Monochloramine – Chloramine

Định nghĩa Monochloramine chloramine

Monochloramine, thường được gọi đơn giản là chloramine, là hợp chất hóa học có công thức NH2Cl. Cùng với dichloramine (NHCl 2) và triclorua nitơ (NCL 3), nó là một trong ba chloramines của amoniac.  Nó là một chất lỏng không màu ở nhiệt độ nóng chảy -66 ° C (-87 ° F), nhưng nó thường được xử lý như một dung dịch nước loãng, ở dạng này, nó đôi khi được sử dụng như một chất khử trùng. Chloramine quá không ổn định để đo điểm sôi của nó.

Chloramine dùng để xử lý nước

Chloramine được sử dụng như một chất khử trùng cho nước. Nó ít xâm thực hơn clo và bền hơn với ánh sáng so với hypoclorit.

Chloramine dùng khử trùng nước uống

Chloramine thường được sử dụng ở nồng độ thấp như một chất khử trùng thứ cấp trong hệ thống phân phối nước thành phố như một chất thay thế cho quá trình khử trùng bằng clo . Ứng dụng này đang tăng lên. Clo (được gọi trong xử lý nước là clo tự do) đang được thay thế bằng cloramin – cụ thể là monoloramin – ổn định hơn nhiều và không tiêu tan nhanh như clo tự do. Chloramine cũng có xu hướng thấp hơn nhiều, nhưng vẫn hoạt động hơn so với clo tự do để chuyển các vật liệu hữu cơ thành chlorocarbon như chloroform và carbon tetrachloride. Các hợp chất như vậy đã được xác định là chất gây ung thư và vào năm 1979, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA) bắt đầu điều chỉnh mức độ của chúng trong nước uống của Hoa Kỳ.

Một số sản phẩm phụ không được kiểm soát có thể gây ra các nguy cơ sức khỏe lớn hơn các hóa chất được quản lý.

Do tính chất axit của nó, thêm chloramine vào nguồn nước có thể làm tăng khả năng tiếp xúc với chì trong nước uống , đặc biệt là ở những khu vực có nhà ở cũ; sự tiếp xúc này có thể dẫn đến tăng mức độ chì trong máu , có thể gây ra nguy cơ sức khỏe đáng kể. May mắn thay, các nhà máy xử lý nước có thể bổ sung hóa chất ăn da tại nhà máy với mục đích kép là giảm độ ăn mòn của nước và ổn định chất khử trùng.

Chloramine dùng khử trùng bể bơi

Trong bể bơi, cloramin được tạo thành do phản ứng của clo tự do với các nhóm amin có trong các chất hữu cơ, chủ yếu là các chất có nguồn gốc sinh học (ví dụ, urê trong mồ hôi và nước tiểu ). Chloramine, so với clo tự do, đều kém hiệu quả như một chất khử trùng và nếu không được quản lý đúng cách, sẽ gây khó chịu hơn cho mắt của người bơi. Chloramine là nguyên nhân gây ra mùi “clo” đặc biệt của các bể bơi, thường bị công chúng phân bổ nhầm thành clo nguyên tố. Một số bộ dụng cụ kiểm tra hồ bơi được thiết kế để sử dụng bởi chủ nhà không phân biệt được clo tự do và cloramin, điều này có thể gây hiểu nhầm và dẫn đến mức cloramin trong nước hồ bơi không tối ưu. Cũng có bằng chứng cho thấy việc tiếp xúc với chloramine có thể góp phần gây ra các vấn đề về hô hấp, bao gồm cả bệnh hen suyễn ở những người bơi lội. Các vấn đề về hô hấp liên quan đến việc tiếp xúc với chloramine rất phổ biến và phổ biến ở những vận động viên bơi lội cạnh tranh.

Mặc dù mùi đặc biệt của chloramine được một số người mô tả là dễ chịu và thậm chí hoài cổ, sự hình thành của nó trong nước hồ bơi do chất lỏng cơ thể tiếp xúc với clo có thể được giảm thiểu bằng cách khuyến khích tắm bằng vòi hoa sen và các phương pháp vệ sinh khác trước khi xuống hồ bơi, cũng như hạn chế bơi lội khi bị bệnh tiêu hóa và nghỉ ngơi để đi vệ sinh.

Mức độ an toàn

Tiêu chuẩn chất lượng nước uống EPA của Hoa Kỳ giới hạn nồng độ chloramine đối với hệ thống nước công cộng ở mức 4 phần triệu (ppm) dựa trên mức trung bình hàng năm đang chạy của tất cả các mẫu trong hệ thống phân phối. Để giới hạn đáp ứng EPA quy định về halogen khử trùng các sản phẩm phụ, nhiều tiện ích đang chuyển từ clo để chloramination. Trong khi quá trình khử trùng bằng clo tạo ra ít sản phẩm phụ khử trùng halogen tổng số được quy định hơn, nó có thể tạo ra nồng độ phụ phẩm khử trùng không được khử trùng bằng i-ốt và N -nitrosodimethylamine với nồng độ cao hơn. Cả sản phẩm phụ khử trùng bằng iốt và N-nitrosodimethylamine đã được chứng minh là gây độc cho gen , gây ra thiệt hại cho thông tin di truyền trong tế bào, dẫn đến đột biến có thể dẫn đến ung thư.

Tổng hợp và phản ứng hóa học của Chloramine

Chloramine là một hợp chất không ổn định cao ở dạng cô đặc. Chloramine tinh khiết phân hủy dữ dội trên −40 °C (−40 ° F). Chloramine dạng khí ở áp suất thấp và nồng độ thấp của chloramine trong dung dịch nước ổn định hơn một chút về mặt nhiệt. Chloramine dễ hòa tan trong nước và ete, nhưng ít hòa tan trong chloroform và carbon tetrachloride.

