Disinfettanti

Cloro

Il cloro è uno dei disinfettanti il più comunemente usati per la disinfezione dell'acqua. Può essere applicato per la disattivazione della maggior parte dei microorganismi ed è relativamente poco costoso.

Quando fu scoperto il cloro?

Il cloro gassoso fu presumibilmente scoperto nel tredicesimo secolo. Il cloro (Cl2) fu prima preparato in forma pura dal chimico svedese Carl Wilhelm Scheele nel 1774: Scheele riscaldo' una pietra marrone (diossido di manganese; MnO₂) con acido cloridrico (HCl). Quando queste sostanze sono riscaldate vengnono rotti i legami, causando la formazione di cloruro del manganese (MnCl2), acqua (H2O) e cloro gassoso (Cl2).

Meccanismo di reazione:

MnO₂ + 4HCl -> MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

Figura 1: Carl Wilhelm Scheele che scopri' il cloro nel 1774

Scheele scopri' che il cloro gassoso era solubile in acqua e che potreva essere usato per candeggiare carta, verdure e fiori. Inoltre reagiva con metalli e ossidi di metallo. Nel 1810 Humphry Davy, un chimico inglese che esamino' le reazioni fondamentali dei gas di cloro, scopri' che il gas Scheele trovato doveva essere un elemento, dato che il gas non era separabile. Chiamo' tale gas 'cloro' (Cl), secondo la parola greca 'chloros', che significa giallo-verdastro e si riferisce al colore del gas di cloro (White, 1999. Watt, 2002).

Dove si puo' trovare il cloro?

Il cloro può essere trovato su molti luoghi differenti in tutto il mondo. Si trova sempre in composti, dal momento che è un elemento molto reattivo, solitamente legato a sodio (Na), per esempio nel sale della cucina (cloruro di sodio, NaCl). La maggior parte del cloro si può trovare dissolto in mari ed in laghi salati. Grandi quantità si possono anche trovare nel terreno come sali rocciosi o halite.

Le proprienta' del cloro

Il cloro (Cl2) è uno degli elementi più reattivi, si lega facilmente ad altri elementi. Nella tavola periodica il cloro si trova fra gli alogeni. Altri alogeno sono fluoro (F), bromo (Br), Iodio (I) ed Anstato (At). Tutti gli alogeni reagiscono con altri elementi nello stesso modo e possono formare una grande quantità di sostanze. Gli alogeni reagiscono spesso con i metalli per formare sali solubili.

Gli atomi di cloro contengono 17 elettroni negativi (particelle caricate negativamente), che girano intorno al nucleo pesante dell'atomo in tre strati. Negli strati interni ci sono due elettroni, in quelli centrali otto e in quelli esterni ci sono sette elettroni. Negli strati esterni rimane spazio per un altro elettrone. Ciò causa la formazione di atomi liberi elettricamente caricati, detti ioni. Può anche causare la formazione di un elettrone supplementare (un legame covalente; un legame del cloro), completando lo strato esterno.

Figura 2: atomi di cloro contenenti 17 elettroni

Il cloro può formare sostanze molto stabili, come il sale della cucina (NaCl) o prodotti molto reattivi, come l'acido cloridrico (HCl). Quando quest'ultimo si dissolve in acqua si transforma in in acido idrocloridrico. L'atomo dell'idrogeno cede un elettrone all'atomo di cloro, causando la formazione di ioni cloro e idrogeno. Questi ioni reagiscono con qualunque sostanza con cui entrano in contatto, persino con metalli che sono resistenti alla corrosione in circostanze normali. L'acido idrocloridrico concentrato può persino corrodere l'acciaio inossidabile. Ecco perchè è immagazzinato in recipienti di vetro o plastica.

Come viene trasportato il cloro?

Il cloro è un gas molto reattivo e corrosivo. Quando è trasportato, immagazzinato o usato, devono essere prese delle misure di sicurezza. In Olanda per esempio, il cloro è trasportato in treni separati per il cloro.

Come puo' essere immagazzinato il cloro?

