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Le Chlore
Le chlore est
l'un des désinfectant le plus utilisé pour la désinfection de
l'eau. Il peut être appliqué pour la désactivation de la plupart
des microorganismes et est relativement bon marché.
Quand le chlore fut-il découvert?
Le chlore gazeux fut découvert vraisemblablement au treizième siècle. Le dichlore (Cl2) fut préparé sous forme pure
pour la première
fois par le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele en 1774. Scheele
chauffa une pierre marron (du dioxyde de manganèse; MnO2)
avec de l'acide chlorhydrique (HCl). Lorsque ces substances sont
chauffées les liaisons sont cassés provoquant ainsi la formation de dichlorure de manganèse (MnCl2),
d'eau
(H2O) et de dichlore gazeux (Cl2).
Mécanisme de réaction:
MnO2 + 4HCl -> MnCl2 + Cl2 +
2H2O
Figure 1: Carl Wilhelm Scheele découvrit le
dichlore en 1774
Scheele découvrit que le dichlore gazeux était
soluble dans l'eau et qu'il pouvait être utilisé pour blanchir le
papier, les végétaux et les fleurs. Il réagit avec les métaux et les
oxydes de métaux. En 1810 Davy Humphry, un chimiste
anglais qui testa les réactions fondamentales du dichlore gazeux,
découvrit que le gaz que Scheele avait trouvé devait être un
élément, puisqu'il n'était pas inséparable. Il nomma ce gaz
chlore (Cl), d'après le mot grec 'chloros', qui signifie
jaune-verdâtre et qui se réfère à la couleur du chlore gazeux. (White,
1999. Watt, 2002)
Où le chlore peut-il être trouvé?
Le chlore peut être trouvé dans différents endroits à travers le
monde entier. Le chlore est toujours trouvé sous formes composées,
car c'est un élément très réactif. Le chlore peut habituellement
être trouvé lié au sodium (Na) ou dans le sel de cuisine
(chlorure de sodium; NaCl). La plupart du chlore peut être trouvé
sous forme dissoute dans la mer et dans les lac salés. De larges
quantités peuvent être trouvées dans le sol sous forme de sels
rocheux.
Les propriétés du chlore
Le dichlore (Cl2) est un des éléments les plus
réactifs, il se lie facilement aux autres éléments. Dans le
tableau périodique le chlore peut être trouvé parmi les
halogènes. Les autres halogènes sont le
fluor (F), le
brome (Br),
l'iode (I), l'astate (At). Tous les halogènes réagissent avec
d'autres éléments de la même façon et peuvent former une grande
quantité de substances. Les halogènes réagissent souvent avec les
métaux pour former des sels solubles.
Les atomes de chlore contiennent 17 électrons négatifs (particules
chargées négativement). Ceux-ci se déplacent autour du noyau
selon trois couches différentes. Dans la couche intérieure il y a
deux électrons, dans la couche moyenne il y a huit électrons et dans la couche il y en a sept. Dans la couche externe
il y a de la place pour un autre électron. Ce provoque la
possibilité de formation d'atomes chargés appelés ions ou un
électron se place dans cette place vide donnant une charge à
l'atome. Cette place libre peut également permettre la formation
d'une liaison avec un autre atome.
Figure 2: L'atome de chlore contient dix-sept
électrons
Le chlore peut former des substances très stables,
telles que le sel de cuisine (NaCl). Le chlore peut aussi former des
produits très réactifs, tels que l'acide chlorhydrique (HCl). L'atome
d'hydrogène donne un électron à l'atome de chlore, causant la
formation d'ions chlorures et d'ions hydrogènes. Ces ions
réagissent avec n'importe quelle substance qui vient en contact
avec elle, même avec les métaux qui sont résistants à la corrosion
sous conditions normales. L'acide chlorhydrique concentré peut même
attaquer l'acier inoxydable. C'est pourquoi il est stocké dans du
verre ou du plastique.
Comment le chlore est-il transporté?
Le chlore est un gaz très réactif et très corrosif. Lorsqu'il est
transporté, stocké ou utilisé, des mesures de précaution doivent
être prises. En Hollande, par exemple, le chlore est transporté
par des trains spécialement prévus à cet effet.
Comment le chlore peut-il être stocké?
