混合酸化剤

混合酸化剤溶液（MOS）は、水中の消毒、殺菌、病原微生物の除去など、多くの用途がある消毒剤の一種です。 ^[1] MOSには、高い消毒力、水中の残留塩素の安定性、バイオフィルムの除去、安全性などの利点があります。^[2] MOSの主成分は塩素とその誘導体（ClO-およびHClO ）で、塩化ナトリウムの電気分解によって生成されます。^[3]また、多量のヒドロキシラジカル、二酸化塩素、溶解オゾン、過酸化水素、酸素^が含まれていることもあり、「混合酸化剤」という名前はこれに由来しています。

混合酸化剤溶液（MOS）は、オンサイト電気分解によって生成される。消毒剤出力の濃度は、入力塩濃度、電圧、温度、電流、および電気分解時間に比例する。^[4] MOS製造システムには、耐腐食性 電極または寸法安定性陽極（DSA）が含まれており、異なる部分に同時に異なる電気分解電圧が適用されるようになっている。このようにして、陽極と陰極で異なる反応が起こり、さまざまな酸化物質が生成される。^[5]

このプロセスでは、陽極の塩化物 イオンが塩素ガスに変換されます。溶液中のClO-^とCl2化合物の存在下で塩化物イオンの濃度を下げ、必要な条件を適用すると、ClO2_が生成され、最終溶液が保存されます。^[6]

オゾンを生成するには、水の電気分解反応の条件を整える必要があります。この場合、以下の半反応が起こります（以下に示す）。陰極で水素ガスが、陽極で酸素ガスが生成されます。電圧を上げると、陽極の半反応が変化し、オゾンが生成されます。^[7]

オゾン生成速度は電気分解反応器の条件によって左右される。持続反応はオゾン飽和溶液を生成することができるが、オゾンの溶解度は他のイオンの濃度に依存する。^[8]

次の段階では、反応条件をほとんど変えずに過酸化水素が生成される。過酸化水素とオゾンは異なる半反応によって生成されるが、実際にはそれぞれが発生する可能性がある。^[6]

電圧、電流、濃度、 pH、温度、流量、圧力などのさまざまな条件の変化によって標準還元電位が変化し、その結果、さまざまな反応の速度が変化します。しかし、反応器内の電極の範囲によって電解質の複数の層が形成され、電極表面の状態が不均一になると、半反応の標準的なモードに大きな変化が生じます。^[7]

混合酸化剤製造セルの基本は、塩化ナトリウム水溶液の電気分解です。混合酸化剤溶液の製造には、膜セルや標準接触セル（単極と双極の両方）などのさまざまなタイプの電解セルが使用されます。^[9]

このセルは、陽極と陰極の電極と、その間にイオン交換膜が挟まれた構造になっています。この膜は陽イオンを通過させて陰極に導きます。^[10]このセルには水用の入力と出力が2つあります。入力と出力の1組は陰極側にあり、もう1組は陽極側にあります。^[11]

特定のセルには様々なタイプの膜が使用されています。陽イオンと陰イオンを両側で輸送できるイオン交換膜を使用するものもあります。これらのセルでは、片側から塩水が導入され、反対側から水が供給されます。^[12]

陰極室での半反応は次のようになります。

2NaCl + 2H ₂ O + 2e ⁻ → 2 NaOH + 2Cl ⁻ + H ₂

陽極側では、水の電気分解により、塩化物イオンの一部が酸化され、通過する水中に Cl ₂、 HOCl 、および少量の ClO _{2の形で溶解します。陽極側では少量のオゾンと}酸素ガスが生成されます。陽極側での主な半反応は次のとおりです。

2Cl ⁻ → 2e ⁻ + Cl ₂

Cl ⁻ + H ₂ O → HClO + H ⁺ + 2e ⁻

水が陽極室を通過すると、塩素とその化合物が溶解します。この混合物を必要量水に加えることで、水を浄化することができます。膜反応器の陽極室から出る溶液は酸性で、pHは約2〜3です。陽極での腐食に耐性のある固定チタン電極は、この種の電解セルに適しています。^[13]

膜のないセルの構造は膜セルに似ていますが、塩水入力が 1 つと生成物の出力が 1 つある点が異なります。この場合、陽極と陰極の生成物は混合され、セルの出力に送られます。生成された溶液の pH は 8 ～ 9 程度であるため、この溶液を消毒に使用することは、塩基に敏感な用途には適さない可能性があります。このような状況では、酸性溶液を加えて pH を下げます。このタイプのセルは、以下に説明するように、単極性または双極性になります。^[14]

複数の陽極と陰極のペアを持つ電解セルには、単極と双極の 2 種類の配置があります。

単極配置：セルは並列に配置されているため、陽極と陰極のペア間の電位差は同じです。合計電流は各ペアの電流の合計に等しく、電圧は1つのペアの電圧に等しくなります。この場合、システム全体の電圧は低く、電流は高くなります。^[14]

双極配列：セルは直列に接続されています。^[14]双極配列には複数の構成があります。1つのケースでは、片側の中央電極が陽極として機能し、もう一方の側が陰極として機能します。他のケースでは、両側の電極板の半分が陽極で、残りの半分が陰極です。

