stringtranslate.com

Монохлорамин

Монохлорамин , часто называемый хлорамином , является химическим соединением с формулой NH2Cl . Вместе с дихлорамином (NHCl2 ) и трихлоридом азота (NCl3 ) он является одним из трех хлораминов аммиака . [3] Это бесцветная жидкость при температуре плавления -66 °C (-87 °F), но обычно с ней обращаются как с разбавленным водным раствором , в таком виде ее иногда используют в качестве дезинфицирующего средства . Хлорамин слишком нестабилен, чтобы измерить его температуру кипения . [4]

Очистка воды

Хлорамин используется в качестве дезинфицирующего средства для воды. Он менее агрессивен, чем хлор , и более устойчив к свету, чем гипохлориты . [5]

Обеззараживание питьевой воды

Хлорамин обычно используется в низких концентрациях в качестве вторичного дезинфицирующего средства в муниципальных системах распределения воды в качестве альтернативы хлорированию . Это применение растет. Хлор (называемый в водоподготовке свободным хлором) вытесняется хлорамином, а точнее, монохлорамином, который гораздо менее реактивен и не рассеивается так быстро, как свободный хлор. Хлорамин также имеет гораздо более низкую, но все же активную тенденцию, чем свободный хлор, преобразовывать органические материалы в хлоруглероды, такие как хлороформ и четыреххлористый углерод . Такие соединения были идентифицированы как канцерогены , и в 1979 году Агентство по охране окружающей среды США (EPA) начало регулировать их уровни в питьевой воде США . [6]

Некоторые из нерегулируемых побочных продуктов могут представлять большую опасность для здоровья, чем регулируемые химические вещества. [7]

Из-за своей кислотной природы добавление хлорамина в водоснабжение может увеличить воздействие свинца в питьевой воде , особенно в районах со старым жильем; это воздействие может привести к повышению уровня свинца в кровотоке , что может представлять значительный риск для здоровья. К счастью, водоочистные сооружения могут добавлять едкие химикаты на заводе, которые имеют двойную цель: снижение коррозионной активности воды и стабилизацию дезинфицирующего средства. [8]

Дезинфекция бассейна

В плавательных бассейнах хлорамины образуются в результате реакции свободного хлора с аминогруппами , присутствующими в органических веществах , в основном биологического происхождения (например, мочевина в поте и моче ). Хлорамины, по сравнению со свободным хлором, менее эффективны в качестве дезинфицирующего средства и, если с ними не обращаться правильно, более раздражают глаза пловцов. Хлорамины ответственны за характерный «хлорный» запах плавательных бассейнов, который общественность часто ошибочно приписывает элементарному хлору. [9] [10] Некоторые наборы для тестирования бассейнов, предназначенные для использования домовладельцами, не различают свободный хлор и хлорамины, что может вводить в заблуждение и приводить к неоптимальным уровням хлораминов в воде бассейна. [11] Также имеются данные о том, что воздействие хлорамина может способствовать возникновению респираторных заболеваний , включая астму , у пловцов . [12] Респираторные заболевания, связанные с воздействием хлорамина, распространены и распространены среди профессиональных пловцов. [13]

Хотя некоторые описывают характерный запах хлорамина как приятный и даже ностальгический, [14] его образование в воде бассейна в результате воздействия хлора на биологические жидкости можно свести к минимуму, поощряя принятие душа и другие методы гигиены перед входом в бассейн, [15] а также воздерживаясь от плавания при наличии заболеваний пищеварительной системы и делая перерывы для посещения туалета, вместо того чтобы просто мочиться в бассейне. [16] [17]

Безопасность

Стандарты качества питьевой воды Агентства по охране окружающей среды США ограничивают концентрацию хлорамина для общественных систем водоснабжения до 4 частей на миллион (ppm) на основе среднегодового значения всех образцов в распределительной системе. Чтобы соответствовать регулируемым EPA пределам для галогенированных побочных продуктов дезинфекции , многие коммунальные службы переходят с хлорирования на хлораминирование . Хотя хлораминирование производит меньше регулируемых общих галогенированных побочных продуктов дезинфекции, оно может производить более высокие концентрации нерегулируемых йодированных побочных продуктов дезинфекции и N -нитрозодиметиламина . [18] [19] Было показано, что как йодированные побочные продукты дезинфекции, так и N -нитрозодиметиламин являются генотоксичными , вызывая повреждение генетической информации внутри клетки, что приводит к мутациям , которые могут привести к раку . [19]