Le chlore liquide doit être protégé de la lumière du soleil. Le
chlore est en effet dissocié sous l'influence de la lumière
du soleil. Les radiations UV de la lumière du soleil apportent de
l'énergie qui permet de casser les molécules d'acide HOCl. Le
mécanisme de réaction est alors le suivant:
2HOCl -> 2H+ + 2Cl- + O2
Comment le chlore est-il produit?
Le chlore est produit à partir des liaisons de chlore au moyen
d'électrolyse ou d'oxydation chimique. Ceci est souvent atteint par
l'électrolyse de l'eau de mer ou de sel de roche. Les sels
sont dissous dans l'eau formant la saumure. L'eau saumure peut conduire un
courant direct puissant dans une cellule d'électrolyse. En raison
de ce courant les ions chlorures (qui sont originaires du sel
dissout dans l'eau) sont transformés en atomes de dichlore. Sel et
eau sont divisés en hydroxyde de sodium (NaOH), en dihydrogène
gazeux (H2) sur la cathode et en dichlore gazeux sur l'anode. Ces produits de l'anode et de la cathode devrait être
séparés, en raison de la réaction très agressive entre
l'hydrogène gazeux et le chlore gazeux.
Quelles méthodes peuvent être
utilisées pour produire le chlore?
Pour produire du chlore, trois différentes méthodes
d'électrolyses sont utilisées.
1. La méthode cellulaire par diaphragme, qui empêche la
réaction ou le mélange des produits à l'aide d'un diaphragme. Le
système d'électrolyse contient un pole positif, fait de
titane
et un pole négatif en acier. Les électrodes sont séparées par ce
que l'on appelle un diaphragme, qui est un "mur" qui laisse seulement
passer les fluides, provoquant la séparation des gaz
formés durant la réaction. L'application d'un principe à contre-courrant
empêche les ions hydroxyde d'atteindre le pôle
positif. Cependant les ions chlore peuvent passer à travers le
diaphragme, et cela provoque une légère pollution de l'hydroxyde
de sodium au chlore. Les réactions suivantes ont lieu:
pole + : 2Cl- -> Cl2 + 2e-
pole - : 2 H2O + 2 e- -> 2OH-
+ H2
2. La méthode cellulaire au mercure utilise une électrode au
mercure, et conduit à des produits de réaction plus purs que ceux
obtenu avec un diaphragme. Avec cette méthode le système
d'électrolyse utilisé à un pole positif en titane et un
pole négatif saturé en mercure. Au pole négatif, une réaction
avec le sodium a lieu provoquant la formation d'un amalgame de
sodium. Lorsque le flux d'amalgame arrive dans le second bac, le
sodium réagit avec l'eau pour former de l'hydroxyde de sodium et de
l'hydrogène. Ainsi l'hydrogène gazeux reste séparé du chlore
gazeux, qui est formé au pole positif.
Les réactions ayant lieu dans le bac d'électrolyse sont les
suivantes:
+ pole : 2 Cl- -> Cl2 + 2e-
- pole : Na+ + e- -> Na
réaction dans le second bac: 2Na + 2H2O -> 2 Na+
+ 2OH- + H2
3. la méthode membranaire ressemble à la méthode par
diaphragme. La seule différence vient du fait que la membrane
autorise le passage des ions positifs seulement, entraînant ainsi la
formation d'une forme d'hydroxyde de sodium relativement pure.
Durant le procédé d'électrolyse du mercure une solution contenant
50% en masse d'hydroxyde de sodium est formée. Cependant, durant
les procédés membranaire ou de diaphragme, la solution doit être
évaporée en utilisant la vapeur.
Soixante pourcents de la production européenne de chlore est
produite par électrolyse au mercure, alors que 20% sont produits par
le procédé du diaphragme, et 20% sont produits par le procédé
membranaire.
