Cloro

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Cos'è il cloro?

Il cloro è un elemento chimico con numero atomico 17 e peso molecolare 35,5. Presente in natura, si trova nella forma minerale cloruro di sodio (il comune sale da cucina) e sotto forma di altri sali. La produzione commerciale del cloro avviene mediante elettrolisi della soluzione di cloruro di sodio.

Cloro libero

Il cloro libero, se utilizzato per la disinfezione, si forma quando il gas cloro viene disciolto in acqua. Possono formarsi due specie chimiche (entrambe disinfettanti forti) a seconda del pH:

  • Acido ipocloroso (HClO).
  • Ione ipoclorito (ClO -).

Clorazione

La clorazione è il processo di trattamento e disinfezione delle acque che utilizza cloro libero. La clorazione è il metodo di disinfezione comune utilizzato per l'acqua di sorgente con contaminazione organica minima e basse concentrazioni di microrganismi difficili da trattare, come la giardia o il cryptosporidium. Viene utilizzata anche per il controllo del gusto e dell'odore, la prevenzione della crescita delle alghe, il mantenimento della pulizia dei mezzi filtranti, la rimozione di ferro e manganese, la distruzione di solfuro di idrogeno e cianuro e il miglioramento della coagulazione.

Clorammina (cloro combinato)

Si formano clorammine quando si aggiunge cloro ad acqua contenente ammoniaca. La reazione del cloro con ammoniaca può essere desiderata o indesiderata in base alla strategia di trattamento delle acque. A seconda di quanti atomi di idrogeno nelle molecole di ammoniaca sono sostituiti con atomi di cloro, possono formarsi tre diverse specie di clorammina:

  • Monoclorammina
  • Diclorammina
  • Tricloruro di azoto

Cloramminazione

La cloramminazione è un processo di trattamento e disinfezione delle acque che utilizza la monoclorammina come disinfettante target. Le clorammine hanno una reattività inferiore rispetto al cloro libero e reagiscono meno intensamente con varie impurezze nell'acqua non trattata, in particolare con le sostanze organiche. Ciò comporta la formazione di un minor numero di sottoprodotti di disinfezione (DBP) cancerogeni, principalmente trialometani (THM). Questo è uno dei fattori più importanti che contribuiscono alla richiesta di sostituire la cloramminazione alla clorazione con cloro libero.

Inoltre, a causa del ridotto potere ossidante, le clorammine generano una domanda di disinfettante sostanzialmente più piccola, il che riduce significativamente il consumo di cloro per mantenere un residuo di cloro totale desiderato nell'acqua, il che abbassa il costo di trattamento.

Cloro totale

Il cloro totale è la somma di tutte le specie di cloro libero e combinato presenti nel campione. I metodi di misura del cloro possono essere specifici per il cloro libero (acido ipocloroso e ipoclorito) o per il cloro combinato (clorammine e sostanze clororganiche).


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Perché misurare il cloro?

Un forte agente ossidante, il cloro (Cl 2) è un disinfettante ideale. Livelli adeguati di cloro residuo nell'acqua potabile garantiscono la sicurezza dell'acqua per il consumo umano, ma una quantità eccessiva di cloro nell'acqua può avere effetti dannosi nella produzione farmaceutica, nei processi di trattamento con membrane e in altre applicazioni. L'eccesso di cloro residuo può causare danni all'ambiente e danneggiare le proprietà organolettiche dell'acqua di rubinetto.

Quando viene aggiunto all'acqua, il cloro reagisce formando cloro libero o clorammine (se è presente ammoniaca), che:

  • agiscono come germicidi potenti.
  • ossidano i metalli consentendone la rimozione
  • limitano molti sapori e odori sgradevoli.

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Le strategie della chimica per la disinfezione con cloro

La domanda di cloro è la quantità totale di cloro necessaria per reagire con tutti i contaminanti presenti nell'acqua quali metalli, batteri, sostanze organiche o ammoniaca. Via via che viene aggiunto e reagisce con i contaminanti, il cloro libero viene consumato. Una volta superata la soglia della domanda, il cloro libero diventa misurabile. Pertanto, la domanda di cloro è la differenza tra la quantità di cloro aggiunta all'acqua e il residuo di cloro misurabile rimanente dopo la reazione.

