stringtranslate.com

Монохлорамин

Монохлорамин , часто называемый хлорамином , представляет собой химическое соединение с формулой NH 2 Cl. Вместе с дихлорамином (NHCl 2 ) и трихлоридом азота (NCl 3 ) он является одним из трех хлораминов аммиака . [3] Это бесцветная жидкость с температурой плавления -66 °C (-87 °F), но обычно с ней обращаются как с разбавленным водным раствором , в таком виде его 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]

Дезинфекция питьевой воды

Хлорамин обычно используется в низких концентрациях в качестве вторичного дезинфицирующего средства в муниципальных системах водоснабжения в качестве альтернативы хлорированию . Это приложение растет. Хлор (называемый при очистке воды свободным хлором) заменяется хлорамином, а точнее монохлорамином, который гораздо менее реакционноспособен и не рассеивается так быстро, как свободный хлор. Хлорамин также имеет гораздо меньшую, но все же активную склонность, чем свободный хлор, превращать 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 уровень в питьевой воде в США . [6]

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

Из-за его кислой природы добавление хлорамина в воду может увеличить воздействие свинца в питьевой воде , особенно в районах со старым жильем; такое воздействие может привести к повышению уровня свинца в кровотоке , что может представлять значительный риск для здоровья. К счастью, на водоочистных станциях можно добавлять едкие химикаты, которые преследуют двойную цель: снизить коррозионную активность воды и стабилизировать дезинфицирующее средство. [8]

Дезинфекция бассейна

В плавательных бассейнах хлорамины образуются в результате реакции свободного хлора с аминогруппами , присутствующими в органических веществах , преимущественно биологического происхождения (например, мочевина в поте и моче ). Хлорамины, по сравнению со свободным хлором, менее эффективны в качестве дезинфицирующего средства и, при неправильном обращении, более раздражают глаза пловцов. Хлорамины ответственны за характерный запах «хлора» в плавательных бассейнах, который люди часто ошибочно приписывают 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] Есть также доказательства того, что воздействие хлорамина может способствовать развитию респираторных заболеваний , включая астму , у пловцов . [12] Респираторные проблемы, связанные с воздействием хлорамина, широко распространены среди соревнующихся пловцов. [13]

Хотя характерный запах хлорамина некоторые описывают как приятный и даже ностальгический, [14] его образование в воде бассейна в результате воздействия хлора на физиологические жидкости можно свести к минимуму, поощряя принимать душ и использовать другие гигиенические методы перед входом в бассейн . 15] , а также воздерживаться от купания при заболеваниях органов пищеварения и делать перерывы для посещения туалета. [16] [17]

Безопасность

Стандарты качества питьевой воды Агентства по охране окружающей среды США ограничивают концентрацию хлорамина в общественных системах водоснабжения до 4 частей на миллион (ppm) на основе среднегодового значения всех проб в распределительной системе. Чтобы соблюсти ограничения, установленные Агентством по охране окружающей среды (EPA) на галогенированные побочные продукты дезинфекции , многие коммунальные предприятия переходят с хлорирования на хлораминирование . Хотя хлораминирование дает меньше регулируемых общих галогенированных побочных продуктов дезинфекции, оно может производить более высокие концентрации нерегулируемых йодсодержащих 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, перешёл с хлора на монохлорамин, что привело к выщелачиванию свинца из незаменённых труб. Число младенцев с повышенным уровнем свинца в крови выросло примерно в десять раз, а смертность плода, по одной из оценок, выросла на 32–63%. [20]

Трентон, штат Миссури, сделал то же самое, в результате чего около четверти проверенных домохозяйств превысили допустимые нормы содержания свинца в питьевой воде Агентства по охране окружающей среды в период с 2017 по 2019 год. Только в 2016 году у 20 детей был обнаружен положительный результат на отравление свинцом. [20] В 2023 году профессор Технологического института Вирджинии Марк Эдвардс заявил, что скачки содержания свинца происходят при нескольких переключениях систем водоснабжения в год из-за отсутствия достаточной подготовки и отсутствия демонтажа свинцовых труб. [20] Недостаточная осведомленность коммунальных предприятий о том, что свинцовые трубы все еще используются, также является частью проблемы; Агентство по охране окружающей среды потребовало от всех предприятий водоснабжения в США подготовить полную инвентаризацию свинцовых труб к 16 октября 2024 года. [21]