Le chlore peut aussi être produit par une oxydation du chlorure
d'hydrogène à l'oxygène de l'air. Le chlorure de cuivre
(CuCl2) est utilisé comme catalyseur durant ce que l'on
appelle également le ‘procédé Deacon’:
4HCl + O2 -> 2H2O + 2Cl2
Finalement, le chlore peut être produit au moyen d'électrolyse de
sels fondus et, en majorité dans les laboratoires, au moyen d'une
oxydation de dioxyde de manganèse et d'acide chlorhydrique:
MnO2 + 4HCl -> MnCl2 + 2H2O +
Cl2
Lorsque le chlore gazeux est additionné à l'eau les réactions
d'hydrolyse suivantes ont lieu:
Cl2 + H2O = H+ + Cl-
+ HOCl
Applications au chlore:
Le chlore est employé à grande échelle. C'est un élément très
réactif, et de ce fait il forme rapidement des composés avec
les autres substances. Le chlore a également la capacité de
développer une liaison entre deux substances qui ne réagissent
normalement pas entre elles. Lorsque le chlore se lie à une
substance qui contient des atomes de carbone, des substances
organiques sont formées. Des exemples de ces substances sont les
plastiques, les solvants, les huiles mais aussi plusieurs fluides du
corps humain. Lorsque le chlore se lie à d'autres éléments, il
remplace souvent un atome d'hydrogène dans une réaction que l'on
nomme substitution. Plusieurs atomes d'hydrogènes dans la même
molécule peuvent être remplacés par des atomes de chlore,
provoquant la formation de nouvelles substances les unes après les autres.
Le chlore joue un rôle important en science médicale. Il n'est
pas seulement utilisé en tant que désinfectant, mais est aussi
utilisé dans des médicaments variés. La majorité de nos
médicaments contiennent du chlore ou sont développés avec des
sous-produits contenant du chlore. Les herbes médicales contiennent
également du chlore. Le premier anesthésique utilisé pour la
chirurgie était du chloroforme (CHCl3).
L'industrie chimique crée dix mille produits chlorés en
utilisant un petit nombre de chlore contenant des produits chimiques.
Les exemples de produits qui contiennent du chlore sont la glue, les
peintures, les solvants, les mousses de caoutchouc, les pare-chocs de voiture, les additifs et les pesticides. L'une des
substances contenant du chlore la plus utilisée est le PVC (chlorure
de polyvinyle).
Le PVC est énormément utilisé, par exemple pour les tuyaux de
drainage, les fils d'isolation, les sols, les fenêtres, les
bouteilles et les vêtements waterproof.
Figure 3: Produits contenant du chlore
L'agent de blanchissement à base de chlore
est utilisé comme désinfectant à grande échelle. Les substances
sont aussi utilisées pour blanchir le papier. Le blanchiment se
produit en raison de l'oxydation du chlore ou de l'hypochlorite.
Environ 65% du chlore industriel est utilisé pour produire des
produits chimiques organiques, tels que des plastiques. Environ 20%
est utilisé pour produire des agents de blanchissement et des
désinfectants. Le chlore restant est utilisé pour produire des
composés inorganiques à partir du chlore et de plusieurs
différents éléments, tels que le zinc, le fer et le titane.
Le chlore en tant que désinfectant
Le chlore est l'un des désinfectants les plus utilisés. Il
est facilement applicable et très efficace contre la désactivation
des microorganismes pathogènes. Le chlore peut être facilement
appliqué, mesuré et contrôlé. Il est assez persistent et
relativement bon marché.
Le chlore a été utilisé pour des applications telles que la
désactivation des organismes pathogènes dans l'eau destinée à la
consommation, dans les piscines, et dans les eaux usées, pour la
désinfection dans le ménage des maisons ou pour le blanchissement des
textiles et cela durant plus de deux cents ans. Lorsque le chlore fut
découvert nous ne savions pas que des maladies pouvait être
causées par les microorganismes. Au dix-neuvième siècle, les
docteurs et les scientifiques découvrirent que beaucoup de
maladies étaient contagieuses et que la diffusion de la maladie pouvait être empêchée par la désinfection des secteurs d'hôpitaux.
Juste après ça, nous commençâmes à tester le chlore en tant que
désinfectant. En 1835, le docteur et écrivain Oliver
Wendel Holmes conseilla aux sages-femmes de se laver les mains dans
l'hypochlorite de calcium (Ca(ClO)2-4H2O) pour
éviter la diffusion d'une fièvre des sages-femmes.
Cependant, nous commençâmes seulement à utiliser les
désinfectants à grande échelle au dix-neuvième siècle, après
que Louis Pasteur découvrit que les microorganismes entrainaient
la diffusion de certaines maladies.