Conoscere la domanda di cloro contribuisce a garantire una disinfezione efficace durante l'intero processo di trattamento delle acque. La clorazione a breakpoint del cloro è l'applicazione di una quantità di cloro sufficiente a mantenere un residuo di cloro libero.

Rischi associati al trattamento non corretto del cloro residuo

  • Salute - il cloro deve essere rimosso dall'acqua utilizzata per la dialisi per evitare ai pazienti altri problemi di salute, compreso l'arresto cardiaco.
  • Ambiente - il cloro può causare danni ambientali anche a bassi livelli, in particolare agli organismi che vivono nell'acqua e nel suolo.
  • Strutture - i cloruri che possono formarsi a causa dell'uso di acqua clorurata possono causare fenomeni di tensocorrosione nell'acciaio inossidabile, compromettendo potenzialmente strumenti e strutture.
  • Settore farmaceutico - il cloro può danneggiare i principi attivi durante la produzione, con conseguente scarsa qualità del prodotto o perdita di prodotto.
  • Soluzioni per il trattamento delle acque - nei sistemi di trattamento delle acque, il cloro può degradare le membrane a osmosi inversa e le resine a scambio ionico.

Metodi di declorazione

Poiché il cloro può essere nocivo, alcune applicazioni richiedono la "declorazione". La declorazione per adsorbimento utilizza carbone attivo per rimuovere i composti clorurati. La declorazione chimica utilizza agenti riducenti come solfiti, bisolfiti o metabisolfiti per distruggere le specie clorurate.

Quali processi richiedono il monitoraggio del cloro?

Trattamento e distribuzione delle acque potabili

Durante la pre-ossidazione, l'acqua di sorgente in ingresso in un impianto è addizionata con cloro (pre-clorazione) per rimuovere tramite precipitazione i minerali come fase di trattamento primario (oltre alla disinfezione) e agevolare la rimozione della materia sospesa e disciolta prima della filtrazione. L'acqua viene quindi filtrata per migliorare la chiarezza e nuovamente clorata nuovamente.

Affinché il cloro sia efficace, la sua concentrazione prima e dopo la filtrazione (nonché il pH, la temperatura dell'acqua e il tempo di contatto) deve essere monitorata e controllata. La maggior parte degli impianti di trattamento possiede una camera di contatto (pozzo di raccolta dell'acqua filtrata) in cui il cloro viene iniettato, miscelato e lasciato a contatto con l'acqua per il tempo richiesto in funzione della temperatura, del pH e del tipo di microrganismi presenti nell'acqua. Il tempo di contatto fornisce un residuo di cloro, destinato a mantenere l'acqua sanificata quando entra nelle vasche di stoccaggio e si sposta attraverso il sistema di distribuzione.

L'intera clorazione prima (pre-clorazione) e dopo i filtri (post-clorazione) viene controllata in più punti durante il processo di trattamento e nel sistema di distribuzione. La clorazione supplementare dell'acqua di rubinetto nella rete viene solitamente eseguita presso le stazioni di pompaggio/rilancio e deve essere accuratamente monitorata e controllata.

È essenziale monitorare i livelli di cloro nel sistema di distribuzione per garantire che venga mantenuto il livello corretto di cloro residuo per soddisfare gli standard normativi in materia di disinfezione, oltre che per garantire che non sia presente cloro in eccesso.

Vantaggi dell'uso del cloro per disinfettare l'acqua potabile

  • Il cloro elimina i batteri, le muffe e le alghe che crescono comunemente nei serbatoi di approvvigionamento idrico, sulle pareti delle condotte della rete idrica e nei serbatoi di stoccaggio.
  • Il cloro è un potente germicida e riduce il livello di molti microrganismi patogeni nell'acqua potabile a valori in linea con le normative.
  • Il cloro aiuta a rimuovere ferro e manganese disciolti dall'acqua non trattata.
  • Il cloro riduce molti sapori e odori sgradevoli mediante:
    • ossidazione di sostanze organiche naturali quali secrezione di alghe maleodoranti, solfuri e odori emessi da materia vegetale in decomposizione.
    • distruzione del solfuro di idrogeno, che odora di uova marce.
    • rimozione dell'ammoniaca e di altri composti azotati che possono causare sapori sgradevoli.

