Désinfectants: les chloramines

Chloramines
L'odeur et la saveur de l'eau ont été améliorés grâce à l'utilisation de chloramines depuis le début du 21^ème siècle. Dans certains cas les chloramines sont aussi utilisées pour la désinfection de l'eau.

Quelles sont les propriétés des chloramines

Les chloramines sont formées lors d'une réaction entre le dichlore (Cl₂) et l'ammoniac (NH₃). Ce sont des amines qui contiennent au moins un atome de chlore, qui est directement lié à un atome d'azote (N). Les chloramines inorganiques sont formées quand le chlore dissous et l'ammoniaque réagissent. Lors de cette réaction trois chloramines différentes sont formées; monochloramine (NH₂Cl), dichloramine (NHCl₂) et trichloramine (NCl₃).
Les chloramines inorganiques, le chlore libre et les chloramines organiques sont chimiquement "reliées" et peuvent se transformer l'une en l'autre assez facilement. Ces composés ne peuvent être trouvés sous formes isolées. Les chloramines inorganiques ne sont pas persistantes, cependant, ces composés sont plus persistants que ceux du dichlore. Des recherches ont montré que la durée de demi-vie des chloramines inorganiques peut varier d'une minute à 23 jours, cette demi-vie dépendant de l'environnement dans lesquelles elles se trouvent.

Comment les chloramines sont-elles produites?

Les chloramines sont fréquemment produites par addition de l'ammoniac dans l'eau contenant contenant du chlore libre (HOCl ou OCl, cela dépendant du pH). La valeur idéale du pH pour cette réaction est de 8,4. Cela signifie que l'eau a légèrement un caractère alcalin.

Mécanisme de réaction:
NH₃ (aq) + HOCI -> NH₂Cl + H₂O

Lorsque la réaction a lieu, trois différents types de chloramines inorganiques peuvent être formés. La valeur du pH détermine quel type de chmoramine sera formé. Les trichloramines sont principalement formées lorsque la valeur du pH est inférieur à 3. Lorque la valeur du pH est supérieure à 7, la concentration en dichloramine sera la plus importante.
Les quantités de chlore et d'ammoniac dans l'eau influencent aussi la formation des chloramines. Le taux de chlore/ammoniac idéal est de 6:1. Pendant la production de chloramine, la proportion est normalement 3-5:1. Lorsque la concentration en ammoniac est supérieure plus de dichloramines et de trichloramines seront formées.
Des chloramines organiques peuvent aussi être formées pendant ces réactions. Les chloramines organiques ne peuvent être distinguées des autres chloramines, en utilisant les méthodes d'analyses standard des chloramines.

Figure 1: La valeur du pH détermine quel type de chloramine sera formé

Tableau 1: propriétés de différents types de chloramines

formule

nom

masse moléculaire

Domaine pH

efficacité désinfection

NH₂Cl

monochloramine

52

> 7

bonne

NHCl₂

dichloramine

85

4 - 7

tolérable

NCl₃

trichloramine

119

1 - 3

moyenne

RNHCl

chloramines organiques

varie

inconnu

mauvaise

Quelles ont les applications des chloramines?

Les chloramines peuvent être utilisées comme agents de blanchissement, comme désinfectants et comme oxydants. Les désinfectants diffusent lentement le chlore, entrainant une désinfection plus diffuse et moins agressive que l'ion hypochlorite (OCl^-). Les chloramines peuvent être utilisées pour améliorer l'odeur et la saveur de l'eau lorsque le chlore est utilisé comme désinfectant. Les chloramines sont aussi utilisées pour la désinfection des eaux usées, de l'eau destinée à la consommation, et pour résister aux biofilms dans les systèmes de refroidissement.

Désinfection de l'eau par les chloramines

Lorsque les chloramines sont utilisées comme désinfectant, l'ammionac est ajouté au chlore pour traiter l'eau. L'ammoniac est ajouté après le chlore, car cela permet d'avoir une valeur TC plus basse que lorsque l'on ajoute l'ammoniac en premier.
Les chloramines sont aussi efficaces que le chlore pour la partie qui concerne la désactivation de bactéries ou autres micro-organismes, cependant le mécanisme de réaction est plus lent. Les chloramines comme le chlore sont des agents oxydants. Les chloramines peuvent tuer les bactéries par pénétration de la cellule et blocage du métabolisme. Les chloramines primaires sont les plus efficaces en tant que désinfectant. Elles réagissent directement avec les aminoacides présents dans l'ADN. Pendant la désactivation des microoraganismes, les chloramines détruisent les cellules qui protègent les virus. Lorsque la valeur du pH est supérieure ou égale 7, les chloramines primaires sont les chloramines présents en majorité. La valeur du pH n'influence pas l'efficacité des chloramines.

Les chloramines sont-elles utilisées pour désinfecter l'eau destinée à la consommation?

