คลอรีน คลอไรด์ และประโยชน์คลอรีน

15177

คลอรีน (Cl) จัดอยู่ในกลุ่มฮาโลเจน (กลุ่ม O) ในตารางธาตุ ที่เป็นธาตุประกอบของเกลือ และสารประกอบอื่นๆ มีลักษณะเป็นก๊าซ สีเขียวอมเหลือง มีกลิ่นฉุน พบได้ในรูปของสารประกอบต่างๆในธรรมชาติ และก๊าซในบรรยากาศ จัดเป็นสารนำไปใช้ประโยชน์มากในการผลิตน้ำประปาสำหรับการฆ่าเชื้อ รวมถึงใช้เป็นสารตั้งต้นในการผลิตสารหลายชนิดในภาคอุตสาหกรรมเคมี

advertisement

นิยามศัพท์
• คลอรีน (Chlorine) เป็นชื่อเรียกคลอรีนในสถานะของธาตุคลอรีน (Cl) รวมถึงใช้เป็นชื่อเรียกในสถานะก๊าซคลอรีน (Cl2) และคลอรีนอิสระ (Cl)
• คลอไรด์ (Chloride) เป็นชื่อเรียกคลอรีนที่อยู่ในสถานะสารประกอบต่างๆ หรือ เป็นกลุ่มสารประกอบที่เรียกว่า สารประกอบคลอไรด์ (Chloride compound) เช่น โซเดียมคลอไรด์ (NaCl) และโพแทสเซียมคลอไรด์ (KCl) เป็นต้น

คลอรีน ในสภาวะปกติ จะอยู่ในรูปก๊าซสีเขียวอมเหลือง หากเพิ่มความดัน และอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะเปลี่ยนเป็นของเหลวสีอำพัน และหากสัมผัสหรือผสมกับน้ำจะเกิดปฏิกิริยาได้สารที่มีคุณสมบัติออกซิไดซ์ และออกฤทธิ์กัดกร่อนอย่างรุนแรง

คลอรีนที่อยู่ในภาชนะบรรจุจะอยู่ใน สภาำพของเหลวภายใต้ความดันสูง แต่หากอุณหภูมิสูงขึ้น ของเหลวส่วนล่างในภาชนะบรรจุจะเปลี่ยนเป็นก๊าซทำให้แรงดันเพิ่มขึ้นอีก เช่น ก๊าซคลอรีนในภาชนะที่อุณหภูมิ 35 °C ความดันก๊าซจะประมาณ 10 บาร์ แต่หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นเป็น 65 °C ความดันก๊าซจะเพิ่มขึ้นเป็น 20 บาร์ ซึ่งหากภาชนะไม่สมารถรับแรงดันได้ก็จะเกิดการระเบิดได้ ดังนั้น ก๊าซคลอรีนที่เก็บภาชนะบรรจุ ควรเก็บในที่ร่ม และมีอากาศถ่ายเทสะดวก

สมบัติทางกายภาพของคลอรีน
– สถานะ : ก๊าซ (สีเขียวอมเหลือง), ของเหลว (สีเหลืองอำพัน)
– กลิ่น : กลิ่นฉุนแสบจมูก
– จุดเดือด : -34.6 องศาเซลเซียส
– จุดหลอมเหลว : – 101 องศาเซลเซียส
– เมื่อเปลี่ยนสถานะจากของเหลวเป็นก๊าซ ปริมาตรจะเพิ่มขึ้น 460 เท่า
– หนักกว่าอากาศ 2.5 เท่า
– ละลายน้ำได้เล็กน้อย
– ไม่ระเบิด แต่อาจระเบิดได้หากบรรจุในภาชนะที่มีแรงดันสูง
– ไม่ติดไฟ แต่มีคุณสมบัติช่วยให้ไฟติด

การผลิตคลอรีน
คลอรีนสามารถผลิตได้จากปฏิกิริยาอิเลคโตรไลซิส (Electrolysis) ของสารละลายโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) หรือเรียกกระบวนการนี้ว่า กระบวนการคลอร์อัลคาไล ซึ่งจะได้ก๊าซคลอรีน (Chlorine) ก๊าซไฮโดรเจน (H2) และโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) ตามสมการด่านล่าง

2NaCl(aq) + 2H2O(l) → Cl2(g) + H2(g) + 2NaOH(aq)

ประเภทของคลอรีน
1. ก๊าซคลอรีน (Chlorine Gas)
ก๊าซคลอรีน เป็นคลอรีนในสภานะก๊าซที่นิยมใช้มากสำหรับการฆ่าเชื้อในกระบวนการผลิตน้ำ ประปา ซึ่งจะกล่าวถึงการแตกตัวของปฏิกิริยาในด้านล่าง