混合酸化剤溶液を水の消毒に使用すると、次亜塩素酸ナトリウム漂白剤や次亜塩素酸カルシウムなどの他の方法に比べていくつかの利点があります。混合酸化剤を使用した消毒効果は、塩素処理やオゾン処理などの他の方法よりも効果的で、安全性の懸念も少なくなっています。一般的に、より安全でリスクが少ないと考えられています。消毒方法の比較の概要を以下の表に示します。^[15]

次の表では、混合酸化剤と漂白剤の細菌やウイルスの不活性化効果を比較しています。多くの場合、混合酸化剤は、より多くの病原体を不活性化し、接触時間が短く、漂白剤よりも少ない製品で済むため、病原体に対してより効果的です。^[16] MOSはまた、漂白剤よりも多くの細菌やウイルスに対して効果的です。^[16]

混合酸化剤生成セルは、一般的に膜の有無にかかわらず機能します。これらの構造にはそれぞれ、考慮すべき長所と短所があります。膜なしセルの出力には、 pH を上げる水酸化物イオンが含まれているため、出力生成物の組成に影響します。pH を中性範囲に保つには、消毒水に塩酸または硫酸を追加する必要があります。この種のセルの主な生成物は次亜塩素酸ナトリウムです。一方、膜が 1 つのセルでは、陽極出力 (陽極液) は酸性で、陰極出力 (陰極液) は塩基性です。陽極液 (酸性溶液) には 4 種類以上の酸化剤が含まれており、消毒をより効果的にすることができます。これら 2 つの異なるセルの出力成分を以下の表で比較します。^[14]

pH が 5 を超えると、次亜塩素酸のほとんどが次亜塩素酸イオンに変わります。これは次亜塩素酸に比べて弱い酸化剤です。さらに、膜セルでは、オゾン、二酸化塩素、過酸化水素などの他の強力な酸化剤が生成され、給水システムや容器内の細菌を殺し、バイオフィルムを^{除去するのに効果的}です。

現在、膜セルシステムは、クロルアルカリ製造技術の中で最も有望かつ急速に発展している技術の1つであり（クロルアルカリプロセスを参照）、間違いなく他の技術に取って代わるでしょう。1987年以降、世界中のほぼすべての新しいクロルアルカリ工場で膜システムが導入されています。しかし、寿命が長く交換コストが高いため、既存の水銀セルと隔膜セルは、非常にゆっくりとしか膜セルに置き換えられていません。^[14]

水処理用の混合酸化剤溶液は、安全性の向上、一般的な腐食速度の低下、性能の向上、コストの節約につながります。MOS は漂白剤よりも効果的で、さまざまな用途に使用できます。これらの用途のいくつかを以下に示します。

冷却水処理：工業用冷却水処理および消毒用のMOSは、安全性と熱効率を向上させ、一般的な腐食速度を低下させ、性能を高め、コストを節約し、ダウンタイム、メンテナンス、および費用を削減します。さらに、安定した微生物学的制御を維持しながら、危険な化学物質の取り扱いと保管を排除することで、職場の安全性を向上させることができます。 ^[17]

冷却塔水処理：MOSは、レジオネラ菌の予防、バイオフィルムの除去、およびその他の性能阻害性水性生物の不活性化のための従来の殺生物剤処理方法と比較して、冷却塔の効率、安全性、およびコストを改善します。 ^[18]

工業用プロセス水および廃水処理：プロセス水および廃水を排出する前に消毒および酸化するための塩素の最も低コストの供給源として、MOSが工業用廃水処理に使用されています。MOS化学はバイオフィルムの制御に効果的です。生化学的および化学的酸素要求量除去、アンモニアのブレークポイント塩素処理、硫化水素の除去。^[19]

都市下水：世界で最も貴重な天然資源の一つとして、水の再利用はますます重要になっています。MOSは、最も費用対効果の高いソリューションであり、廃水を消毒・酸化して再利用または環境への再導入するための推奨技術であり、従来の塩素消毒に伴う多くの悪影響を排除します。^[19]

飲料水および飲料施設：MOSは、飲料水の品質と安全性を向上させ、大幅な経済的な節約をもたらすことが実証されている消毒剤です。清潔で安全な飲料水の提供は、農村地域から大都市まで多岐にわたります。また、食品および飲料施設でも清潔で安全な水を提供しています。炭酸 飲料の瓶詰め、醸造、酪農場、乳製品および食品加工用途に最適です。^[20]

水泳とプール:プールの清掃に塩素の代わりになるものとしてMOSがあります。MOSは、塩素によく伴う皮膚や目の炎症、皮膚の赤みや乾燥を軽減します。また、MOSは塩素に比べて「ショック」やプールの排水の必要性が最小限に抑えられるか不要になるため、メンテナンスの時間とコストを削減できます。^[21]

農場での用途：農場でのMOSの消毒ニーズは多く、家畜の給水、飲料水の消毒、酪農、搾乳作業、乳頭の前後の浸漬、CIP消毒、家禽の冷却および加湿パッド処理、灌漑および点滴ラインの洗浄、給水からの鉄分およびマンガンの除去などがある。 ^[19]

原油・ガス水管理：石油増進回収には、ほとんどの場合、何らかの水処理プロセスが伴います。原油・ガス産業における水処理技術には、生産水、フラッキング水、廃棄井戸の消毒処理、石油増進回収、硫化水素除去などが含まれます。^[22]