Les Etats-Unis
Les chloramines sont de plus en plus utilisées aux Etats-Unis comme alternative au chlore pour une désinfection secondaire de l'eau destinée à la consommation. Lors de l'année 2002, 20% de la production d'eau potable aux Etats-Unis utilisait les chloramines. La principale raison de l'utilisation de l'utilisation des chloramines à la place du chlore vient du fait que les chloramines réagissent moins que le chlore avec la matière organique.
Des sous produits tels que les trihalométhanes sont néanmoins formés lors de la désinfection par chloramine..
Les chloramines restent actives plus longtemps dans les canalisations. Cela provient du fait qu'il faut un long moment avant de pouvoir les casser.
Les chloramines ne provoquent pas de gouts ou d'odeurs désagréables et sont relativements inoffensifs.

Les chloramines sont-elles utilisées pour désinfecter l'eau des systèmes de refroidissement?

Les chloramines ne sont pas tellement conseillées pour la désinfection des tours de refroidissement car ces composés réagissent lentement avec les microorganismes pathogènes.

Les chloramines peuvent-elles être éliminées de l'eau

Les résidus actifs de chloramine restent dans l'eau pendant un temps important. Comme d'autres molécules, les chloramines contribuent à la quantité totale de solides dissous dans l'eau. Comme le chlore, les chloramines sont sélectivement réactives et peuvent avoir des effets dégradant lorsqu'elles restent un trop longtemps dans l'eau.
Lorsque des chloramine sont présentes, on trouve souvent des traces d'ammoniac et d'hypochlorite dans l'eau. Les chloramines sont fortement ioniques. En raison de leur masse moléculaire faible, les chloramines, principalement les monochloramines, sont difficile à éliminer de l'eau par osmose inverse ou par adoucissement. L'ébullition et la distillation ne peuvent non plus être utilisées. Les substances utilisées pour éliminer le chlore ne peuvent être utilisées pour éliminer les chloramines. La lumière du soleil et l'aération peuvent améliorer l'élimination du chlore.
Les chloramines peuvent être éliminées à l'aide des grains d'es filtres à charbons actif. Ce filtre peut abaisser une concentration de chloramine de 1-2ppm à moins de 0.1 ppm. Il faut cependant s'assurer que le charbon actif reste en contact assez longtemps avec les chloramines. Un filtre au charbon actif est sélectif, ce qui signifie qu'il va aussi éliminer certains composés tels que le chlore (réduction en chlorure), le sulfure d'hydrogène, les composés organiques, le THM, les pesticides et le radon. Lorsque ces composés sont présents dans l'eau, cela influencera la capacité du filtre.
La quantité de chloramine dans l'eau peut être déterminée en mesurant le "chlore total" résiduel; c'est-à-dire en mesurant la quantité totale de chlore ou la quantité de composés chlorés.

Quels sont les avantages et les inconvénients de l'usage du chlore?

Quels sont les avantages?

Peu de sous-produits créés par la désinfection
En utilisant les chloramines plutôt que le chlore, on réduit la quantité des composés organiques(trihalométhanes; THM) et la formation d'autres sous produits potentiellement cancérigènes ( acide acétique halogénique).

Les chloramines restent actives pendant de longues périodes
Les chloramines restent actives dans l'eau plus longuement que le chlore. Les monochloramines sont plus efficaces lorsque le pH est supérieur ou égal à 7. Lorsque la valeur du pH dépasse 7, l'eau est dite alcaline. L'eau alcaline possède l'avantage d'être moins corrosive qu'une eau acide. Lorsque la valeur du pH dans l'eau est importante, le chlore peut être trouvé sous forme d'ion hypochlorite (OCl-). Ces ions ont un potentiel d'oxydation plus élevé que l'acide chlorhydrique. Cependant, en tant que désinfectant, ils sont environ cent fois moins efficaces. Lorsque la valeur du pH est trop importante, cela diminue cette différence.

Les chloramines améliorent le gout et l'odeur de l'eau
Les chloramines n'altèrent pas le pH de l'eau. Elles donnent un meilleur gout et une meilleure odeur à l'eau que le chlore. Les chloramines sont souvent utilisées pour adoucir l'odeur et le gout provoqués par le chlore.

La désinfection par les chloramines peut être améliorée en augmentant la température.

Quels sont les désavantages?

Y-a-t-il des chloramines organiques formées?
Lorsque des grandes quantités de matières organiques sont présentes dans l'eau, l'azote organique permet la formation de chloramines organiques. Ceux-ci ne possèdent pas les mêmes propriétés désinfectantes que les chloramines inorganiques. Cette situation a lieu lorsque la matière organique présente excède 3ppm.

Quel est le taux de réaction des chloramines?
Le principal désavantage des chloramines est qu'ils sont moins réactifs que le chlore. Une partie des désinfectants demeure dans l'eau, où ils seront consommés par des bactéries ou cassés. Ce procédé peut prendre des semaines. Contrairement au chlore, les chloramines ne périssent pas dans l'eau au bout de quelques jours. Par conséquent, les chloramines ont besoin d'être éliminées de l'eau où elles sont présentes. Les chloramines peuvent être éliminées en utilisant des grains de charbon actif ou de l'acide acétique.