Синтез и химические реакции

Хлорамин — крайне нестабильное соединение в концентрированной форме. Чистый хлорамин бурно разлагается при температуре выше -40 ° C (-40 ° F). [22] Газообразный хлорамин при низких давлениях и низких концентрациях хлорамина в водном растворе термически немного более стабилен. Хлорамин хорошо растворим в воде и эфире , но хуже растворим 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 этапом процесса синтеза гидразина по методу Олина Рашига . Реакцию следует проводить в слабощелочной среде ( рН  8,5–11). Действующим хлорирующим агентом в этой реакции является хлорноватистая кислота (HOCl), которая образуется путем протонирования гипохлорита , а затем вступает в реакцию нуклеофильного замещения гидроксила по аминогруппе . Реакция протекает 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 дальше не реагируют.

Раствор хлорамина можно концентрировать путем вакуумной перегонки и пропускания паров через карбонат калия , который поглощает воду. Хлорамин можно экстрагировать эфиром.

Газообразный хлорамин можно получить реакцией газообразного аммиака с газообразным хлором (разбавленным газообразным азотом ):

2 NH 3 + Cl 2 ⇌ NH 2 Cl + NH 4 Cl

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 + H 2 O ⇌ RR’NH + HOCl

Количественная константа гидролиза ( величина К ) используется для выражения бактерицидной силы хлораминов, которая зависит от образования ими хлорноватистой кислоты в воде. Оно выражается уравнением, приведенным 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 диазот и хлорид аммония в нейтральной или слабощелочной (рН ≤ 11) среде:

3 NH 2 Cl → N 2 + NH 4 Cl + 2 HCl

Однако лишь несколько процентов 0,1  М раствора хлорамина в воде разлагаются по формуле за несколько недель. При значениях pH выше 11 медленно протекает следующая реакция с гидроксид-ионами :

3 NH 2 Cl + 3 OH − → NH 3 + N 2 + 3 Cl − + 3 H 2 O

В кислой среде при значениях pH около 4 хлорамин диспропорционируется с образованием дихлорамина , который, в свою очередь, снова диспропорционируется 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 распадом обоих соединений:

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

Реакции

В воде хлорамин имеет pH-нейтральный уровень. Является окислителем (кислый раствор: Е ° = +1,48 В , в основном растворе Е ° = +0,81 В ): [5]

NH 2 Cl + 2 H + + 2  e − → NH+
4+ Cl −

Реакции хлорамина включают радикальное , нуклеофильное и электрофильное замещение хлора, электрофильное замещение водорода и окислительное присоединение .

Хлорамин, как и хлорноватистая кислота, может отдавать положительно заряженный хлор в реакциях с нуклеофилами (Nu - ):

Nu − + NH 3 Cl + → NuCl + NH 3

Примеры реакций хлорирования включают 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:

NH 2 Cl + NH 3 + NaOH → N 2 H 4 + NaCl + H 2 O

Хлорамин электрофильно аминирует себя в нейтральных и щелочных средах, начиная его разложение:

2 NH 2 Cl → N 2 H 3 Cl + HCl

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

3 NH 2 Cl → N 2 + NH 4 Cl + 2 HCl

Монохлорамин окисляет сульфгидрилы и дисульфиды так же, как хлорноватистая кислота [24] , но обладает лишь 0,4% биоцидного действия HClO. [25]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "ХЛОРАМИН". КАМЕО Химические вещества . НОАА.
  2. ^ ab «Тригидрат хлорамина T, 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. Издательство Кембриджского университета. п. 172. ИСБН 9780521782845.
  5. ^ abcd Хаммерл, Антон; Клапотке, 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.). «Образование и контроль появления побочных продуктов дезинфекции, представляющих опасность для здоровья». Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . Философские труды Королевского общества. 367 (1904): 4077–95. Бибкод : 2009RSPTA.367.4077K. дои : 10.1098/rsta.2009.0108 . ПМИД  19736234.
  8. ^ Мари Линн Миранда; и другие. (февраль 2007 г.). «Изменения уровня свинца в крови, связанные с использованием хлораминов в системах очистки воды». Перспективы гигиены окружающей среды . 115 (2): 221–5. дои : 10.1289/ehp.9432. ПМК 1817676 . ПМИД  17384768. 
  9. ^ Донеган, Фрэн Дж.; Дэвид Шорт (2011). Бассейны и СПА . Река Аппер-Седл, Нью-Джерси: креативный домовладелец. ISBN 978-1-58011-533-9.
  10. ^ «Контроль хлораминов в закрытых плавательных бассейнах». Правительство Нового Южного Уэльса. Архивировано из оригинала 3 апреля 2011 г. Проверено 15 февраля 2013 г.
  11. ↑ Хейл, Крис (20 апреля 2016 г.). «Информация об обслуживании бассейна». В голубые бассейны . Проверено 22 апреля 2016 г.
  12. ^ Буго, Валери; и другие. (2009). «Дыхательная система пловцов». Спортивная медицина . 39 (4): 295–312. дои : 10.2165/00007256-200939040-00003. PMID  19317518. S2CID  26017985.
  13. ^ Левеск, Бенуа; Дюшен, Жан-Франсуа; Гинграс, Сюзанна; Лавуа, Роберт; Прюд'Хомм, Денис; Бернар, Эммануэль; Буле, Луи-Филипп; Эрнст, Пьер (01 октября 2006 г.). «Детерминанты распространенности жалоб на здоровье среди молодых соревнующихся пловцов». Международные архивы гигиены труда и окружающей среды . 80 (1): 32–39. дои : 10.1007/s00420-006-0100-0. PMID  16586082. S2CID  21688495.
  14. ^ «Запах хлора: ностальгический или вредный?». Подогрев термального бассейна Rheem . 22 августа 2016 г. Проверено 22 ноября 2020 г.
  15. ^ «Хлорамины: понимание «запаха бассейна»» . chromine.americanchemistry.com . Проверено 22 ноября 2020 г.
  16. ^ «По данным CDC, запах хлора из бассейнов на самом деле может указывать на наличие в воде телесных жидкостей» . Суета . Проверено 22 ноября 2020 г.
  17. ^ «Химическое раздражение глаз и легких | Здоровое плавание | Здоровая вода | CDC» . www.cdc.gov . 15 мая 2019 г. Проверено 22 ноября 2020 г.
  18. ^ Краснер, Стюарт В.; Вайнберг, Ховард С.; Ричардсон, Сьюзен Д.; Пастор Сальвадор Дж.; Чинн, Рассел; Склименти, Майкл Дж.; Онстад, Гретхен Д.; Трастон, Альфред Д. (2006). «Появление нового поколения побочных продуктов дезинфекции». Экологические науки и технологии . 40 (23): 7175–7185. дои : 10.1021/es060353j. PMID  17180964. S2CID  41960634.
  19. ^ Аб Ричардсон, Сьюзен Д.; Плева, Майкл Дж.; Вагнер, Элизабет Д.; Шени, Рита; ДеМарини, Дэвид М. (2007). «Наличие, генотоксичность и канцерогенность регулируемых и появляющихся побочных продуктов дезинфекции в питьевой воде: обзор и дорожная карта исследований». Исследования мутаций/обзоры исследований мутаций . 636 (1–3): 178–242. doi :10.1016/j.mrrev.2007.09.001. ПМИД  17980649.
  20. ^ abc Эллисон Кайт (20 июля 2022 г.). «Свинцовые трубы «бомбы замедленного действия» будут демонтированы. Но сначала водоканалы должны их найти». ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР . Отдел новостей Среднего Запада.
  21. ^ «Усовершенствования правил по свинцу и меди».
  22. ^ Холлеман, А.Ф.; Виберг, Э. «Неорганическая химия» Academic Press: Сан-Диего, 2001. ISBN 0-12-352651-5 . 
  23. ^ Ура, Ясуказу; Саката, Гозио (2007). «Хлороамины». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Вайнхайм: Wiley-VCH. п. 5. ISBN 978-3527306732.
  24. ^ Джаканджело, JG; Оливьери, вице-президент; Кавата, К. (1987). «Окисление сульфгидрильных групп монохлорамином». Вода Рес . 21 (11): 1339–1344. дои : 10.1016/0043-1354(87)90007-8.
  25. ^ Моррис, JC (1966). «Будущее хлорирования». Варенье. Ассоциация водопроводных работ . 58 (11): 1475–1482. doi :10.1002/j.1551-8833.1966.tb01719.x.

Внешние ссылки