Sản xuất

Trong dung dịch nước loãng, cloramin được điều chế bằng phản ứng của amoniac với natri hypoclorit:

NH3 + NaOCl → NH2Cl + NaOH

Phản ứng này cũng là bước đầu tiên của quá trình Olin Raschig cho hydrazine tổng hợp. Phản ứng phải được thực hiện trong môi trường hơi kiềm ( pH 8,5–11). Các đại lý khử clo đóng vai trò trong phản ứng này là axit hypochlorous (HOCl), mà phải được tạo ra bởi proton của hypochlorite, và sau đó phản ứng trong một cách thay thế nucleophin của hydroxyl so với nhóm amin . Phản ứng xảy ra nhanh nhất ở khoảng pH 8. Ở các giá trị pH cao hơn, nồng độ của axit hypochlorous thấp hơn, ở các giá trị pH thấp hơn, amoniac được proton hóa để tạo thành các ion amoni (NH+
4), không phản ứng thêm.

Dung dịch cloramin có thể được cô đặc bằng cách chưng cất chân không và bằng cách cho hơi đi qua kali cacbonat hấp thụ nước. Có thể chiết cloramin bằng ete.

Cloramin thể khí có thể thu được từ phản ứng của amoniac ở thể khí với khí clo (pha loãng bằng khí nitơ):

2NH3 + Cl2 ⇌ NH2Cl + NH4Cl

Cloramine tinh khiết có thể được điều chế bằng cách cho fluoroamine qua canxi clorua :

2NH2F + CaCl2 → 2NH2Cl + CaF2

Sự phân hủy Chloramine

Các liên kết cộng hóa trị N-Cl của cloramin dễ dàng bị thủy phân khi giải phóng axit hipoclorơ:

RR′NCl + H2O ⇌ RR′NH + HOCl

Hằng số thủy phân định lượng ( giá trị K ) được sử dụng để biểu thị khả năng diệt khuẩn của cloramin, phụ thuộc vào việc tạo ra axit hypoclorơ trong nước. Nó được biểu thị bằng phương trình dưới đây và thường nằm trong khoảng 10 −4 đến 10 −10 (2,8 × 10 −10 đối với monoloramine):

Trong dung dịch nước, cloramin phân hủy từ từ thành dinitơ và amoni clorua trong môi trường trung tính hoặc kiềm nhẹ (pH ≤ 11):

3 NH2Cl → N 2 + NH4Cl + 2HCl

Tuy nhiên, chỉ một vài phần trăm dung dịch cloramin 0,1 M trong nước bị phân hủy theo công thức trong vài tuần. Ở các giá trị pH trên 11, phản ứng sau với các ion hydroxit xảy ra chậm:

3NH2Cl + 3OH – → NH 3 + N2 + 3Cl – + 3H2O

Trong môi trường axit ở các giá trị pH khoảng 4, chloramine mất cân đối để tạo thành dichloramine, đến lượt nó lại mất cân đối ở các giá trị pH dưới 3 để tạo thành nitơ trichloride:

2NH2Cl + H + ⇌ NHCl2 + NH+4
3NHCl2 + H + ⇌ 2 NCl3 + NH+4

Ở các giá trị pH thấp, nitơ trichloride chiếm ưu thế và ở pH 3–5 dichloramine chiếm ưu thế. Các trạng thái cân bằng này bị xáo trộn bởi sự phân hủy không thể đảo ngược của cả hai hợp chất:

NHCl2 + NCl3 + 2H2O → N2 + 3HCl + 2HOCl

Phản ứng

Trong nước, chloramine có độ pH trung tính. Nó là một chất oxy hóa (dung dịch axit: E ° = +1,48 V, trong dung dịch cơ bản E ° = +0,81 V ):

NH2Cl + 2H+ + 2e – → NH+4 + Cl –

Các phản ứng của cloramin bao gồm sự thay thế gốc, nucleophin, và sự thay thế electron của clo, sự thay thế hydro bằng electron và sự bổ sung oxy hóa.

Chloramine có thể, giống như axit hypochlorous, tạo ra clo tích điện dương trong các phản ứng với nucleophile (Nu-):

Nu – + NH3Cl + → NuCl + NH3

Ví dụ về phản ứng clo hóa bao gồm biến đổi thành dicloramin và nitơ triclorua trong môi trường axit, như được mô tả trong phần phân hủy.

Chloramine cũng có thể khử nucleophile (phản ứng điện phân):

Nu – + NH2Cl → NuNH2 + Cl –

Sự kết hợp amoniac với chloramine để tạo thành hydrazine là một ví dụ về cơ chế này được thấy trong quy trình Olin Raschig:

NH2Cl + NH3 + NaOH → N2H4 + NaCl + H2O

Chloramine tự phân hủy điện trong môi trường trung tính và kiềm để bắt đầu phân hủy:

2NH2Cl → N2H3Cl + HCl

Các chlorohydrazine (N2H3Cl) được hình thành trong tự phân hủy là không ổn định và phân hủy chính nó, mà dẫn đến phản ứng phân hủy ròng:

3NH2Cl → N2 + NH4Cl + 2Cl

Monochloramine oxy hóa sulfhydryls và disulfide theo cách tương tự như axit hypochlorous, nhưng chỉ có 0,4% tác dụng diệt khuẩn của HClO.