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Le chlore (symbole Cl, numéro atomique 17) est un élément chimique de la famille des halogènes. Sa molécule Cl2 (le dichlore) est un gaz verdâtre plus lourd que lair. Irritant et suffocant, il fut employé comme gaz de combat pendant la Première Guerre mondiale. Trop réactif pour exister à létat libre, le chlore est très répandu dans la nature, dans les eaux salées et les gisements de sel notamment, à létat dhalogénures. Il est aussi un constituant important de la matière vivante: le sérum sanguin renferme environ 7 grammes de chlorure de sodium par litre.
Le chlore se situe dans la septième colonne du tableau de Mendeleïev (Annexe 1). Possédant sept électrons périphériques, il a tendance à en capter un huitième pour former lanion chlorure Cl-, en passant au degré doxydation - 1; mais, avec ses trois doublets libres, il peut également former diverses liaisons atomiques dans lesquelles ce degré est compris entre + 1 et + 7.
Sa pression de vapeur à 20 °C étant de 6,5 bar (1 bar = 105 Pa), le chlore est aisément liquéfiable, soit par refroidissement au-dessous de - 35 °C, soit par compression sous 7 à 10 bars, soit par refroidissement et compression.
Il est assez soluble dans leau (4,6 l/l à 0°C; 2,3 l/l à 20°C) et peut donner un hydrate (voisin de Cl2 . 6H2O) vers 0 °C; il est soluble dans le tétrachlorure de carbone CCl4. Élément très actif, il est, du fait de son caractère électronégatif, très avide dhydrogène et se comporte souvent comme un oxydant. Il réagit avec la plupart des éléments non métalliques, sauf avec le carbone; parfaitement sec, il est sans action sur les métaux, mais il suffit dune trace deau pour quil les attaque tous, y compris lor et le platine. Il est donc très corrosif.
La chloration de leau vise deux buts. Elle sert dabord à rendre inactifs les organismes pathogènes présents dans leau. Elle a aussi pour but de faire en sorte que le chlore résiduel libre subsiste jusquau robinet de lutilisateur de sorte que lensemble de la chaîne soit désinfecté.
Le chlore a virtuellement éliminé les maladies microbiennes transmises par leau du fait quil peut détruire ou inactiver presque tous les microorganismes entéropathogènes, y compris les bactéries et virus intestinaux dorigine humaine. De plus, le chlore est le désinfectant le plus facile à utiliser et à surveiller ; oxydant puissant, il peut à létat résiduel dans le réseau de distribution empêcher la recontamination bactérienne (extérieure & intérieure).
Le chlore est le désinfectant le plus économique le plus utilisé mais aussi le plus étudié.
2.3 Les inconvénients du chlore
Le principal inconvénient de la désinfection avec le chlore est la génération de sous-produits de désinfection chlorés (par la suite on les notera SPD). Ils proviennent de la réaction du chlore sur les matières indésirables présentes dans leau.
Ces sous-produits de désinfection chlorés sont majoritairement de deux sortes :
J Les Trihalométhanes ( on les notera THM), le principal est le chloroforme (CHCl3).
J Les Chloramines la principale est la monochloramine (NH2Cl1).
On étudiera les sous-produits de désinfection chlorés plus en détail dans la suite de cet exposé.
Autre inconvénient : lodeur de chlore qui peut apparaître au cours de la chloration.
3.1 Introduction
Cette partie de chimie est nécessaire pour comprendre le pouvoir germicide du chlore, et la fabrication des sous-produits de désinfection chlorés.
3.2 Le vecteur de chlore
Le choix sest porté sur lutilisation deau de javel (Hydroxyde de sodium NaOCl) comme vecteur de chlore principalement à cause de son faible coût et de sa facilité de mise en uvre.
Il existe dautres vecteurs comme le gaz dichlore ou lhydroxyde de calcium.
3.3 La javel et leau
La javel mise en solution dans leau donne lieu à deux réactions de dissociation :
NaOCl + H2O -> NaOH + HClO (réaction 1)
HClO <-> H+ + ClO- (réaction 2)
Réaction 1 : leau de javel donne de la soude et de lacide hypochloreux.
Réaction 2 : lacide hypochloreux se transforme en ion hypochlorite.
3.4 Lacide hypochloreux et lion hypochlorite
Ce sont les deux formes du chlore libre ou actif, cest à dire que ce sont eux qui vont réagir avec les matières indésirables présentes dans leau pour les rendre inactives.
Ces deux formes nont pas le même pouvoir de désinfection, lacide est 100 fois plus efficace que lion.
A la lumière de cette information on voit limportance de la réaction 2. Il faut faire en sorte quil y ait le moins possible de la forme ionique par rapport à la forme acide.
3.4.1 La réaction 2
HClO <-> H+ + ClO- (réaction 2)
· Cest une réaction déquilibre.
· Léquilibre est fonction du pH et de la température.
· Plus le pH et la température sont élevés et plus la réaction tendra vers le sens création dion hypochlorite.
· Cest une réaction déquilibre, donc sil y a utilisation dacide hypochloreux la réaction tendra à le recréer.
