La clorazione delle acque viene effettuata con lo scopo di eliminare microrganismi patogeni quali batteri, virus, funghi, protozoi e spore al fine di impedire la trasmissione di malattie infettive.
Quando il cloro viene aggiunto all'acqua reagisce con i composti in essa presenti come ad esempio con i composti organici, con agenti riducenti, con ioni Fe2+, con ioni NO2–.
Consideriamo, ad esempio, la reazione tra cloro e solfuro di idrogeno in acqua. Questa reazione può avvenire in due modi:
H2S + Cl2 + O2- → S + H2O + 2 Cl–
in cui dalla reazione si ottiene zolfo che precipita
H2S + 4 Cl2 + 4 H2O → H2SO4 + 8 HCl
Come si può notare in ciascuna reazione il cloro reagisce per dare rispettivamente cloruro e acido cloridrico che non hanno proprietà disinfettanti e pertanto la quantità di cloro aggiunta non ha prodotto composti con le proprietà desiderate. Deve essere aggiunta quindi una quantità di cloro superiore affinché possa trovarsi in eccesso ed espletare la sua attività.
Il cloro peraltro reagisce anche con l'acqua e questa reazione dipende dal tipo di cloro usato e dal pH dell'acqua. Il cloro, infatti, può essere aggiunto sotto forma di cloro gassoso, di ipoclorito o di biossido di cloro: questi composti hanno tutti la caratteristica di uccidere i batteri a alcuni virus ma solo il biossido di cloro è in grado di eliminare i parassiti più frequenti nelle acque ovvero il Cryptosporidium e la Giardia lamblia oltre che alcuni virus.
Cloro gassoso
Il cloro si presenta sotto forma di Cl2 ed è gassoso a temperatura ambiente; viene pertanto compresso e liquefatto e immagazzinato in cilindri metallici. Allo stato gassoso, infatti sarebbe difficile da trasportare, ed inoltre è tossico, corrosivo, irritante e, ad alte concentrazione può essere mortale.
Quando il cloro entra in contatto con l'acqua avviene la reazione di disproporzione:
Cl2 + H2O → HClO + HCl
L'acido ipocloroso che è un acido debole, a seconda del pH, può dissociarsi in modo più o meno marcato secondo l'equilibrio:
HClO ⇌ H+ + ClO–
In base al Principio di Le Chatelier in un ambiente acido l'acido si dissocia debolmente, mentre la sua dissociazione è favorita da pH basici. Poiché solo la forma di acido indissociato ha un'azione disinfettante ad alti valori di pH la disinfezione risulta poco efficace.
Ipoclorito
Per la clorazione in alcuni casi al posto del cloro gassoso, alcune centrali impiegano l'ipoclorito che tuttavia pur essendo meno dannoso del cloro presenta lo svantaggio di potersi decomporre nel tempo durante lo stoccaggio; esso è infatti è sensibile alla temperatura e alla luce.
Vi sono tre tipi di ipoclorito:
- L'ipoclorito di sodio NaClO che si trova in forma liquida e contiene circa il 12% di cloro
- L'ipoclorito di calcio Ca(ClO)2 che è un solido che unito all'acqua forma una soluzione che può raggiungere concentrazioni del 65-70% m/m
- Candeggina che ha concentrazioni di cloro variabili dal 5 al 3.5% m/m
L'azione dell'ipoclorito è analoga a quella del cloro in quanto in acqua dà luogo alla formazione di acido ipocloroso. Sia l'ipoclorito di sodio che quello di calcio sono sali che si dissociano in acqua dando ioni ClO–
NaClO → Na+ + ClO–
Ca(ClO)2 → Ca2+ + 2 ClO–
Dalla reazione di idrolisi dell'ipoclorito si ha:
ClO– + H2O ⇌ HClO + OH–
quindi si ha una reazione uguale a quella che avviene con il cloro gassoso.
Clorammine
Per la clorazione alcune centrali di potabilizzazione delle acque fanno uso di clorammina: inizialmente è aggiunto il cloro o l'ipoclorito con ottenimento di acido ipocloroso e successivamente viene aggiunta ammoniaca per ottenere la clorammina. Si possono formare tre tipi di clorammine: monoclorammina, diclorammina e triclorammina. La monoclorammina si forma dalla reazione dell'acido ipocloroso con l'ammoniaca:
HClO + NH3 → NH2Cl + H2O
La monoclorammina può ulteriormente reagire con l'acido ipocloroso per dare la diclorammina:
NH2Cl + HClO → NHCl2 + H2O
Infine la diclorammina può reagire con l'acido ipocloroso per dare la triclorammina:
NHCl2 + HClO → NCl3 + H2O
Tali reazioni decorrono a seconda del pH ed in genere si formano sia monoclorammina che diclorammina che sono meno efficaci rispetto al cloro e all'ipoclorito ma sono più stabili e sono usate in genere nelle linee di distribuzione nei sistemi di trattamento delle acque. Le clorammine, tuttavia sono efficaci nei confronti dei batteri e di alcuni protozoi ma inefficaci nei confronti dei virus