Le chlore a joué un rôle important dans l'allongement de la durée
de vie des humains. Pour plus d'informations à
propos des organismes pathogènes dans les systèmes aquatiques,
vous pouvez consulter notre page sur les organismes
pathogènes dans l'eau fraiche de l'écosystème.
Le chlore en tant qu'agent de blanchissement
Les surfaces peuvent être désinfectées par blanchissement.
L'agent de blanchissement est en fait du chlore gazeux dissout dans une
solution alcaline telle que l'hydroxyde sodium (NaOH). Lorsque le
chlore est dissout dans une solution alcaline, des ions (OCl-)
sont formés lors d'une réaction auto-rédox. Le chlore réagit
avec l'hydroxyde de sodium pour former de l'hypochlorite de sodium (NaOCl).
C'est un très bon désinfectant avec un effet stabilisant.
L'agent de blanchissement ne peut être combiné avec les acides.
Lorsque l'agent de blanchissement vient en contact avec des acides
l'hypochlorite, il devient instable, provoquant le dégagement de
chlore gazeux (gaz poison). 
Figure 4: Le chlore est souvent utilisé comme
agent de blanchissement
La poudre de blanchissement (CaOCl2)
peut aussi être utilisée. Elle est produite en dirigeant du chlore
à travers de l'hydroxyde de calcium (CaOH). L'avantage de l'agent
de blanchissement en poudre provient du fait que c'est un solide. Cela
le rend de ce fait plus facile à appliquer en tant que
désinfectant dans les aires médicales, en plus de son action
blanchissante. Lorsque la poudre de blanchissement et dissoute,
elle réagit avec l'eau pour donner de l'acide (HOCl) et des ions
hypochlorite (OCl-).
Comment la désinfection au chlore fonctionne-t-elle?
Le chlore tue les organismes pathogènes tels que les bactéries et
les virus en cassant les liaisons chimiques de leurs molécules. Les
désinfectants qui sont utilisés à cette fin sont des composés de
chlore qui peuvent échanger des atomes avec d'autres composés,
tels que des enzymes dans les bactéries et autres cellules. Lorsque
l'enzyme vient en contact avec le chlore, un ou plusieurs atomes
d'hydrogène de la molécule sont remplacés par le chlore. Ceci va modifier
la structure entière de la molécule et dans la plupart des cas
provoquer sa dissociation ou sa désactivation. Lorsque les enzymes
ne fonctionnent pas correctement, la cellule ou la bactérie mourra.
Lorsque le chlore est ajouté à l'eau, l'acide hypochlorique est
formé:
Cl2 + H2O -> HOCl + H+ + Cl-
Selon la valeur du pH, l'acide hypochlorique se dissocie
partiellement en ion hypochlorite:
Cl2 + 2H2O -> HOCl + H3O + Cl-
HOCl + H2O -> H3O+ + OCl-
Celui-ci ce dissocie en chlore et en atome d'oxygène:
OCl- -> Cl- + O
L'acide hypochlorique (HOCl, qui est électriquement neutre) et les ions d'hypochlorite (LCO -, électriquement négatif) formeront
du chlore libre quand ils agissent ensemble. Ceci provoque une désinfection
efficace. Les deux substances ont de bons désinfectants. L'acide
hypochlorite est plus réactif et est un désinfectant plus fort que l'hypochlorite. L'acide
hypochlorite est dissocié en acide chlorhydrique (HCl) et en atome
d'oxygène. L'atome d'oxygène est un désinfectant puissant.
Les propriétés désinfectantes du chlore dans l'eau sont basées sur la puissance d'oxydation des atomes d'oxygène libres et sur
les réactions de substitution de chlore.
Figure 5: l'acide hypochlorite neutre peut mieux pénétrer
les enveloppes des cellules des micro-organismes pathogènes que l'ion négativement chargé
hypochlorite Les membranes des cellules des micro-organismes pathogènes
sont négativement chargées par nature. En tant que telles, elles
peuvent être pénétrées par l'acide hypochlorite neutre, plutôt que par l'ion négativement chargé
hypochlorite. L'acide hypochlorite peut pénétrer les couches de boue,
les membranes des cellules et les couches protectrices de micro-organismes et tue
de ce fait efficacement les microbes pathogènes. Les micro-organismes
seront détruits ou ne pourront plus se dupliquer.