Il cloro acquoso dovrebbe essere protetto dalla luce solare. Il cloro viene scisso dall'azione della luce solare. La radiazione UV dei raggi solari fornisce l'energia necessaria alla ripartizione delle molecole dell' acido ipocloroso HOCl. Innanzittutto la molecola di acqua (H2O) è scissa, causando il rilascio di elettroni che riducono gli atomi dell'acido underclorico in cloro (Cl-). Durante questa reazione e' liberato un atomo di ossigeno, che sarà convertito in molecola di ossigeno:

2HOCl -> 2H⁺ + 2Cl^- + O₂

Come viene prodotto il cloro?

Il cloro è prodotto da legami di cloro per mezzo di ossidazione elettrolitica o chimica, spesso ottenuta tramite elettrolisi di acqua salata o di sale roccioso. I sali sono dissolti in acqua, formando una brina. che può condurre una forte corrente continua in una cellula electolitica. A causa di questa corrente (dovuta al sale dissolto in acqua) gli ioni sono trasformati in atomi di cloro. Il sale e l'acqua sono trasformati in idrossido di sodio (NaOH) ed idrogeno (H₂) al catodo e cloro gassono aull'anodo. Questi prodotti dovrebbero essere separati al catodo e all'anodo, l'idrogeno reagisce molto aggressivamente con il cloro gassoso.

Quali metodi si possono usare per produrre cloro?

Per produrre cloro si possono usare tre metodi diversi.

1. Il metodo cella-diaframma, che impedisce ai prodotti di mescolarsi o reagire per mezzo di un diaframma. La cella per l'elettrolisi contiene un polo positivo, fatto di titanio e di un polo negativo, fatto di acciaio. Gli elettrodi sono separati da un cosiddetto diaframma, una parete che si lascia attraversare soltanto dai liquidi, causando la formazione di gas durante la reazione di separazione. L'applicazione del principio delle controcorrenti impedisce agli ioni dell'idrossido di raggiungere il polo positivo. Tuttavia, gli ioni di cloro possono passare attraverso il diaframma, inducendo l'idrossido di sodio ad essere leggermente inquinato dal cloro. Ciò provoca le seguenti reazioni:

+ polo : 2Cl^- -> Cl₂ + 2e^-
- polo : 2 H₂O + 2 e^- -> 2OH^- + H₂

2. Il metodo della cella a mercurio sfrutta un elettrodo di mercurio, inducendo i prodotti di reazione ad essere più puri di quelli della metodo della cella-diaframma. Con questo metodo si usa un barilotto di elettrolisi che contiene un polo positivo di titanio e un polo negativo di mercurio fluente. Sul polo negativo avviene una reazione con il sodio (Na+), che induce gli la formazione degli amalgami di sodio. Quando questi amalgami attraversano un secondo barilotto di reazione, il sodio reagisce con l'acqua per formare idrossido di sodio e idrogeno. Ciò induce l'idrogeno a rimanere separato dal cloro gassoso, che si forma sul polo positivo.
All'interno dei barilotti per l'elettrolisi avvengono le seguenti reazioni:
primo barilotto:
+ polo : 2 Cl^- -> Cl₂ + 2e^-
- polo : Na⁺ + e^- -> Na
secondo barilotto: 2Na + 2H₂O -> 2 Na⁺ + 2OH^- + H₂

3. Il metodo a membrana assomiglia al metodo a diaframma. L'unica differenza è che la membrana permette soltanto il passaggio degli ioni positivi, inducendo la formazione di una forma relativamente di idrossido di sodio.
Durante il processo di elettrolisi del mercurio si forma una soluzione contenente il % 50 in massa di idrossido di sodio. Tuttavia, durante i processi di membrana e diaframma la soluzione deve essere volatilizzata usando il vapore.

Il 60% della produzione europea di cloro avviene per mezzo di elettrolisi del mercurio, mentre il 20% avviene tramite processo a diaframma ed il 20% tramite il processo a membrana.