2. คลอรีนน้ำ (Liquid Chlorine)
เป็นคลอรีนที่อยู่ในรูปของสารละลาย นิยมใช้มากสำหรับการฆ่าเชื้อในลักษณะต่างๆ ผลิตภัณฑ์ที่นิยมใช้ คือ โซเดียมไฮโปคลอไรต์ (NaClO) เป็นสารละลายสีเขียวอมเหลือง มีปริมาณคลอรีนประมาณร้อยละ 7 -15 มีชื่อทางการค้าอื่น เช่น Liquid Bleach Pure Chlor เป็นต้น ซึ่งมักใช้ในระบบผลิตน้ำประปาขนาดเล็ก ระบบปรับปรุงคุณภาพน้ำ ระบบบำบัดน้ำเสีย การฆ่าเชื้อในท่อน้ำ การบนอุปกรณ์ และผลิตภัณฑ์ เป็นต้น

NaClO + H2O → HOCl + Na+ + OH

แต่ทั้งนี้ สารโซเดียมไฮโปคลอไรต์แตกตัวได้ง่าย โดยเฉพาะหากเกิดสภาพที่มี pH ต่ำ สารนี้จะระเหยกลายเป็นไอของคลอรีนออกมา ซึ่งอาจทำให้ถังบรรจุระเบิดได้ จึงต้องเก็บไว้ในที่มืด และในอุณหภูมิไม่สูงกว่า 30 °C และไม่ควรเก็บไว้นานเกิน 3 เดือน

คลอรีนน้ำ

ขอบคุณภาพจาก www.wee-rinchem.co.th

3. คลอรีนผงหรือเม็ด (Solid Chlorine)
เป็นคลอรีนที่อยู่ในรูปของแข็งที่เป็นผงหรือเม็ด เช่น แคลเซียมไฮโปคลอไรต์ (Ca(OCl)2) มีลักษณะเป็นผงสีขาว มีปริมาณคลอรีนประมาณร้อยละ 65-71 ซึ่งเวลาใช้มักนำมาละลายน้ำก่อน นิยมใช้ในพื้นที่ทุรกันดารที่ยากต่อการขนส่ง มักใช้ในรูปของเหลวในลักษณะต่างๆดังที่กล่าวในข้อ 2

Ca(OCl)2 → Ca2+ + 2OCl
2OCl + H2O → HOCl + OCl + OH-
Ca(OCl)2 + H2O → Ca2+ + HOCl + OCl + OH

ประโยชน์คลอรีน
1. ใช้ในกระบวนการอุตสาหกรรมต่างๆ
สารประกอบคลอรีนที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรม
– Gaseous chlorine : Cl2 ละลายน้ำได้ประมาณร้อยละ 0.7
– Hypochlorous acid : HOCl ละลายน้ำได้มาก
– Sodium hypochlorite acid : NaOCl ละลายน้ำได้มาก
– Calcium hypochlorite acid : Ca(OCl)2 ละลายน้ำได้ปานกลาง
– Chloramine-T : H3C-C6H4SO4-N-NaCl ละลายน้ำได้ประมาณร้อยละ 15
– Dichlorodiethyl-hydantion : C5H6Cl2N2O2 ละลายน้ำได้ประมาณร้อยละ 1.2
– Trichlorocyanuric-acid : Cl3(NCO)3 ละลายน้ำได้ประมาณร้อยละ 1.2
– Dichlorocyanuric-acid : Cl2H(NCO)3 ละลายน้ำได้ประมาณร้อยละ 2.6
– Chlorine dioxide : ClO2 ละลายน้ำได้ประมาณร้อยละ 200 cm3/100 ml

คลอรีนที่ใช้ในภาคอุตสาหกรรม เช่น การใช้คลอรีนเป็นส่วนผสมในน้ำยาซักผ้าขาว

2. การใช้คลอรีนฆ่าเชื้อโรค
คลอรีนที่ใช้เป็นสารฆ่าเชื้อมีทั้งในรูปของก๊าซ และสารละลาย ซึ่งมีลักษณะการใช้ ได้แก่ การเติมลงในน้ำ การรมก๊าซ และการใช้ทาหรือสำหรับจุ่มล้างผลิตภัณฑ์ ทั้งนี้ การที่คลอรีนเป็นที่นิยมใช้สำหรับการฆ่าเชื้อ เนื่องจาก เป็นสารที่มีราคาถูก คงทนในน้ำได้นาน ประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อได้สูง และมีการตกค้างน้อย

คลอรีนสามารถฆ่าเชื้อเพื่อทำลายเชื้อโรค และจุลินทรีย์ มีกลไกมาจาก คลอรีนจะไปทำปฏิกิริยาเพื่อทำลายเอนไซม์ และผนังเซลล์ของจุลินทรีย์ ทำให้จุลินทรีย์หยุดการเจริญเติบโต และตายอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ ยังมีสารอื่นที่นิยมใช้ฆ่าเชื้อโรค เช่น ก๊าซโอโซน และแสงอุลตราไวโอเลต (UV) แต่มักมีต้นทุนสูงกว่าการใช้คลอรีน แต่มีข้อดี คือ สามารถทำลายไวรัสได้ ซึ่งจุดนี้ คลอรีนจะไม่มี ซึ่งปัจจุบัน กระบวนการผลิตน้ำดื่มที่มีคุณภาพสูงมักใช้หลายระบบร่วมกัน