3.4.2 Conclusion et Analyse
3.4.2.1 Le pH
Il ny a pas chez nous de problème de pH. Il se situe aux alentours de 7.3, valeur qui ne favorise la réaction 2 ni dans un sens ni dans lautre. A priori la chloration ne devrait pas trop modifier cette valeur.
3.4.2.2 La température
· Si on travaille à des températures élevées, nous allons favoriser très fortement la réaction dans le sens fabrication dion hypochlorite.
· On aura donc beaucoup moins defficacité germicide.
Ici, il faut introduire un autre paramètre : laction germicide.
3.5 Notion daction germicide
Laction germicide prend en compte plusieurs paramètres, notamment la résistance bactérienne. Cette dernière est fonction de nombreux paramètres, notamment la température. En fait, la résistance bactérienne est beaucoup plus faible à haute température.
Un étude canadienne a montré que :
« Leffet de la concentration en acide hypochloreux sur lefficacité germicide de leau chlorée est plus quannulé par linfluence que la hausse de la température exerce sur laction germicide. »
3.5.1 Action germicide définition
Laction germicide est le temps que met un désinfectant à une concentration x pour détruire 99.99% des bactéries.
On la note CT. Son unité est le mg mn/l.
« cest le temps en minutes que met un désinfectant pour détruire 99.99% de la colonie de bactéries multiplié par sa concentration en mg/l. »
Cette valeur peut varier de 1.2 pour certains virus à 30 pour des poliovirus.
3.6 Conclusion du chapitre 3
Nous avons vu au cours de ce chapitre la notion de chlore libre. Il sagit de lacide hypochloreux et de lion hypochlorite ainsi que la notion de pouvoir germicide. Le chapitre suivant introduit la notion de chlore combiné.
4.1 Introduction
Le chlore est efficace en temps que désinfectant primaire aussi bien que résiduel et est relativement simple à utiliser.
Toutefois, le chlore réagit aussi avec la matière organique biogène, tels les acides humiques et fulviques, présents dans toute eau de surface naturelle. Les contaminants organiques chlorés (Chlore combiné) qui en résultent ont largement été signalés dans les réseaux de distribution deau potable; toutefois, étant donné lextrême complexité chimique en jeu, il nest pas possible de prévoir les concentrations des divers sous-produits de désinfection chlorés qui vont se former dans un échantillon deau donné.
Dans une première partie on étudiera les trihalométhanes et dans une seconde les chloramines.
4.2 Les trihalométhanes
4.2.1 Introduction
Les trihalométhanes se forment principalement par réaction du chlore ou du brome avec des composés organiques naturellement présents dans leau selon le mécanisme «classique»d haloformation.
Les trihalométhanes (THM) sont des composés formés dun seul atome de carbone lié à des halogènes, de formule générale CHX 3 , où X peut être soit du fluor, du chlore, du brome ou de liode, soit une combinaison de ces éléments. Les trihalométhanes se forment dans leau potable principalement par chloration de la matière organique naturellement présente dans les sources deau brute. Les trihalométhanes que lon trouve le plus fréquemment dans leau potable sont le chloroforme (CHCl3 ), le bromodichlorométhane (CHBrCl2 ), le chlorodibromométhane (CHClBr 2 ) et le bromoforme (CHBr 3 ).
4.2.2 Un exemple : La réactions de fabrication du chloroforme
HClO + carbone organique -> CHCl3 + .
Acide hypochloreux + carbone organique -> Chloroforme +
Le taux et le degré de formation des THM augmentent en fonction des concentrations de chlore et dacide humique, de la température, du pH et de la concentration des ions bromures.
Il existe dautres THM, ce sont par exemple les réactions du chlore avec le brome qui donnent du bromodichlorométhane du dibromodichlorométhane, ces réactions sont plus rares.
4.2.3 Les effets nocifs
Consensus atteint par un groupe d'experts sur les effets nocifs des THM
Après avoir pris connaissance des preuves, les experts du groupe de travail ont réfléchi sur les deux questions ci-dessous et, d'un commun accord, ont formulé les opinions qui suivent :
4.2.3.1 Cancer
Le groupe de travail a indiqué que les preuves de cancer doivent être examinées pour chaque siège. Les participants ont conclu qu'il est possible (60 % du groupe), voire probable (40 %), que les sous-produits de la chloration présentent un risque notable de cancer, en particulier de cancer de la vessie.
Le risque de cancer de la vessie, voire d'autres cancers, intéresse la santé publique; il s'agit d'un problème de santé publique d'importance moyenne.
4.2.3.2 Effets sur la reproduction et le développement
À ce jour, les preuves ne sont pas suffisantes pour permettre l'établissement d'une relation causale entre l'exposition aux sous-produits de la chloration et les effets nocifs sur la reproduction humaine. D'autres travaux de recherche s'imposent toutefois.