L'efficacité de la désinfection est déterminée par le pH de l'eau.
La désinfection au chlore a lieu de façon optimale quand le pH est entre 5.5
et 7.5. L'acide hypochlorique (HOCl) réagit lui plus rapidement que les ions hypochlorites (LCO-);
il est entre 80 et 100% plus efficace. Le niveau d'acide
hypochlorique diminuera quand la valeur du pH sera plus élevé. Avec une valeur du pH de 6 le niveau de l'acide
hypochlorique est de 80%, alors que la concentration des ions d'hypochlorite est
de 20%. Quand la valeur du pH est 8, ce dernier pourcentage est
inversé.
Quand la valeur du pH est 7.5, les concentrations en acide
hypochlorique et en ions hypochlorite sont à peu près égales.
acide hypochlorite (left) : ions hypochlorite (right) Qu'est-ce
que chlore libre et chlore lié?
Quand le chlore est ajouté à l'eau pour la désinfection, il réagit
premièrement avec les composés organiques et inorganiques dissous dans l'eau. Le chlore
ne peut plus être employé pour la désinfection après cela, parce
qu'il a formé d'autres produits. La quantité totale de chlore qui est employé pendant ce processus
est désigné sous le nom de 'demande en chlore' de l'eau.
Le chlore peut réagir avec de l'ammoniaque (NH3) donnant des chloramines,
avec des composés de produit chimique qui contiennent le chlore, de
l'azote (N) et de l'hydrogène (H). Ces composés sont désignés sous le nom
de 'composés actifs de chlore'(contrairement à l'acide
hypochlorite et à l'ion hypochlorite, qui est désigné sous le nom 'du chlore actif libre ') et sont responsables de la désinfection de l'eau. Cependant, ces composés réagissent beaucoup plus lentement que
le chlore libre actif.
Quelles doses de chlore doit-on appliquer?
Quand on dose le chlore on doit prendre en compte le fait que le chlore réagit avec des composés dans l'eau. La dose doit être assez
importante pour qu'une quantité significative de chlore reste dans l'eau
et permette la désinfection. La demande en chlore est déterminée par la quantité de matière organique dans l'eau, du pH
, le temps de contact et la température. Le chlore réagit avec la matière organique
pour donner des sous-produits de désinfection, tels que les
trihalométhanes et les acides acétiques halogénés.
Le chlore peut être ajouté pour la désinfection de différentes manières. Quand
une chloration ordinaire est appliquée, le chlore est simplement ajouté à l'eau et aucun traitement antérieur n'est nécessaire.
Une pré ou une post chloration peuvent être effectuées en ajoutant
du chlore à l'eau avant ou après d'autres étapes de traitement. Rechlorination signifie
l'addition de chlore à l'eau traitée dans un ou plusieurs points du système de distribution afin de préserver la désinfection.
Qu'est-ce que le palier de
chloration?
Le palier de chloration consiste en une addition continuelle de chlore à l'eau jusqu'au point où
la demande en chlore est annihilée et tout l'ammoniaque présent est oxydé, de sorte que seulement le chlore libre reste. Ceci est habituellement appliqué pour la désinfection, mais il a également d'autres avantages, tels que l'odeur et
le contrôle du goût. Afin d'atteindre le palier, un super-chloration est appliqué. Pour réaliser ceci, on emploie
des concentrations en chlore qui excèdent en grande partie la concentration de 1 mg/l exigée pour la désinfection.
Quelle concentration en chlore est appliquée
Le gaz de chlore peut être obtenu en tant que gaz liquide dans les navires
sous 10 bars de pression. Il est fortement hydrosoluble (3 L chlore/1 L l'eau). Pour tuer des bactéries peu de chlore est
nécessaire; environ 0.2-0.4 mg/l. Les concentrations en chlore
ajoutées à l'eau sont habituellement plus hautes, en raison de la
demande en chlore de l'eau. De nos jours le chlore gazeux est seulement employé pour de grandes installations municipales et industrielles de purification d'eau. Pour de plus petites applications
on utilise habituellement l'hypochlorite de sodium ou de calcium.