Svantaggi dell'uso del cloro per disinfettare l'acqua potabile

  • Il cloro non è efficace contro cryptosporidium, un parassita potenzialmente letale.
  • Durante la clorazione, l'ammoniaca indesiderata può reagire con il cloro per formare clorammine che riducono il potenziale di disinfezione e possono creare problemi di gusto/odore se non monitorate e controllate in modo efficiente.
  • Quando reagisce con le sostanze organiche nell'acqua, il cloro può formare sottoprodotti di disinfezione (DBP) che sono considerati dannosi per la salute umana. A causa di questi rischi, esistono normative che limitano i livelli di DBP e le concentrazioni residue di cloro nell'acqua potabile.
Una vista aerea di un impianto di trattamento delle acque potabili. Il cloro è utilizzato come disinfettante.

Trattamento delle acque reflue

La clorazione è utilizzata nelle fasi finali del trattamento per distruggere gli agenti patogeni, così come i microrganismi utilizzati nelle fasi precedenti del trattamento per prevenire la diffusione di malattie attraverso l'acqua. Per ridurre la tossicità degli effluenti, si utilizza la declorazione per gestire i residui di cloro e garantire la conformità alle normative prima di scaricare le acque effluenti nei laghi, nei fiumi o nell'oceano. Il cloro è usato per ossidare i cianuri, che sono suscettibili alla clorazione.

Un bacino di equalizzazione in un impianto di trattamento delle acque. Questi bacini sono un ottimo strumento per il monitoraggio del cloro e per garantire livelli di sicurezza prima dello scarico nell'ambiente.

Torri di raffreddamento industriali

I livelli di cloro devono essere monitorati e controllati perché se sono troppo bassi, la proliferazione biologica può prevalere e ostruire i sistemi idrici. Tuttavia, se i livelli di cloro sono troppo elevati, possono verificarsi corrosione o altri danni.

Queste torri di raffreddamento ad acqua si basano sul cloro per ridurre la formazione di sostanze biologiche e la corrosione degli scambiatori di calore.

Trasformazione alimentare

Il cloro è spesso usato come agente sanificante per frutta, verdura, pollame e carni. Il mantenimento di livelli adeguati di cloro residuo è essenziale per ottimizzare il potere sanificante dell'acqua di risciacquo. L'acqua di ricircolo utilizzata per il bagno di risciacquo durante la pastorizzazione al termine del processo di confezionamento accumula contaminanti. Pertanto, è necessario mantenere un residuo di cloro per sanificare l'acqua.

Sui limoni viene spruzzata una soluzione di cloro per sanificarli mentre si spostano su un nastro trasportatore.

Processi Clean-in-Place (CIP) utilizzati nei settori farmaceutico, degli alimenti e delle bevande

Le tubazioni e i recipienti utilizzati nei processi industriali vengono periodicamente puliti e sanificati secondo una procedura denominata Clean-in-Place (CIP). Il cloro deve essere monitorato per garantire che nella soluzione CIP siano presenti livelli adeguati per la disinfezione e per prevenire la contaminazione dei prodotti dovuta alla mancanza o all'eccesso di cloro.

Un laboratorio con più postazioni di lavaggio si basa sulla sanificazione Clean-in-Place tramite una soluzione CIP al cloro.

Come viene monitorato il cloro?


Analizzatore di cloro CL17sc di Hach

Colorimetria

In generale, questo metodo ottico utilizza misure dell'intensità del colore per determinare la concentrazione di cloro in una soluzione. Quando al campione vengono aggiunte adeguate soluzioni tampone e di indicatore, si verifica una reazione che produce un colore la cui intensità è proporzionale alla concentrazione di cloro. L'intensità del colore viene misurata visivamente, tramite colorimetro o tramite spettrofotometro. Questo metodo è suscettibile alle interferenze dovute al colore e alla torbidità del campione, nonché da parte di alcune sostanze chimiche oltre al cloro, che reagiscono in concorrenza con l'indicatore.

