О разложении хлораминов УФ излучением

Авторы: Васильев А.И., Протопопов А.В., Касаткин Е.М.

Основными проблемами, возникающими в процессе эксплуатации бассейнов являются, во-первых необходимость обеззараживания воды, а во-вторых необходимостью удаления моно- и ди- и трихлорамина из состава воды бассейна из-за их токсичности для организма человека. При этом следует отметить, что использование УФ излучения для обеззараживания воды в бассейнах ведет к снижению концентрации хлораминов, уже хотя бы потому, что оно ведет к снижению необходимой дозы свободного хлора в воде, и соответственно снижению содержания связанного хлора. Содержание хлораминов в воде бассейнов определено п.6.2.20 [1]: “При хлорировании воды уровень свободного (остаточного) хлора должен быть не менее 0,3 мг/л (для комбинированного метода очистки - не менее 0,1 мг/л), связанного хлора - не более 0,2 мг/л, а водородный показатель (pH) должен быть в диапазоне 7,2-7,6“.

Таким образом, суммарная концентрация хлораминов в воде не должна превышать 0,2 мг/л. Вместе с этим согласно [2] в диапазонах рН и температуры, диктуемых [1] из трех хлораминов наибольшую концентрацию будет иметь монохлорамин (88% монохлорамина и 12% дихлорамина). Это значит, что усилия по снижению концентрации хлораминов в воде бассейна должны быть направлены в первую очередь против монохлорамина.

Согласно данным, приведенным в [3], содержание хлораминов в бассейне на практике может достигать 0,7 мг/л. В то же время в [4] указывается, что концентрация связанного хлора, т.е. хлораминов в бассейне не превышает 0,5 ppm или 1,4 мг/л. Таким образом, для оценочных расчетов можно принимать концентрацию монохлорамина равной 1 мг/л (т.е. 1 см³ содержит 1,17 • 10¹⁶ молекул).

Монохлорамин может разлагаться под воздействием УФ излучения согласно следующей реакции:

NH₂Cl + hv -> NH₂ + Cl

При этом квантовый выход фотодеструкции монохлорамина составляет 0,62 моль/Э. Вместе с этим в [5] приводится форма спектра поглощения монохлорамина, который показывает, что пик поглощения приходится на длину волны 245 нм:

Это величина очень близка к пику спектра излучения ртутных (амальгамных) ламп низкого давления, поэтому для оценочных расчетов можно принять, что вся мощность УФ излучения ртутных ламп низкого давления находится в пределах спектра поглощения монохлорамина. В то же время, исходя из формы спектра излучения ртутных ламп среднего давления, можно сделать предположение, что не более 30% мощности их излучения в УФ диапазоне будет приходиться на спектр поглощения монохлорамина. Кроме того, необходимо учесть то, что только часть УФ излучения проходящего через воду бассейна будет поглощена монохлорамином. В случае с концентрацией монохлорамина равной 1 мг/л, эта величина равна 10%. Наконец, необходимо учесть эффективность преобразования подаваемой электрической мощности в УФ излучение. Для ламп среднего давления эта эффективность равна примерно 15% для диапазона 200-285 нм. В то же время для ламп низкого давления эта величина составляет 40% для длины волны 254 нм.

Таким образом, исходя из вышеизложенных соображений, можно вычислить долю монохлорамина, разлагаемого УФ излучением. Эта доля вычисляется по формуле:

R = 1/C x Ф/Э x Dk₁k₂/ E_ф

Здесь С - концентрация монохлорамина в воде, Ф - квантовый выход реакции, Э - один Эйнштейн, равный 6,02 • 10²³ фотонов, D - доза УФ излучения, k1 - коэффициент восприимчивости монохлорамина к излучению лампы, равный 1 для ламп низкого давления и 0,3 для ламп среднего давления, k2 - коэффициент поглощения монохлорамина в растворе на единицу длины, Еф - энергия одного фотона на длине волны 254 нм.

Исходя из всего вышеизложенного можно составить сравнительную таблицу:

Доза, мДж/см²	Экспериментальная доля удаленного монохлорамина, %	Расчетная доля удаленного монохлорамина, %
Лампы низкого давления
40	0	27,1
50	24	33,9
80	72	54,2
Лампы среднего давления
205	49	41,7

Таким образом, легко увидеть, что лампы среднего давления менее эффективны применительно к удалению монохлорамина из воды. Точный расчет показывает, что лампа среднего давления должна быть в 8,9 раз мощнее лампы низкого давления, чтобы удалить такое же количество хлорамина за такое же время. Это обусловлено меньшей энергоэффективностью и большей шириной спектра излучения ламп среднего давления.

Следует отметить, что применение УФ излучения от любых источников для удаления хлораминов из воды бассейнов очень энергозатратное мероприятие. Если для надежного обеззараживания достаточна доза 40 мДж/см² (на длине волны к = 254 нм), то для фотодеструкции хлораминов необходимы дозы в 2 и более раз больше, что требует соответствующего увеличения энергозатрат. Хотя известно, что надлежащее использование имеющегося оборудования, в частности напорной фильтрации с применением контактной коагуляции позволяет полностью решить проблему хлораминов в воде бассейнов [2, 6].

Список литературы:

СП 2.1.3678 от 01.01.2021
Drinking water criteria document for chloramines; EPA; 1994
М.В. Искаков; Оценка содержания хлораминов в воде плавательных бассейнов г. Хабаровска; Молодой ученый; 27.1(317.1), 39-41; 2020
А. Влодика - Бергье, Т. Бирджер, Б. Пшибиловска-Станек, В. Собех; Дезинфекция воды; 169-178; 2017
J. Kleinberg, et al; Absorption Spectrum of Aqueous Monochloramine Solutions; Analytical Chemistry; 26(8), 1388-1389; 1954