Si les conclusions tirées à partir des données restreintes se confirment, les sous-produits chlorés présents dans les eaux de surface traitées pourraient représenter un important problème de santé. Même si le risque excédentaire d'effets nocifs pour la reproduction qui est associé aux sous-produits de la chloration est relativement faible, il pourrait occasionner un nombre absolu important d'effets nocifs, puisque ceux-ci sont assez fréquents : 10 à 20 % des grossesses se terminent en avortements spontanés, et 1 à 2 % des nouveau-nés présentent des malformations congénitales.
« Bien que la douche, le bain ou la natation dans l'eau chlorée puisse entraîner une exposition significative aux SPCD par la respiration de vapeurs et l'absorption cutanée, les risques pour la santé d'une exposition prolongée aux SPCD par ces voies ne sont pas connus à l'heure actuelle. »
4.3 Les chloramines
4.3.1 Introduction
Elles résultent de laction du chlore sur lammoniac (NH3) ou lion ammonium (NH4+). Elles ont un effet de désinfectant avec la propriété de pénétrer dans le bio film. Les chloramines sont utilisées comme désinfectant secondaire dans certains pays. Elles ont un pouvoir germicide très inférieur au chlore, mais elles ont la capacité de pénétrer le bio film. Elles sont en fait un très bon complément au chlore.
4.3.2 Réaction de fabrication
HClO + NH3 -> NHxCly
Acide hypochloreux + ammoniac -> Chloramines
Il existe trois types de Chloramine. La monochloramine est prédominante dans lenvironnement hydrique.
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Monochloramine |
NH2Cl1 |
|
Dichloramine |
NH1Cl2 |
|
Trichloramine |
NCl3 |
4.3.3 Les effets nocifs
Santé Canada recommande de ne pas dépasser la dose de 3 mg/l.
On na observé aucune modification significative chez 10 hommes volontaires en bonne santé ayant reçu de la monochloramine dans leau potable à des concentrations de 0, 0,01, 1,0, 8,0, 18,0 ou 24,0 mg/L; pour chaque volontaire, on a prévu cinq séquences de trois jours pour chacune des cinq doses. Au premier jour de chacune des séquences de trois jours de traitement, chaque volontaire a ingéré 1 L deau en deux doses de 500 mL. La seconde dose de 500 mL était administrée quatre heures après la première. On na administré aucun désinfectant les second et troisième jours, qui ont servi de jours de suivi durant lesquels on a examiné un grand nombre de paramètres afin dévaluer les réponses biochimiques et physiochimiques. On a administré une eau non traitée au groupe témoin. Lors dune seconde étape, on a administré à des groupes de 10 sujets 5 mg/L de monochloramine dans leau potable pendant 12 semaines. Chaque individu en a reçu 500 mL par jour. On a mené des examens physiologiques, comprenant lévaluation déchantillons de sang et durine ainsi que lévaluation des goûts, sur une base hebdomadaire, pendant la période de traitement et durant les huit semaines qui ont suivi la cessation du traitement.
Les auteurs ont conclu que, dans les conditions de lexpérience, on navait constaté aucun effet physiologique néfaste définitif au cours de lune ou lautre des deux phases.
« La désinfection de leau destinée à la consommation sest révélée dune grande efficacité quant à la destruction ou linactivation des micro-organismes pathogènes pour lhomme, particulièrement ceux qui sont à lorigine de la fièvre typhoïde et du choléra (Ellis, 1991). Par conséquent, il est reconnu au Canada que la désinfection de toutes les eaux de surface utilisées à des fins de consommation humaine est cruciale et que le risque lié aux micro-organismes pathogènes excède de loin celui des sous-produits de désinfection (SPD), composés chimiques formés durant le traitement de leau potable. »
Ce chapitre introduit la notion de chlore combiné résultat de laction du chlore libre sur les matières présentes dans leau.
5.1 Introduction
Cette partie est un mini résumé des deux chapitres précédents.
5.2 Chlore libre
Il existe sous deux formes :
· Acide Hypochloreux
· Ion Hypochlorite
Ces deux formes nont pas le même pouvoir germicide. Il y a un ratio de 100 entre les deux.
5.3 Chlore combiné
Ce sont les sous-produits de désinfection chlorés, principalement les trihalométhanes et les chloramines.
5.4 Chlore total
Le chlore total est la somme du chlore libre et du combiné. Il correspond à la quantité de chlore injecté dans le réseau par le système de chloration.
5.5 évaluation de la qualité de leau
CHLORE TOTAL = CHLORE LIBRE + CHLORE COMBINE
Cette formule est très importante, elle permet dévaluer la qualité de leau.
Le chlore total et le chlore libre sont des entités mesurables. On peut donc calculer le chlore combiné.
Le chlore combiné est limage de la qualité de leau car il correspond aux réactions entre le chlore libre et les matières indésirables. Plus il y a de chlore combiné et moins la qualité de leau est bonne.
Le choix du chlore en tant que moyen de désinfection présente de nombreux avantages par rapport à dautres désinfectants :
Cest un des seuls qui permette dobtenir un effet résiduel grâce au chlore libre.
Il a fait lobjet de nombreuses études.
On peut facilement mesurer le taux de chlore présent dans le réseau.
Mais le chlore est néfaste pour les bonsaïs.
NB : Je tiens à votre disposition toutes les études citées dans ce document.
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