Хлор і хлорамін у водопровідній воді

Чим вільний хлор відрізняється від хлораміну у водопровідній воді, навіщо його застосовують, чому він не вивітрюється і чому дехлорування вивільняє аміак, небезпечний для риб.

Два дезінфектанти з одним завданням

Водопровідну воду знезаражують, щоб запобігти хворобам, які передаються через воду, наприклад холері та черевному тифу. У навчальному матеріалі з аквакультури UF/IFAS Extension зазначено, що майже всі комунальні системи водопостачання США використовують хлор, а багато з них додатково додають аміак як вторинний дезінфектант. Хлор і аміак утворюють хлорамін — сполуку, високотоксичну для риб та інших водних тварин. За даними EPA США, комунальні служби застосовують хлораміни з 1930-х років, і понад кожен п'ятий американець п'є воду, оброблену ними.

Під час розчинення газоподібного хлору утворюються хлорнуватиста кислота (HOCl) і соляна кислота; HOCl, у свою чергу, дисоціює до гіпохлорит-іона (OCl⁻), і співвідношення між ними залежить від pH. У водопідготовці HOCl і OCl⁻ разом називають «вільним активним хлором». Під час реакції HOCl з аміаком утворюється монохлорамін (NH₂Cl), а за надлишку хлору — дихлорамін (NHCl₂) і трихлорид азоту (NCl₃). Ці хлораміни називають «зв'язаним хлором», а суму вільного та зв'язаного хлору — загальним залишковим хлором. Під час хлорамінування на водоканалі співвідношення хлору й аміаку регулюють так, щоб переважав монохлорамін; Вікіпедія наводить реакцію утворення NH₃ + NaOCl → NH₂Cl + NaOH.

Чому водоканали перейшли на хлорамін

Головна причина — побічні продукти дезінфекції. Вільний хлор реагує з природною органікою, утворюючи тригалометани та галогенооцтові кислоти, частину яких пов'язують з раком і ураженням органів. EPA почало регулювати побічні продукти дезінфекції у 1979 році, а монохлорамін значно слабше за вільний хлор перетворює органіку на хлоровані сполуки на кшталт хлороформу. За даними EPA, частина систем перейшла на хлораміни як вторинний дезінфектант саме для дотримання цих норм.

Друга причина — стійкість. Хлорамін — слабший і повільніший дезінфектант, ніж вільний хлор, але він значно стабільніший, тому залишкова концентрація зберігається в довгих розподільчих мережах аж до крана споживача. Вікіпедія вказує межу EPA для хлораміну в комунальній воді 4 ppm у перерахунку на ковзне середньорічне значення. Монохлорамін також стійкіший до світла, ніж гіпохлорит.

Стійкість: чому відстоювання та аерації недостатньо

Вільний хлор — летючий газ, який з часом і під час перемішування виходить з води. В експерименті UF/IFAS інтенсивна аерація хлорованої водопровідної води протягом 24 годин сильно знижує або повністю прибирає показник хлору, тоді як хлорамінована вода після такої самої аерації все ще показує хлор і зберігає весь аміак. У матеріалі пояснено, що хлор поєднують з аміаком саме для того, щоб він залишався активним і не вивітрювався.

Регіональний постачальник води Tampa Bay Water попереджає, що монохлорамін може руйнуватися тижнями і що відстоювання води — небезпечний спосіб його видалення. Огляд методів дехлорування для рибницьких господарств також відносить до недоліків інтенсивної аерації те, що вона «не видаляє хлораміни».

Хімія дехлораторів: тіосульфат і проблема аміаку

Тіосульфат натрію (Na₂S₂O₃) — відновник: він відновлює гіпохлорит і хлор до хлориду, а сам окиснюється до сульфату. Його застосовують для дехлорування води на очисних спорудах, а також для акваріумів, басейнів і спа. У тесті UF/IFAS додавання тіосульфату в хлоровану воду за кілька хвилин знижує показник хлору до 0,0 ppm.

З хлораміном результат інший. Тіосульфат видаляє хлорну частину молекули, тому показник хлору теж падає до нуля, але аміак, зв'язаний у хлораміні, вивільняється і залишається вимірюваним. Чи небезпечний цей аміак, залежить від pH: загальний аміак існує у вигляді токсичного неіонізованого аміаку (NH₃) і значно менш токсичного амонію (NH₄⁺), і, згідно з інформаційним листком SRAC про аміак, токсична частка зростає приблизно в 10 разів на кожну одиницю зростання pH, а також зростає з температурою. Тому вивільнений аміак небезпечніший у лужній воді, ніж у кислій. Тіосульфат також витрачає розчинений кисень, тому оброблену воду перед використанням слід аерувати.

Лише вільний хлор: його видаляє дехлоратор-відновник або тривала аерація.
Хлорамін: дехлоратор-відновник видаляє хлор, а вивільнений аміак потім потрібно зв'язати або видалити — наприклад, цеолітом (мінералом, що адсорбує аміак), кондиціонером, на етикетці якого зазначено дію проти хлораміну та аміаку, або зрілим біофільтром.
Активоване вугілля: гранульоване активоване вугілля видаляє хлорамін лише за достатнього часу контакту та свіжого якісного завантаження; вугільний шар потребує періодичної заміни або реактивації.
Зворотний осмос за відповідних умов також видаляє хлорамін, але його роботу потрібно контролювати.

Практичне дозування кондиціонерів і підготовка води для великих підмін описані в окремому посібнику з дехлорування (dechlorination-guide).

Тестування водопровідної води

Вільний і загальний хлор вимірюють окремо; різниця між загальним і вільним хлором приблизно відповідає зв'язаному хлору, переважно монохлораміну. Для обох показників існують колориметричні DPD-тести та тест-смужки. Простий підхід із матеріалу UF/IFAS — перевірити свіжу водопровідну воду на хлор і на аміак: хлор без аміаку вказує на вільний хлор, хлор разом з аміаком — на хлорамінування. Якщо після дехлоратора аміак зберігається, це підтверджує присутність хлораміну. Деякі кондиціонери, що зв'язують аміак, спотворюють окремі тести на аміак, тому показники після обробки слід тлумачити обережно.

Вплив на біологічний фільтр

Залишковий хлор шкодить не лише рибам, а й нітрифікувальним бактеріям біофільтра, тому воду дехлорують до того, як вона потрапить в акваріум. Аміак, що вивільняється з хлораміну, — той самий субстрат, який нітрифікувальні організми окиснюють до нітриту, а потім до нітрату; дослідження питної води описують саме цей процес у хлорамінованих розподільчих мережах. В акваріумі зрілий біофільтр здатен переробити помірну кількість вивільненого аміаку, а новий або порушений — ні, тому великі підміни хлорамінованою водою ризикованіші в незапущених або нещодавно пролікованих системах.