurricane Katrina in New Orleans, Louisiana, and the surrounding Gulf Coast, chlorine dioxide was used to eradicate dangerous mold from houses inundated by the flood water. In addressing the COVID 19 pandemic, the U. S. Environmental Protection Agency has posted a list of many disinfectants that meet its criteria for use in environmental measures against the causative coronavirus. Some are based on sodium chlorite that is activated into chlorine dioxide, though differing formulations are used in each product. Many other products on the EPA list contain sodium hypochlorite, which is similar in name but should not be confused with sodium chlorite because they have very different modes of chemical action.

Другие дезинфекционные применения

Диоксид хлора может использоваться в качестве фумиганта для "санитарной обработки" таких фруктов, как черника, малина и клубника, на которых развиваются плесень и дрожжи. Диоксид хлора может использоваться для дезинфекции птицы путем распыления или погружения после забоя. Диоксид хлора может использоваться для дезинфекции эндоскопов, например, под торговой маркой Tristel. Он также доступен в составе комплекса, включающего предварительную очистку с использованием поверхностно-активного вещества, последующее полоскание деионизированной водой и обработку низкоуровневым антиоксидантом. Диоксид хлора может использоваться для контроля за распространением мидий зебры и квагги в водозаборных сооружениях. Для очистки воды в походных условиях дезинфицирующие таблетки, содержащие диоксид хлора, более эффективны против патогенов, чем таблетки на основе бытового отбеливателя, но обычно стоят дороже.

Другие применения

Диоксид хлора используется как окислитель для разрушения фенолов в сточных водах и для контроля запахов в воздушных скрубберах предприятий по переработке отходов животного происхождения.

Вопросы безопасности в воде и добавках

К потенциальным опасностям, связанным с диоксидом хлора, относятся отравление и риск самовозгорания или взрыва при контакте с горючими материалами. Диоксид хлора токсичен, и для обеспечения его безопасного использования необходимы ограничения по воздействию на человека. Агентство по охране окружающей среды США установило максимальный уровень диоксида хлора в питьевой воде в 0,8 мг/л. Управление по охране труда и гигиене труда (OSHA), входящее в состав Министерства труда США, установило 8-часовой допустимый предел воздействия 0,1 ppm в воздухе (0,3 мг/м3) для работников, контактирующих с диоксидом хлора. Диоксид хлора мошенническим и незаконным образом рекламировался как средство для лечения широкого спектра заболеваний, включая детский аутизм и коронавирусную инфекцию. Детям, которым в качестве лечения детского аутизма делали клизмы с диоксидом хлора, причинили опасные для жизни заболевания и даже смерть. FDA предупреждает потребителей, что MMS может нанести серьезный вред здоровью, и сообщает о многочисленных случаях тошноты, диареи, сильной рвоты и опасного для жизни снижения артериального давления, вызванного обезвоживанием. Это предупреждение было повторено в третий раз 12 августа 2019 года и в четвертый раз 8 апреля 2020 года, в котором подчеркивалось, что употребление MMS так же опасно, как и употребление отбеливателя, и призывали потребителей не использовать его и не давать эти продукты своим детям ни при каких обстоятельствах, поскольку нет научных доказательств каких-либо полезных медицинских свойств диоксида хлора.