ปฏิกิริยาของคลอรีนในน้ำ (ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิส : Hydrolysis)

Cl2 + H2O → H+ + Cl + HOCl

กรดเกลือ (HCl) (แตกตัวได้อย่างสมบูรณ์)

HCl → H+ + Cl

การแตกตัวกรดไฮโปรคลอรัส (HOCl) (แตกตัวได้บางส่วน)

HOCl → H+ + OCl

ดังนั้น เมื่อก๊าซคลอรีนผสมกับน้ำ คลอรีนจะอยู่ในรูปของ HOCl, OCl และCl แต่คลอรีนที่อยู่ในรูปของของก๊าซคลอรีนอิสระ (Cl) จะคงอยู่ในน้ำได้เพียงชั่วครู่เท่านั้น ซึ่งจะเกิดการสลายตัวหรือระเหยอย่างรวดเร็ว

เมื่อคลอรีนผสมกับน้ำจะทำให้พีเอชของน้ำลดลง แต่ประสิทธิภาพในการฆ่าเชื้อของ HOCl และ OCl จะยังเท่าเดิม

ทั้งนี้ HOCl จะออกฤทธิ์ในการฆ่าเชื้อสูงกว่า OCl หลายเท่า เนื่องจาก HOCl มีฤทธิ์ออกซิไดส์ซิงสูงกว่า รวมถึง OCl มีประจุลบ ทำให้เข้าจับกับเซลล์ที่มีประจุลบเหมือนกันไม่ได้ ส่วนกรดไฮโปรคลอรัสเป็นสารไม่มีประจุ ทำให้เข้าจับกับเซลล์ทุกชนิดได้ดีกว่า

ใน กรณีที่เติมคลอรีนในน้ำที่มีแอมโมเนียจะทำให้ประสิทธิภาพการฆ่าเชื้อลดลง เช่น การเติมกรดไฮโปรคลอรัส (HOCl) ในน้ำที่มีแอมโมเนีย คลอรีนส่วนมากจะเข้าทำปฏิกิริยากับแอมโมเนีย ดังสมการด้านล่าง

HOCl + NH3 → NH2Cl + H2O
HOCl + NH2Cl → NHCl2 + H2O
HOCl + NHCl2 → NCl3 + H2O

ข้อดีของคลอรีน
1. มีราคาถูกเมื่อเทียบกับสารฆ่าเชื้อชนิดอื่นๆ เช่น โอโซน หรือ UV
2. หาซื้อง่าย
3. สามารถเลือกใช้ทั้งในรูปก๊าซ สารละลาย และแบบผง
4. มีขั้นตอนการใช้ง่าย ไม่ยุ่งยาก
5. สามารถเคลื่นย้ายหรือขนส่งได้ง่าย โดยเฉพาะในรูปผง ที่สามารถนำไปปใช้ได้ในสถานที่กันดาร

ข้อเสียของคลอรีน
1. หากน้ำมีแอมโมเนียหรือสารอินทรีย์สูง จะทำให้สิ้นเปลืองคลอรีนมาก เนื่องจากคลอรีนเข้าทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียส่งผลต่อประสิทธิภาพการฆ่าเชื้อ ที่ลดลงด้วย
2. กากคลอรีนเข้าทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียจะเกิดผลิตภัณฑ์ชนิด THMs ซึ่งเป็นสารพิษ
3. หากน้ำมีค่า pH มากกว่า 8 ประสิทธิภาพการฆ่าเชื้อจะลดลง เนื่องจาก คลอรีนจะอยู่ในรูป OCl- มากขึ้น แทนที่จะอยู่ในรูปของ HOCl ซึ่งมีประสิทธิภาพมากกว่า
4. คลอรีนไม่มีผลต่อการฆ่าเชื้อโปรโตซัว จำพวก Giardia รวมถึงเชื้อไวรัสบางชนิด

ลักษณะการใช้คลอรีนเพื่อการฆ่าเชื้อ
1. ก๊าซคลอรีน
– ใช้อัดเข้าระบบน้ำสำหรับการฆ่าเชื้อ

2. คลอรีนในรูปน้ำ
– ใช้เติมหรือเทราดในระบบบำบัดน้ำเสีย หรือระบบปรับปรุงคุณภาพน้ำดี
– ใช้เจือจางน้ำสำหรับฆ่าเชื้อวัสดุ อุปกรณ์ และเครื่องจักรตามฟาร์มหรือในภาคอุตสาหกรรมอาหาร
– ใช้เทราดตามร่องน้ำหรือเติมในระบบท่อน้ำ

อันตรายของคลอรีน
– ก๊าซคลอรีนที่ความเข้มข้นเกินกว่า 30 ppm หากสัมผัสหรือสูดดมเข้าไปจะการระคายเคืองต่อตา จมูก ผิวหนัง และทำลายเยื่อบุในระบบทางเดินหายใจ
– การหายใจเอาคลอรีนเข้าสู่ร่างกายที่เข้มข้นมากกว่า 500 ppm ในระยะเวลานานอาจถึงตายได้

advertisement