Что такое хлорноватистая кислота и почему она эффективнее хлора?
Хлорноватистая кислота (HOCl) — наиболее эффективная форма, которую хлор принимает в воде. Благодаря незаряженной, малой молекулярной структуре она проходит через клеточную стенку бактерии гораздо быстрее, чем гипохлорит-ион, и потому демонстрирует заметно более высокую биоцидную эффективность при том же уровне свободного хлора — оставаясь не раздражающей человека при рабочих концентрациях.
В водоподготовке о «хлоре» говорят так, будто это одно вещество. На практике его действие зависит от того, в какую химическую форму он переходит в воде, — и самая эффективная из этих форм — хлорноватистая кислота.
Во что превращается хлор в воде
Попадая в воду, хлорсодержащий дезинфектант приходит к равновесию между двумя формами: хлорноватистой кислотой (HOCl) и гипохлорит-ионом (OCl⁻). Определяющий фактор этого равновесия — pH.
Константа диссоциации, описывающая его, была измерена Фэйром с соавторами в 1948 году: pKa ≈ 7,5.1 Именно это число позволяет рассчитать, какая доля остаточного свободного хлора действительно находится в активной форме.
pH — не настройка, а определяющий фактор
Таблица ниже сопоставляет два независимых источника. Левые столбцы — доля HOCl, рассчитанная по константе диссоциации Фэйра; правый столбец — значение CT, то есть требуемое произведение концентрации на время контакта, которое Агентство по охране окружающей среды США предписывает для инактивации Giardia на 3 log.2
| pH | Доля HOCl | Доля OCl⁻ | Требуемый CT (мг·мин/л) | к pH 6 |
|---|---|---|---|---|
| 6,0 | 97,2 % | 2,8 % | 79 | 1,00× |
| 6,5 | 91,6 % | 8,4 % | 94 | 1,19× |
| 7,0 | 77,6 % | 22,4 % | 112 | 1,42× |
| 7,5 | 52,3 % | 47,7 % | 134 | 1,70× |
| 8,0 | 25,7 % | 74,3 % | 162 | 2,05× |
| 8,5 | 9,9 % | 90,1 % | 195 | 2,47× |
| 9,0 | 3,4 % | 96,6 % | 234 | 2,96× |
Значения CT при 10 °C и 1,0 мг/л свободного хлора. Доля HOCl рассчитана по pKa 7,54.
Таблица говорит следующее: при переходе от pH 6 к pH 9 доля хлора в активной форме падает с 97 % до 3 %, а доза, необходимая для той же дезинфекции, возрастает втрое. Одно — химическое измерение 1948 года, другое — нормативная таблица 2003 года, и оба говорят об одном.
Почему разница столь велика
Ответ — в строении молекулы. Клеточная стенка бактерии заряжена отрицательно. Гипохлорит-ион тоже несёт отрицательный заряд, поэтому стенка его отталкивает и он с трудом проникает внутрь. Хлорноватистая кислота — молекула незаряженная и малая: она проходит сквозь стенку почти без сопротивления и быстро окисляет внутренние структуры.
Свободноплавающие бактерии и биоплёнка — разные задачи
Приведённые значения CT относятся к микроорганизмам, взвешенным в воде. Биоплёнка, закрепившаяся на трубе, резервуаре или теплообменнике, — совершенно иная проблема.
Лешевалье с соавторами измерили устойчивость прикреплённых к поверхности бактерий биоплёнки к хлорноватистой кислоте: она оказалась в 150–3000 раз выше, чем у свободных клеток.4 Более важный вывод той же работы: лимитирующим фактором является перенос дезинфектанта внутрь биоплёнки. Поэтому повышение дозы хлора не повышает эффективность — оно лишь увеличивает нагрузку побочными продуктами.
Это объясняет, почему проблему в водяной линии редко удаётся решить, «добавив хлора».
Тот же свободный хлор — иной результат
Отсюда следует важный вывод: два раствора могут показывать одинаковое значение свободного хлора, но один из них будет значительно эффективнее другого, потому что эффективность определяется тем, какая доля этого хлора находится в форме хлорноватистой кислоты.
Раствор, полученный при нейтральном pH, поэтому способен обеспечить ту же силу дезинфекции при меньшем общем содержании хлора. В бассейнах это означает меньше хлораминов, меньше запаха и раздражения; в питьевой воде — меньше образования тригалометанов.
Собственный дезинфектант организма
Хлорноватистая кислота — не лабораторное изобретение. В иммунной системе человека нейтрофилы вырабатывают именно эту молекулу для уничтожения патогенов. Обзоры в медицинской литературе документируют, что в рабочих концентрациях она не раздражает ткани человека, сохраняя при этом широкий спектр действия.3
Роль производства на месте
Хлорноватистая кислота — нестабильная молекула, со временем она переходит в менее эффективные формы. Поэтому продукты, разлитые по ёмкостям и месяцами стоящие на складе, теряют активность. Наивысшая эффективность достигается при свежем производстве — что и делает получение хлорноватистой кислоты в месте потребления, методом электрохимической активации, наиболее обоснованным решением.