Metodo DPD

Il metodo DPD è il metodo colorimetrico più utilizzato per misurare il cloro. Può essere utilizzato per misurare il cloro libero e totale con strumenti da campo, da laboratorio e online. Tuttavia, il metodo DPD è soggetto ad interferenza da altri ossidanti come manganese, cromo e clorammine.

Metodo dell'indofenolo

Il metodo dell'indofenolo, essendo selettivo per la monoclorammina, può essere usato per misurare monoclorammina e ammoniaca libera così come cloro libero. La monoclorammina viene determinata direttamente, mentre la determinazione sia della monoclorammina che dell'ammoniaca libera nello stesso metodo utilizza un reagente aggiuntivo per convertire l'ammoniaca libera in monoclorammina. Anche Il cloro libero può essere misurato con il metodo dell'indofenolo utilizzando un sistema a due reagenti che non è soggetto alle interferenze tipiche del metodo DPD. Tuttavia, questo metodo è disponibile solo per le analisi di laboratorio o sul campo e non per gli analizzatori online.

Metodo DPD-FEAS

Il metodo DPD-FEAS utilizza un indicatore visivo magenta che viene titolato fino a raggiungere un endpoint incolore. Questo metodo misura il cloro libero e totale.

Metodo iodometrico

Il metodo iodometrico utilizza un indicatore visivo blu che scompare all'endpoint di titolazione. Questo metodo viene tipicamente utilizzato per misurare alte concentrazioni di cloro totale.


Analizzatore amperometrico di cloro CL10sc di Hach

Amperometria online

Questo metodo elettrochimico misura la variazione della corrente elettrica risultante dalle reazioni chimiche che avvengono agli elettrodi, con la corrente proporzionale alla concentrazione di cloro. Sono disponibili sensori amperometrici con design diversi, che offrono una migliore selettività per specie di cloro differenti. Questo metodo non è soggetto a interferenze dovute al colore o alla torbidità del campione, tuttavia la superficie del sensore esposta al campione è soggetta a incrostazioni. Alcuni analizzatori amperometrici non richiedono reagenti. I sensori amperometrici richiedono manutenzione e devono essere tarati in situ con una frequenza che dipende dall'applicazione.

Domande frequenti

Cos'è la monoclorammina e come viene utilizzata nella disinfezione dell'acqua?

La monoclorammina è un disinfettante comunemente usato come alternativa al cloro libero per la disinfezione dell'acqua potabile, soprattutto perché forma meno DBP che il cloro libero.

Il termine clorammine, come è usato nel settore dell'acqua, descrive i tre composti principali che possono essere formati dalla reazione dell'ammoniaca con cloro: monoclorammina, diclorammina e triclorammina. Mentre la monoclorammina è il disinfettante target, gli altri composti indesiderati possono essere rilevati nell'acqua quando la cloraminazione non è adeguatamente controllata, in sistemi di acque sotterranee clorurate contenenti ammoniaca naturale e in effluenti di acque reflue clorurate. È importante notare che le clorammine indicano un gruppo di composti e non una singola sostanza. Una descrizione più tecnica di questo gruppo sarebbe “clorammine inorganiche” per distinguerle dalle clorammine organiche che forniscono un potere disinfettante basso o nullo. In genere si presuppone che le clorammine si formino in sequenza, ossia prima la monoclorammina, poi la diclorammina e infine la triclorammina, quando il cloro viene continuamente aggiunto all'acqua contenente ammoniaca. Tuttavia, questo processo si inverte quando l'ammoniaca viene aggiunta all'acqua clorurata. Il processo di cloraminazione è molto complesso e richiede un monitoraggio notevolmente più attivo per un controllo efficiente.

Lo scopo della cloraminazione è una formazione completa di monoclorammina, evitando le altre clorammine. Il rapporto di massa 5:1 Cl 2:N risulta essere una proporzione di dosaggio chimico ottimale, evitando la formazione di diclorammina (problemi di gusto e odore), minimizzando l'ammoniaca che non ha reagito e controllando il biofilm e la nitrificazione a valle.

