Klor Reaksiyonları

Klorün Amonyakla verdiği reaksiyonlar
Klorün Amonyakla verdiği reaksiyonlar diğer bileşiklerle verdiği reaksiyonlara göre oldukça karmaşıktır. Bu reaksiyonlar klorlama uygulaması açısından büyük önem taşır ve Kırılma Noktası Klorlaması işleminin esasını oluşturur.

İçinde amonyak bulunun bir suya klor ilave edildiği zaman, klor amonyakla çeşitli reaksiyonlar verir. Bu reaksiyonlar sonucu oluşan bileşikler iki grupta incelenebilir. Bunlar kloraminler ve amonyağın oksidasyon ürünleridir. Reaksiyonların oluşumunda pH, klor/amonyak oranı, ve temas süresi etkili olmaktadır. Kloraminlerin oluşma reaksiyonlardı aşağıda verilmiştir.

NH3 + HOCl ó NH2Cl+ H2O

NH2Cl + HOCl ó NHCl2+ H2O

NHCl2 + HOCl ó NCl3+ H2O

Ters yöndeki reaksiyonlar tüm kloraminler için ihmal edilebilecek düzeydedir.

Amonyağın klorla, kloraminler dışında, oksidasyon ürünleri de N2H4, NH2OH, N2O, NO, NO2-,NO3 gibi maddeler olup, bunların oluşumu da kloraminlerin reaksiyonlarında etkili faktörlere bağlıdır. Kloraminler ve organik klorlu bileşikler toplamına Bağlı Hazır Klor adı verilmektedir.
Klor dozlanmaya başlandığında önce suda bulunuan organik ve inorganik maddeler klorla reaksiyon vererek yükseltgenir ve kloru klorür iyonuna indirgerler. A noktasından itibaren suda sadece amonyak kalmıştır. Bu noktadan itibaren klor dozlaması devam devam ettirildiğinde kloraminlerin oluşumu başlar ve bu oluşum klor/amonyak mol oranının 1 olduğu B noktasına kadar devam eder. Bu noktaya kadar oluşan kloraminler monokloramin ve dikloramindir. Bunların oranı pH ve sıcaklığa bağlı olmakla birlikte hakim olan bileşik monokloramindir.

Kloraminlerin oluşumunda pH;

2NH2Cl + H+ ó NH4+ + NHCl2 + H2O

K=([NH4+][ NHCl2])/([H+][NH2Cl]2) = 6.7*105

reaksiyonu uyarınca etkili olmaktadır. pH 7 ve üzerinde B noktasına kadarpratik olarak sadece monokloramin bulunur. Dikloramin oluşumu ancak pH 5’in altında önem kazanabilir. B noktasına kadar amonyak sadece kloraminleri oluşturur, başka bir ürün oluşmaz. B noktasından sonra klor dozlamaya devam edildiğinde ortamdaki artık klor (serbest hazır klor ve bağlı klor toplamı) azalmaya başlar. Bu azalmanın nedeni kloraminlerin klor ile ve kendi aralarında verdikleri reaksiyonlardır. Bu reaksiyonların başlıcaları aşağıda verilmiştir.

2NH2Cl + HOCl ó N2(g) + 3H+ + 3Cl- + H2O

NH2Cl + NHCl2 + HOCl => N2O + 4HCl

NH2Cl + NHCl2=> N2(g) + 3HCl

Reaksiyonlardan görüldüğü üzere klor klorüre dönüşerek azalırken, amonyak azot ve azot okside dönüşerek azalmaktadır. Bunların yanında;

NHCl2 + 2HOCl + H2O => NO3-+ 3Cl- + 4H+

Reaksiyonu ile nitrat da oluşur. Ayrıca pek az da olsa NCl3 oluşabilir ( NCl3, pH 4’ün altında ise önemli konsantrasyonlara ulaşabilir). Bu şekilde klordaki azalma C noktasında bir minimuma ulaşabilir. Bu minimum noktasına Kırılma Noktası adı verilmektedir. Bu noktada klor/amonyak mol oranı 3:2(1.5) tur. Bu oran;

2NH3 + 2HOCl => 2NH2Cl + H2O
2NH2Cl + HOCl => N2 + H2O + 3HCl
2NH3 + 3HOCl => N2 + 3H2O + 3HCl

Cl2/NH3-N = 3/2

olarak, yani amonyağın azot gazına dönüşmesinden hareketle hesaplanabilir. Ancak yukarıda da değinildiği gibi klor harcayan diğer reaksiyonlar (N2O, NO3- v.b. oluşumu nedeniyle bu oran 1.5’den 2’ye kadar yükselebilmektedir.Kırılma noktasındaki mono ve dikloramin pratik olarak tamamen uzaklaştırılmıştır. Kırılma noktasının ötesinde klor dozlanmaya devam edildiğinde klor ortamda ancak eser miktarda kalan dikloramin ile trikloramin dışında serbest klor halinde ilave edildiği miktarda artar.

Kırılma noktası klorlamasında suda, yukarıda belirtilen kolayca oksitlenen inorganik ve organik maddeler öncelikle oksitlenir. Ancak bazı maddeler, örneğin azot içeren organik maddeler hemen oksitlenmez ve kırılma noktası eğrisinin şeklini etkiler. Bazı azot içeren organik maddeler, örneğin aminoasitler klorla tamamen parçalanmaz. Aşağıda amonyak ve amonyakla birlikte organik azot içeren iki farklı sudaki kırılma eğrileri verilmiştir. Bu eğrilerde türlerin dağılımı da görülmektedir.

Kırılma noktası klorlamasında oluşan hidroklorik asit suyun alkalinitesi ile reaksiyon vererek pH’nın az da olsa, düşmesine yol açar. Stokiometrik olarak 1 mg/L NH3-N’nun oksitlenmesi için 14.3 mg/L CaCO3 alkalinite sarfedilir. Ayrıca oluşan hidroklorik asit ve özellikle gaz klor dışında örneğin sodyum hipoklorit gibi bir klor kaynağı kullanılıyorsa, oluşan bileşiklerle suyun çözünmüş madde içeriği artar. Bu artış gaz klor kullanıldığında oksitlenen azot miktarının 6.2 katı kadardır.

Kırılma noktası klorlaması esas olarak su arıtımında uygulanılmaktadır. Ancak atıksularda da uygulanabilmektedir. Ayrıca bir azot giderme yöntemi olarak da kullanılmaktadır.