Il cloro può anche essere prodotto per mezzo di ossidazione dell'acido cloridrico con ossigeno atmosferico. Il cloruro di rame (II) (CuCl2) viene usato come catalizzatore durante questo processo detto 'Deaconprocess':

4HCl + O₂ -> 2H₂O + 2Cl₂

Infine il cloro puo' essere prodotto attraverso sali elettrolitici sciolti e, soprattutto in laboratori attraverso ossidazione di acido idrocloridrico e diossido di manganese:

MnO₂ + 4HCl -> MnCl₂ + 2H₂O + Cl₂

Quando cloro gassoso viene aggiunto all'acqua ha luogo la seguente reazione:

Cl₂ + H₂O = H⁺ + Cl^- + HOCl

Applicazioni del cloro

Il cloro è applicato in scala massiccia, è un elemento molto reattivo, quindi forma velocemente composti con altre sostanze. Il cloro ha inoltre la capacità di formare legami fra sostanze che normalmente non reagiscono tra loro. Quando il cloro si lega ad una sostanza che contiene gli atomi di carbonio, si formano sostanze organiche, come ad esempio plastica, solventi e petroli, ma anche parecchi fluidi del corpo umano. Quando il cloro si lega chimicamente ad altri elementi, sostituisce spesso un atomo dell'idrogeno durante la cosiddetta reazione di sostituzione. Gli atomi multipli di idrogeno nella stessa molecola possono essere sostituiti da atomi di cloro, inducendo le nuove sostanze a formarsi una dopo l'altra.

Il cloro svolge un ruolo importante nella scienza medica. È usato non soltanto come disinfettante, ma è anche un costituente di varie medicine. La maggior parte delle nostre medicine contengono cloro o sono state prodotte usando sottoprodotti contenenti cloro. Anche le erbe mediche contengono cloro. Il primo anestetico usato durante la chirurgia fu il cloroformio (CHCl3).

L'industria chimica genera decine di migliaia di prodotti a base di cloro usando soltanto poche sostanze chimiche contenenti cloro. Esempi di prodotti che contengono cloro sono la colla, le vernici, i solventi, le gomme piume, i paraurti delle automobili, gli additivi alimentari, gli antiparassitari e l'antigelo. Una delle sostanze contenenti cloro più comunemente usate è il PVC (poli vinil cloruro). Il PVC ampiamente è usato, per esempio, nei tubi di drenaggio, nelle barre per isolamento, in pavimenti, finestre, bottiglie e vestiti impermeabili.

Figura 3: Prodotti contenenti cloro

Il candeggiante a base di cloro è applicato come disinfettante su vasta scala. Le sostanze sono anche usate per candeggiare la carta. L'imbianchimento si presenta come conseguenza dell'ossidazione dell'ipoclorito o del cloro.

Circa il 65% del cloro industriale è usato per produrre sostanze chimiche organiche, come la plastica. Circa il 20% è usato per produrre il candeggiante ed i disinfettanti. Il cloro restante è usato per produrre composti inorganici da cloro e vari elementi, come zinco (Zn), ferro (Fe) e titanio (Ti).

Il cloro come disinfettante

Il cloro è uno dei disinfettanti il più ampiamente usati. È ben applicabile e molto efficace per la disattivazione dei microorganismi patogeni. Esso può essere applicato, misurato e controllato facilmente. È piuttosto persistente e relativamente economico.
Il cloro è stato usato in verie applicazioni, come la disattivazione degli agenti patogeni nell'acqua potabile, nell'acqua delle piscine ed in acqua reflua, per la disinfezione delle aree residenziali e per il candeggiamento dei tessuti, da più di duecento anni. Quando il cloro fu scoperto non si era a conoscenza che le malattie erano causate dai microorganismi. Nel diciannovesimo secolo i medici e gli scienziati scoprirono che molte malattie sono contagiose e che la diffusione della malattia può essere evitata tramite la disinfezione di parti degli ospedali. Subito in seguito, incominciammo a sperimentare il cloro come disinfettante. Nel 1835 il medico e scrittore Oliver Wendel Holmes consiglio' alle ostetriche di lavarsi le mani con ipoclorito di calcio (Ca(ClO)2-4H2O) per impedire una diffusione della febbre delle ostetriche.
Cominque cominciammo ad usare il cloro come disinfettante su più larga scala nel diciannovesimo secolo, dopo che Louis Pasteur scopri' che i microorganismi diffondevano determinate malattie.
Il cloro ha svolto un ruolo importante nella speranza di vita degli esseri umani.