Quelle est l'efficacité des chloramines?
Dans le Massachussetts, des recherches ont été menées pour observer les causes des morts des personnes selon qu'ils consomment une eau désinfectée au chlore ou aux chloramines. Les résultats montrent que le nombre de personnes décédant de cancer est plus important lorsque l'eau qu'ils boivent de l'eau est désinfectée au chlore. Lorsque l'eau est désinfectée par le chloramines, le nombre personne mourrant de rhums ou de pneumonies est plus important. Cela à tendance à montrer que les chloramines sont moins efficaces que le chlore pour l'élimination des microorganismes pathogènes.

Les chloramines forment-elles des nitrates?
Des quantités importantes d'ammoniac servent de nutriments pour pour les bactéries dans l'eau, ce qui peut causer des niveaux en nitrate trop importants dans l'eau. Le nitrate est convertit en nitrite dans l'estomac. Les nitrites peuvent donner des N-nitrosamines en réagissant avec des protéines dans les poissons. Ces composés peuvent être cancérigènes. Les jeunes enfants sont plus sensibles aux nitrites. Lorsque les enfants ont moins de six mois, ils ne peuvent pas boire de l'eau riche en nitrates, car les nitrites provoquent la chute du niveau d'oxygène dans le sang. Il est conseillé d'alimenter les bébés avec une eau dont la quantité de nitrate est inférieure à 25 µ/L.

L'ammoniac peut-il provoquer la corrosion?
Lorsque les chloramines sont éliminées chimiquement, de l'ammoniac peut persister dans certains cas. L'effet toxique que l'ammoniac a sur le poisson peut être prévenu par l'application de filtres biologiques, de zéolites naturelles et par contrôle du pH.
L'ammoniac provoque la corrosion du plomb et du cuivre. De nos jours, la plupart des travaux sur les eaux sont faits de cuivre ou de plomb. A Washington, l'augmentation de la concentration en plomb dans l'eau destinée à la consommation causée par la désinfection aux chloramines provoqua un tôlé en 2003. Cependant, les compagnies produisant de l'eau minérale ne peuvent pas utiliser le chlore pour leur désinfection car alors les sous-produits causés par cette désinfection seraient supérieurs aux normes. Les chloramines sont utilisées car elles permettent de réduire la quantité de sous produits. Pour prévenir de la corrosion des orthophosphates sont ajoutés.

Quels sont les effets sur la santé des chloramines

L'eau désinfectée par les chloramines ne présente pas de menaces particulières pour la santé. Elle peut être utilisée pour la consommation, les bains, le nettoyage et convient à la plupart des usages domestiques.

Quels sont les dangers pour les patients ayant subis une dialyse, pour les poissons et pour les amphibiens?
Boire de l'eau contenant des chloramines ou l'utiliser pour bouillir et se baigner est sûr, sur le plan de la santé en raison de la neutralisation des chloramines dans le métabolisme. Cependant, les personne ayant un système immunitaire faible, tels que les jeunes enfants, les personnes âgées, les malades touchés par le virus HIV, et ceux subissant une chimiothérapie doivent être prudentes lorsqu'il s'agit d'utiliser de l'eau désinfectée par les chloramines.
Les patients ayant subi des dialyses et les personnes possédant des poissons, des reptiles ou des amphibiens doivent aussi être attentives. Pour ce qui des patients souffrant de problèmes rénaux, le sang vient en contact avec l'eau en formant une membrane semi-perméable. Cela peut entrainer l'entrée directe des chloramines dans les vaisseaux sanguins. Les chloramines sont toxiques pour le sang.
Les poissons peuvent directement absorber les chloramines dans leur sang à travers leurs nageoires. Les chloramines sont donc aussi toxiques pour les poissons. L'eau utilisée pour les aquarium doit donc également être dépourvue de chloramines.

Quelle est la législation concernant la désinfection aux chloramines?

UE
La ligne directrice européenne sur l'eau potable ne contient pas de restrictions concernant les chloramines. Lorsque des chloramines sont utilisés, peu de sous produits, tels que les trihalométhanes sont formés. Cependant, d'autres sous produits de désinfection peuvent être formés. Par exemple des composés toxiques tels que les halonitriles, les halonitrométhanes et d'autres composés riches en azote peuvent être formés. Certains de ces produits peuvent mettre en danger la santé humaine. Lorsque la directive européenne sera révisée des normes sur ces composés seront imposées.

USA
Selon les lignes directrices américaines, l'eau destinée à la consommation et traitée à l'aide des chloramines peut contenir une teneur maximum en dichlore de 4mg/L(National Primary Drinking Water Regulations EPA, 2002).

OMS
L'OMS (Organistaion mondiale de la santé) dicte seulement une norme pour les monochloramines en tant que désinfectant. La norme est de 3mg/L. Pour les chloramines secondaires ou tertiaires il n'y a pas de normes car les connaissances scientifiques concernant l'impact de telles substances sur la santé ne sont pas satisfaisantes (WHO, Guidelines for drinking-water quality - 3rd edition. Chemical aspects).