Quels facteurs détermine l'efficacité de
la désinfection au chlore?
Les facteurs qui déterminent l'efficacité de la désinfection au
chlore sont les suivants:
Concentrations en chlore, temps de contact, température, pH, nombre et types de micro-organismes, concentrations
en matière organique dans l'eau.
Tableau 1: temps de désinfection pour différents types de micro-organismes pathogènes avec de l'eau chloré,
celle-ci contenant une concentration en chlore de 1 mg/l (1 ppm)
alors que pH = 7.5 et T=25°C
| Temps de désinfection des polluants fécaux avec de l'eau chloré |
| E. coli 0157 H7 bacterium |
< 1 minute |
| Hepatitis A virus |
environ 16 minutes |
| Giardia parasite |
environ 45 minutes |
| Cryptosporidium |
environ 9600 minutes (6-7 jours) |
Quels sont les effets du
chlore sur la santé
La réaction du corps humain au chlore dépend de la concentration
en chlore présent dans l'air, de la durée et de la fréquence de l'exposition. Les effets dépendent également de la santé
des individus et des conditions environnementales pendant l'exposition.
Quand de petites quantités de chlore sont inhalées pendant des périodes de temps courtes, ceci peut affecter le système de respiration. Les effets
varient de simples douleurs au cou, à des toux, ou à l'accumulation
de liquide dans les poumons. Le chlore peut également causer des irritations de
la peau et des yeux. Ces effets ne sont pas observés dans des conditions normales. Quand le chlore
pénètre dans le corps il n'est pas très persistant, en raison de sa réactivité.
Le chlore pur peut être très toxique et peut même être mortel. Pendant
la première guerre mondiale le chlore gazeux a été employé sur une grande échelle pour blesser ou tuer les soldats ennemis. Les Allemands
furent les premiers à employer le chlore gazeux contre leurs ennemis.
Le chlore est beaucoup plus dense que l'air, et se présente donc
sous forme de vapeur toxique au-dessus du sol. Le gaz de chlore affecte
les membranes muqueuses (nez, gorge, yeux). Le chlore est toxique
pour les membranes muqueuses parce qu'il les dissout, permettant au
chlore gazeux de pénétrer dans les vaisseaux sanguins. Quand le gaz de chlore est respiré,
les poumons se remplissent de fluide, provoquant l'asphyxie des
personnes.
Quelle est la législation en ce qui concerne
le chlore?
UE:
La norme européenne 98/83/EC concernant l'eau potable ne contient
pas de limites en ce qui concerne le chlore.
OMS (Organisation Mondiale de la Santé):
La norme de l'OMS en ce qui concerne l'eau potable stipule que 2 à
3mg/L de chlore devrait être ajouté à l'eau afin d'avoir une
désinfection satisfaisante et une concentration résiduelle. La quantité maximum de chlore
que l'on peut employer est de 5 mg/l. Pour une désinfection plus efficace, la quantité résiduelle de chlore libre devrait excéder 0.5 mg/l après au moins 30 minutes de temps de contact
pour une valeur de pH inférieure ou égale à 8. (WHO, Guidelines for
drinking water quality. 3e editie)
USA:
Les normes nationales d'eau potable déclarent que la quantité résiduelle maximum de chlore est 4 mg/l.
Jusqu'à récemment les Etats-Unis ont intensivement employé le gaz de chlore pour le traitement des eaux résiduelles. Aujourd'hui, l'utilisation du chlore a été
dépassée. Ceci a été fait la plupart du temps en raison des sous-produits dangereux de désinfection, tels que les trihalométhanes (THM).
Cependant, le chlore est toujours le désinfectant principal aux Etats-Unis, parce qu'il est relativement bon marché. L'application du plan propre de gestion des risques de l'acte d'air
pour le stockage des produits chimiques toxiques dicté par l'EPA (juin, 1999) et
le pré-enregistrement du gaz de chlore comme pesticide (EPA, 2001) ont
provoqué une augmentation de passages du chlore gazeux à l'hypochlorite de sodium
dans les usines de traitement des eaux résiduaires. Aussi beaucoup
de compagnies sont réticentes quand à faire un plan de gestion de risques pour le
chlore gazeux car ceci prend beaucoup de temps et d'argent. |