Per maggiori informazioni sugli agenti patogeni presenti nell'acqua, dai un'occhiata ai patogeni presenti nell'acqua.

Cloro come candeggiante

Le superfici possono essere disinfettate tramite la candeggina. Essa consiste in cloro gassoso dissolto in una soluzione alcalinica, come idrossido del sodio (NaOH). Quando il cloro è dissolto in una soluzione alcalina, gli ioni dell'ipoclorito (OCl-) si formano tramite una reazione del autoriduzione. Il cloro reagisce con l'idrossido di sodio in ipoclorito di sodio (NaOCl). che e' un disinfettante molto buono con un effetto stabile.
Il candeggiante non può essere combinato con gli acidi. Quando entra in contatto con acidi l'ipoclorito diventa instable, facendo uscire il gas tossico di cloro. L'acido ipoclorico che lo accompagna non è molto stabile.

Figura 4: Il cloro e' frequentemente usato come disinfettante

Si puo' ache utilizzare la polvere candeggiante (CaOCl2). Essa e' prodotta facendo passare il cloro attraverso l'idrossido del calcio (CaOH). Il vantaggio nell'usare la polvere consiste nel fatto che si tratta di un solido, cio' rende piu' facile l'applicazione come disinfettante in area medica, insieme al suo impiego come candeggiante. Quando la polvere di candeggina si dissolve, reagisce con l'acqua formando acido ipocloroso (HOCl) e con gli ioni ipoclorito (OCl-).

Come funziona la disinfezione tramite cloro?

Il cloro uccide gli agenti patogeni come batteri e virus rompendo i legami chimici delle loro molecole. I disinfettanti usati a tale fine consistono in composti di cloro che possono scambiare atomi con altri composti, quali enzimi batteri ed altre cellule. Quando gli enzimi entrano in contatto con il cloro, uno o più atomi della molecole di idrogeno sono sostituiti dal cloro. Ciò la deformazione o il deterioramento dell'intera molecola. Quando gli enzimi non funzionano correttamente, la cellula o il batterio muoiono.

Quando si aggiunge all'acqua cloro, si formano gli acidi ipocloritici:

Cl₂ + H₂O -> HOCl + H⁺ + Cl^-

A seconda del valore del pH una parte degli acidi ipocloridrici si trasforma in ioni ipoclorito:

Cl₂ + 2H₂O -> HOCl + H3O + Cl^-
HOCl + H₂O -> H₃O⁺ + OCl^-

Essi si scindono in ioni di cloro e ossigeno:

OCl^- -> Cl^- + O2-

L'acido ipocloroso (HOCl, che è elettricamente neutro) e gli ioni ipoclorito (OCl-, elettricamente negativi) formano cloro libero quando legati insieme, realizzando la disinfezione. Le due sostanze hanno un comportamento diverso. L'acido ipocloridrico è più reattivo ed è un disinfettante più forte rispetto all'ipoclorito. Esso inoltre e' scisso in acido cloridrico (HCl) ed ossigeno atomico (O). L'atomo di ossigeno è un potente disinfettante. Le proprietà di disinfezione del cloro in acqua si basano sul potere ossidante degli atomi di ossigeno liberi e sulle reazioni di sostituzione del cloro.

Figura 5: il neutrale acido ipocloridrico puo' penetrare le pareti cellulari di organismi patogeni rispetto agli ioni ipoclorito elettricamente caricati

La parete delle cellule dei microorganismi patogeni è naturalmente caricata negativamente. Come tale, può essere penetrata dall'acido ipocloridrico neutro, piuttosto che dallo ione ipoclorito negativamente caricato. L'acido di ipocloridrico può penetrare gli strati melmosi, le pareti delle cellule e gli strati protettivi dei microorganismi ed efficacemente uccidere gli agenti patogeni. I microorganismi muoiono o soffrono di disturbi riproduttivi.