Случаи отравления свинцом

В 2000 году Вашингтон, округ Колумбия , перешел с хлора на монохлорамин, что привело к выщелачиванию свинца из не замененных труб. Количество младенцев с повышенным уровнем свинца в крови возросло примерно в десять раз, а по одной из оценок, внутриутробная смерть выросла от 32% до 63%. [20]

Трентон, штат Миссури, сделал то же самое переключение, в результате чего около четверти проверенных домохозяйств превысили установленные Агентством по охране окружающей среды пределы содержания свинца в питьевой воде в период с 2017 по 2019 год. Только в 2016 году 20 детей сдали положительный тест на отравление свинцом. [20] В 2023 году профессор Технологического университета Вирджинии Марк Эдвардс сказал, что всплески свинца происходят при нескольких переключениях систем водоснабжения в год из-за отсутствия достаточной подготовки и отсутствия удаления свинцовых труб. [20] Неосведомленность коммунальных служб о том, что свинцовые трубы все еще используются, также является частью проблемы; Агентство по охране окружающей среды потребовало от всех коммунальных служб водоснабжения в Соединенных Штатах подготовить полную инвентаризацию свинцовых труб к 16 октября 2024 года. [21]

Синтез и химические реакции

Хлорамин является крайне нестабильным соединением в концентрированной форме. Чистый хлорамин бурно разлагается при температуре выше −40 °C (−40 °F). [22] Газообразный хлорамин при низком давлении и низких концентрациях хлорамина в водном растворе термически немного более стабилен. Хлорамин легко растворяется в воде и эфире , но хуже растворяется в хлороформе и четыреххлористом углероде . [5]

Производство

В разбавленном водном растворе хлорамин получают реакцией аммиака с гипохлоритом натрия : [5]

NH 3 + NaOCl → NH 2 Cl + NaOH

Эта реакция также является первым шагом процесса Олина-Рашига для синтеза гидразина . Реакция должна проводиться в слабощелочной среде ( pH  8,5–11). Действующим хлорирующим агентом в этой реакции является хлорноватистая кислота (HOCl), которая должна быть получена путем протонирования гипохлорита , а затем реагирует в нуклеофильном замещении гидроксила против аминогруппы . Реакция происходит быстрее всего при pH около 8. При более высоких значениях pH концентрация хлорноватистой кислоты ниже, при более низких значениях pH аммиак протонируется с образованием ионов аммония ( NH+
4), которые далее не реагируют.

Раствор хлорамина можно концентрировать вакуумной перегонкой и пропусканием паров через карбонат калия , который поглощает воду. Хлорамин можно извлечь эфиром.

Газообразный хлорамин можно получить в результате реакции газообразного аммиака с газообразным хлором (разбавленным газообразным азотом ):

2NH3 + Cl2 ⇌ NH2Cl + NH4Cl​​​

Чистый хлорамин можно получить, пропуская фторамин через хлорид кальция :

2 NH 2 F + CaCl 2 → 2 NH 2 Cl + CaF 2

Разложение

Ковалентные связи N−Cl хлораминов легко гидролизуются с выделением хлорноватистой кислоты : [ 23]

RR′NCl + H2O ⇌ RR′NH + HOCl

Количественная константа гидролиза ( значение K ) используется для выражения бактерицидной силы хлораминов, которая зависит от их способности генерировать хлорноватистую кислоту в воде. Она выражается уравнением ниже и обычно находится в диапазоне от 10−4 до 10−10 (2,8 × 10 −10 для монохлорамина):

В водном растворе хлорамин медленно разлагается на молекулярный азот и хлорид аммония в нейтральной или слабощелочной (pH ≤ 11) среде:

3NH2Cl → N2 + NH4Cl + 2HCl

Однако только несколько процентов 0,1  М раствора хлорамина в воде разлагается по формуле в течение нескольких недель. При значениях pH выше 11 медленно происходит следующая реакция с гидроксид-ионами :

3NH2Cl + 3OH − → NH3 + N2 + 3Cl− + 3H2O​

В кислой среде при значениях pH около 4 хлорамин диспропорционирует с образованием дихлорамина , который, в свою очередь, снова диспропорционирует при значениях pH ниже 3 с образованием трихлорида азота :

2 NH 2 Cl + H + ⇌ NHCl 2 + NH+
4
3 NHCl 2 + H + ⇌ 2 NCl 3 + NH+
4

При низких значениях pH доминирует трихлорид азота, а при pH 3–5 — дихлорамин. Эти равновесия нарушаются необратимым разложением обоих соединений:

NHCl 2 + NCl 3 + 2 H 2 O → N 2 + 3 HCl + 2 HOCl

Реакции

В воде хлорамин имеет нейтральный pH. Он является окислителем ( в кислом растворе E ° = +1,48 В , в щелочном растворе E ° = +0,81 В ): [5]

NH2Cl + 2H + +  2e− → NH​+
4+ Cl −

Реакции хлорамина включают радикальное , нуклеофильное и электрофильное замещение хлора, электрофильное замещение водорода и окислительные присоединения .

Хлорамин может, подобно хлорноватистой кислоте, отдавать положительно заряженный хлор в реакциях с нуклеофилами (Nu− ) :

Nu − + NH 3 Cl + → NuCl + NH 3

Примерами реакций хлорирования являются превращения в дихлорамин и трихлорид азота в кислой среде, как описано в разделе разложения.

Хлорамин также может аминировать нуклеофилы ( электрофильное аминирование ):

Nu − + NH 2 Cl → NuNH 2 + Cl −

Аминирование аммиака хлорамином с образованием гидразина является примером этого механизма, наблюдаемого в процессе Олина-Рашига:

NH2Cl + NH3 + NaOH → N2H4 + NaCl + H2O

Хлорамин электрофильно аминирует сам себя в нейтральной и щелочной среде, что приводит к его разложению:

2NH2Cl → N2H3Cl + HCl​​

Образующийся при самораспаде хлоргидразин (N 2 H 3 Cl) нестабилен и сам разлагается, что приводит к суммарной реакции разложения:

3NH2Cl → N2 + NH4Cl + 2HCl

Монохлорамин окисляет сульфгидрилы и дисульфиды таким же образом, как и хлорноватистая кислота, [24], но обладает только 0,4% биоцидного эффекта HClO. [25]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "ХЛОРАМИН". CAMEO Chemicals . NOAA.
  2. ^ ab "Хлорамин Т тригидрат SDS". Фишер .[ постоянная мертвая ссылка ]
  3. ^ Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  4. ^ Лоуренс, Стивен А. (2004). Амины: синтез, свойства и применение. Cambridge University Press. стр. 172. ISBN 9780521782845.
  5. ^ abcd Хаммерл, Антон; Клапётке, Томас М. (2005), «Азот: неорганическая химия», Энциклопедия неорганической химии (2-е изд.), Wiley, стр. 55–58
  6. ^ "Говинфо" (PDF) .
  7. ^ Стюарт В. Краснер (13 октября 2009 г.). «Формирование и контроль возникающих побочных продуктов дезинфекции, представляющих опасность для здоровья». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и инженерные науки . 367 (1904 г.). Философские труды Королевского общества: 4077–95. Bibcode : 2009RSPTA.367.4077K. doi : 10.1098/rsta.2009.0108 . PMID  19736234.
  8. ^ Мари Линн Миранда и др. (февраль 2007 г.). «Изменения уровня свинца в крови, связанные с использованием хлораминов в системах очистки воды». Перспективы охраны окружающей среды . 115 (2): 221–5. doi :10.1289/ehp.9432. PMC 1817676. PMID  17384768 . 
  9. ^ Донеган, Фрэн Дж.; Дэвид Шорт (2011). Бассейны и спа . Верхняя Сэддл-Ривер, Нью-Джерси: Творческий домовладелец. ISBN 978-1-58011-533-9.
  10. ^ "Контроль хлораминов в закрытых плавательных бассейнах". Правительство Нового Южного Уэльса. Архивировано из оригинала 2011-04-03 . Получено 2013-02-15 .
  11. ^ Хейл, Крис (20 апреля 2016 г.). «Информация об обслуживании бассейнов». Into The Blue Pools . Получено 22 апреля 2016 г.
  12. ^ Буго, Валери и др. (2009). «Дыхательное здоровье пловцов». Спортивная медицина . 39 (4): 295–312. doi :10.2165/00007256-200939040-00003. PMID  19317518. S2CID  26017985.
  13. ^ Левек, Бенуа; Дюшен, Жан-Франсуа; Жингра, Сюзанна; Лавуа, Робер; Прюдом, Дени; Бернар, Эммануэль; Буле, Луи-Филипп; Эрнст, Пьер (2006-10-01). «Детерминанты распространенности жалоб на здоровье среди молодых профессиональных пловцов». Международный архив охраны труда и окружающей среды . 80 (1): 32–39. doi :10.1007/s00420-006-0100-0. PMID  16586082. S2CID  21688495.
  14. ^ «Запах хлора: ностальгический или вредный?». Отопление термального бассейна Rheem . 2016-08-22 . Получено 2020-11-22 .
  15. ^ "Хлорамины: понимание "запаха бассейна"". chloron.americanchemistry.com . Получено 22.11.2020 .
  16. ^ «Запах хлора в бассейнах на самом деле может указывать на присутствие в воде биологических жидкостей, согласно данным CDC». Bustle . Получено 22.11.2020 .
  17. ^ «Химическое раздражение глаз и легких | Здоровое плавание | Здоровая вода | CDC». www.cdc.gov . 2019-05-15 . Получено 2020-11-22 .
  18. ^ Краснер, Стюарт В.; Вайнберг, Говард С.; Ричардсон, Сьюзан Д.; Пастор, Сальвадор Дж.; Чинн, Рассел; Склименти, Майкл Дж.; Онстад, Гретхен Д.; Трастон, Альфред Д. (2006). «Возникновение нового поколения побочных продуктов дезинфекции». Environmental Science & Technology . 40 (23): 7175–7185. doi :10.1021/es060353j. PMID  17180964. S2CID  41960634.
  19. ^ ab Richardson, Susan D.; Plewa, Michael J.; Wagner, Elizabeth D.; Schoeny, Rita; DeMarini, David M. (2007). «Возникновение, генотоксичность и канцерогенность регулируемых и новых побочных продуктов дезинфекции в питьевой воде: обзор и дорожная карта для исследования». Mutation Research/Reviews in Mutation Research . 636 (1–3): 178–242. doi :10.1016/j.mrrev.2007.09.001. PMID  17980649.
  20. ^ abc Allison Kite (20 июля 2022 г.). «Свинцовые трубы — «бомбы замедленного действия» — будут удалены. Но сначала их должны найти водоканалы». NPR . Midwest Newsroom.
  21. ^ «Улучшения правил по свинцу и меди». 4 мая 2022 г.
  22. ^ Холлеман, А. Ф.; Виберг, Э. «Неорганическая химия» Academic Press: Сан-Диего, 2001. ISBN 0-12-352651-5 . 
  23. ^ Ура, Ясуказу; Саката, Гозио (2007). «Хлорамины». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. п. 5. ISBN 978-3527306732.
  24. ^ Jacangelo, JG; Olivieri, VP; Kawata, K. (1987). «Окисление сульфгидрильных групп монохлорамином». Water Res . 21 (11): 1339–1344. doi :10.1016/0043-1354(87)90007-8.
  25. ^ Моррис, Дж. К. (1966). «Будущее хлорирования». J. Am. Water Works Assoc . 58 (11): 1475–1482. doi :10.1002/j.1551-8833.1966.tb01719.x.

Внешние ссылки