Cosa provocherebbe risultati positivi con DPD quando nel campione non è presente cloro?

Altri ossidanti come bromo, iodio, ozono, biossido di cloro e alcuni metalli o perossido di idrogeno possono reagire con DPD in varie circostanze e causare falsi positivi. L'interferenza più comune è da manganese ossidato e può essere corretta trattando il campione con ioduro di potassio e arsenito di sodio. La luce solare può reagire con l'indicatore DPD durante il tempo di reazione di 3 minuti per il cloro totale (se si eseguono test all'esterno, mantenere il campione coperto durante il tempo di reazione).

Nei range bassi di cloro, l'ossigeno disciolto può causare interferenze soprattutto in presenza di luce solare diretta. Se si utilizza il metodo ULR (Ultra-Low Range) su un colorimetro o uno spettrofotometro, confermare che un bianco reagente utilizzando acqua deionizzata sia stato determinato e sottratto dai risultati dell'analisi del campione. Si consiglia inoltre di utilizzare la stessa cella campione per azzerare lo strumento e leggere la concentrazione del campione. In questo modo si evitano gli effetti che potrebbero essere dovuti solo alle differenze ottiche tra lo zero e la cella di lettura.

In quali casi è consigliabile utilizzare il reagente indofenolo per il cloro libero anziché il reagente DPD per il cloro libero?

Esistono diversi motivi per utilizzare l'indofenolo per il cloro libero del metodo Hach 10241 rispetto alla chimica DPD:

  • Determinazione dei livelli residui di cloro libero in presenza di manganese e altri ossidanti, che interferiscono con i metodi colorimetrici DPD e di titolazione DPD e amperometrica per il cloro libero. Uso in acqua potabile, acqua potabile clorurata, acqua per piscine ed effluenti di acque reflue trattate.
  • Determinazione del cloro libero in presenza di clorammine (il cloro libero deve essere prevalente nel campione d'acqua). Le clorammine reagiscono con l'indicatore di cloro libero DPD. La loro presenza farà sì che il colore sviluppato sia instabile e aumenti lentamente nel tempo. Il tasso di interferenza dipende dalla concentrazione delle clorammine, dalla loro struttura, dal pH e dalla temperatura del campione, il che rende difficile prevedere il livello di interferenza sul valore effettivo di cloro libero.

Il metodo dell'indofenolo per il cloro libero utilizza la soluzione di reagente Freechlor F per convertire rapidamente il cloro libero presente nel campione in monoclorammina. La monoclorammina formata viene quindi determinata con il reagente Monochlor F, che è specifico per la monoclorammina. Manganese, altre clorammine e ammine organiche clorurate non reagiscono con il reagente Monochlor F e pertanto non interferiscono con la determinazione del cloro libero. Si utilizza un bianco campione di Monochlor F per compensare l'eventuale monoclorammina presente nel campione originale.

Quando deve essere misurato il cloro totale?

Il cloro totale viene tipicamente misurato nei sistemi che utilizzano la cloraminazione quando il cloro viene fatto reagire intenzionalmente con ammoniaca. Il cloro totale è la somma del cloro libero e delle clorammine inorganiche. Se i livelli di cloro devono essere comunicati a un ente normativo, sarebbe opportuno confermare quale forma di cloro (libero o totale) deve essere misurata e quale metodologia utilizzata per l'analisi.

Quando deve essere misurato il cloro libero?

Il cloro libero viene generalmente misurato in sistemi di acqua potabile che utilizzano gas cloro o ipoclorito di sodio per la disinfezione allo scopo di verificare se l'acqua contiene una quantità sufficiente di disinfettante. I livelli tipici di cloro libero residuo nell'acqua potabile massimi sono 0,2 mg/L Cl 2. Se i livelli di cloro devono essere comunicati a un ente normativo, sarebbe opportuno confermare quale forma di cloro (libero o totale) deve essere misurata e quale metodologia utilizzata per l'analisi.