L'efficacia della disinfezione e' funzione del pH dell'acqua. La disinfezione con cloro avviene preferibilmente quando il pH è compreso fra 5.5 e 7.5, L'acido ipocloridrico reagisce piu' velocemente degli ioni ipoclorito (OCl-) ed è 80-100% più efficace. Il livello di acido ipocloridrico diminuirà quando il pH è più alto. Con un pH pari a 6 il livello di acido ipocloridrico è 80%, mentre la concentrazione degli ioni ipoclorito è 20%. Quando il livello di pH è pari a 8, avviene il contrario. Quando il pH è 7.5, le concentrazioni dell'acido ipocloridrico e degli ioni ipoclorito sono ugualmente alte.

Acido ipocloridrico (sinistra) : ioni ipoclorito (destra)

Cos'e' il cloro libero e legato?

Quando il cloro viene aggiunto ad acqua per la disinfezione, solitamente inizia a reagire con i composti organici ed inorganici dissolti nell'acqua, e non può più essere usato per la disinfezione dopo quello, in quanto ha formato altri prodotti. La quantità di cloro usato durante questo processo viene indicata come 'richiesta di cloro' dell'acqua. Il cloro può reagire con l'ammoniaca (NH3) formando le clorammine, composti di prodotti chimici che contengono cloro, azoto (N) e idrogeno (H). Questi composti vengono indicati come 'composti di cloro attivi' (al contrario dell'acido ipocloridrico ed ipoclorito, che vengono indicati come 'cloro attivo libero') e sono a responsabili della disinfezione dell'acqua. Tuttavia, questi composti reagiscono molto più lentamente del cloro attivo libero.

Quali dosi di cloro e' opportuno applicare?

Quando si dosa il cloro e' opportuno tenere presente che il cloro reagisce con i composti nell'acqua. La dose deve essere abbastanza elevata da consentire ad una quantita' significativa di cloro di rimanere nell'acqua per la disinfezione. la richiesta di cloro dipende dalla quantità di materia organica presente nell'acqua, dal pH dell'acqua, dal tempo di contatto e dalla temperatura. Il cloro reagisce con la materia organica formando i sottoprodotti di disinfezione, come i trialometani (THM) e gli acidi acetici alogenati (HAA).
Si puo' aggiungere cloro per la disinfezione in vari modi. Quando si realizza la clorazione ordinaria, viene semplicemente aggiunto cloro all'acqua, senza alcun pre trattamento. Pre o post clorinazione significa aggiunta di cloro all'acqua prima e dopo altre fasi di trattamento. Riclorinazione significa aggiunta di cloro all'acqua trattata in uno o più punti del sistema di distribuzione per conservare la disinfezione.

Qual'e' il punto di rottura della clorinazione?

Il punto di ruttura della clorazione consiste nell'aggiunta continua di cloro all'acqua fino al punto in cui è soddisfatta la richiesta di cloro e tutta l'ammoniaca presente è ossidata, di modo la lasciare soltanto cloro libero. Cio' e' solitamente applicato per la disinfezione, ma ha anche altri benefici, come il controllo di odore e gusto. Per raggiungere il punto di rottura viene realizzata la superclorinazione. Per realizzarla, si usano concentrazioni di cloro che superano di molto la concentrazione di 1 mg/l necessaria per la disinfezione.

Quale concentrazione di cloro viene applicata?

Il cloro gassoso può essere ottenuto come gas fluido a 10 bar in vassoi in pressione. È altamente solubile in acqua (3 L cloro/1 L acqua). Per uccidere i batteri è necessario poco cloro; circa 0.2-0.4 mg/L. Le concentrazioni di cloro aggiunte all'acqua sono solitamente più alte, a causa della richiesta di cloro dell'acqua. Al giorno d'oggi il gas di cloro è usato soltanto per grandi installazioni comunali ed industriali di depurazione dell'acqua. Per applicazioni più piccole solitamente si aggiungono ipoclorito di calcio o di sodio.

Quali fattori determinano l'efficacia della disinfezione tramite cloro?

Fattori che determinano l'efficacir della disinfezione con cloro: concentrazioni di cloro, tempo di contatto, temperatura, pH, numero e tipo di microorganismi, concentrazioni di materia organica nell'acqua.

Tabella 1: tempo di disinfezione per parecchi tipi diversi di microrganismi patogeni con acqua clorinata, contenenti una concentrazione di cloro di1 mg/L (1 ppm) a pH = 7,5 e T = 25 °C

Quali sono gli effetti del cloro sulla salute?

La reazione del corpo umano al cloro dipende dalla concentrazione di cloro presente nell'aria e dalla durata e dalla frequenza di esposizione. Gli effetti dipendono inoltre dalla salute degli individui e dalle condizioni ambientali durante l'esposizione.
Quando piccole quantita' di cloro vengono inspirate durante in brevi periodi di tempo, cio' può interessare il sistema respiratorio. Gli effetti variano da dolore alla cassa toracica e tosse, ad accumulazione di fluido nei polmoni. Il cloro può anche causare irritazioni agli occhi ed alla pelle, effetti che non avvengono in circostanze naturali. Quando il cloro entra nel corpo non è molto persistente, a causa della sua reattività. Il cloro puro è molto tossico e persino una piccola quantita' può essere mortale. Durante la prima guerra mondiale il gas fu usato su vasta scala per danneggiare o uccidere i soldati nemici. I tedeschi furono i primi ad usare il cloro gassoso contro i loro nemici.
Il cloro è molto più denso rispetto all'aria, inducendolo la formazione di un vapore tossico sopra il terreno. Il cloro gassoso interessa la membrana mucosa (naso, gola, occhi). Il cloro è tossico nei confronti della membrane mucose in quanto le dissolve, inducendo il cloro gassoso ad entrare nei vasi sanguigni. Quando il cloro gassoso viene respirato nei polmoni essi si riempiono di fluido, provocando nelle persone una specie di annegamento.

Cosa dice la normativa riguardante il cloro?

EU:
Le linee guida Europee 98/83/EC per l'acqua potabile non contengono indicazioni per il cloro.

WHO (World Health Organisation - Organizzazione Modiale per la salute):
Gli standard per l'acqua potabile WHO stabiliscono che 2-3 mg/l di cloro dovrebbero essere aggiunti all'acqua per avere soddisfacenti disinfezione e concentrazione residua. La quantità massima di cloro utilizzabile è 5 mg/l. Per una disinfezione più efficace le quantità residue di cloro libero dovrebbero superare i 0.5 mg/l dopo almeno 30 minuti di contatto ad un pH di 8 o inferiore. (WHO, linee quida per la qualità dell'acqua potabile. terza edizione)

USA:
Gli standard nazionali per l'acqua potabile stabiliscono una concentrazione residuale massima di cloro di 4 mg/l. Fino a poco tempo fa gli Stati Uniti usavano estesamente il cloro gassoso per il trattamento dell'acqua reflua. Oggi, l'uso di cloro viene evitato, principalmente a causa dei sottoprodotti pericolosi di disinfezione, come i trialometani (THM).
Tuttavia, il cloro e' ancora il disinfettante principale negli Stati Uniti, dal momento che è relativamente poco costoso. L'applicazione del piano di gestione del rischio (RPM) per l'atto di gestione dell'aria pulita (CAA) per l'immagazzinamento dei prodotti chimici tossici da parte dell'EPA (giugno, 1999) e la ri-registrazione del cloro gassoso come antiparassitario (EPA, 2001) hanno causato sempre più spesso il passaggio degli impianti di trattamento dell'acqua reflua da cloro gassoso ad ipoclorito di sodio. Ciò avviene perché le aziende non desiderano realizzare un programma di gestione del rischio per il cloro gassoso, in quanto questo richiede tempo e soldi.

Maggiori informazioni sulla disinfezione dell'acqua?:

Introduzione alla disinfezione dell'acqua
Necessita' di trattamento dell'acqua
Storia del trattamento dell'acqua

Che cos'e' la disinfezione dell'acqua?
Necessita' di disinfezione dell'acqua
Storia della disinfezione dell'acqua
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Legislazione per la disinfezione dell'acqua EU USA
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