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Paramètres physico-chimiques influençant l'efficacité de la désinfection par chloration


Généralités sur l'action biocide du chlore
L'influence du pH 
L'influence de la température
La formation de chlore combiné 


Généralités sur l'action biocide du chlore




   
         Le chlore est l'un des produits utilisés pour la désinfection de l'eau potable où il est employé essentiellement sous forme de chlore gazeux ou d'hypochlorite de sodium (eau de Javel). Doté d'un pouvoir oxydant très important, il est de plus rémanent.
            Dans l'eau, le chlore libre se trouve sous trois formes d'états en équilibre : l'acide hypochloreux (HOCl), l'ion hypochlorite (ClO-) et l'ion chlorure (Cl-).
            Réactions d'équilibres de base :                  

                                                   
       
             Les concentrations respectives de ces trois formes dépendent du pH et de la température et nous détaillerons cela par la suite.

            C'est essentiellement l'acide hypochloreux qui est le composé le plus actif dans les mécanismes de la désinfection ( l'ion hypochlorite est peu oxydant et peu bactéricide), c'est pourquoi il est aussi appelé "chlore actif"; il est majoritaire en milieu acide.
            L'acide hypochloreux possède l'action biocide la plus efficace
. En effet il ne porte pas de charge électrique et sa forme ressemble à celle de l'eau. La membrane cytoplasmique le laisse donc passer en même temps que l'eau, contrairement au ClO- qui ne pénètre pas du fait de sa charge négative. A l'intérieur de la cellule, l'HOCl bloque toute activité enzymatique, entraînant ainsi la mort de la cellule.

            La quantité de chlore nécessaire dépendra de la nature des composés à détruire et de leur concentration. Suivant les formes qu'il adopte, le chlore est plus ou moins actif : une concentration de 1/10 de chlore actif (HOCl) permettra de détruire 99 % des bactéries témoins telles que Escherichia coli en moins de 2 minutes de temps de contact , alors qu'un temps de contact de 100 minutes sera nécessaire en présence de ClO-.
                            
                                            (voir graphique d'efficacité comparée de HCLO et CLO- pour l'inactivation de 99% de la bactérie E.Coli)




L'influence du pH 




La proportion des deux composés dépend essentiellement de la valeur du pH de l'eau, comme l'indiquent les courbes ci-dessous.

       Pour un effet rapide du chlore et une économie en produits, il convient de traiter l'eau à des valeurs de pH proches de la neutralité.
      Ainsi on procèdera à la désinfection avant tout traitement de neutralisation et/ou de reminéralisation élevant le pH.
 

   Une évaluation approximative du pH peut se faire à l’aide d’un réactif coloré, appelé « rouge de phénol » sous forme de pastille ou en solution

N.B: L'équilibre calcocarbonique de l'eau à une influence sur le pH. Dans notre étude nous considèrons que l'eau étudiée est relativement bien équilibrée, ainsi l'équilibre calcocarbonique de l'eau ne fera pas l'objet d'une étude particulière. Néanmoins, nous détaillons ce principe en annexe.




L'influence de la température




        La diminution de la température de l'eau entraîne une diminution de l'efficacité du désinfectant, bien qu'elle augmente légèrement la proportion d'HOCl par rapport à ClO-, ce qui nécessite d'ajuster les dosages en fonction des variations de la température.
   
    La rapidité de l'effet bactéricide du chlore est proportionnelle à la température de l'eau ; par conséquent cette stérilisation est plus efficace dans des eaux de température élevée. En revanche, le chlore est plus stable dans l'eau froide, donc subsiste plus longtemps, ce qui compense dans une certaine mesure la lenteur de la réaction.




La formation de chlore combiné 




        Ce chlore est très réactif chimiquement et va oxyder un certain nombre de matières minérales ou organiques contenues dans l’eau avec des vitesses différentes:
           - Les substances facilement oxydables : les ions métalliques tels que le fer et la manganèse présent dans l’eau alimentaire ou résultant d’une corrosion.
           - Action sur les matières azotées : essentiellement l’urée.. L’urée subit une hydrolyse avec formation d’ammoniaque pour donner des composés appelés « chloramines » elles-mêmes détruites par un excès de chlore.  La méthode utilisée pour éliminer les chloramines est la chloration dite au Break Point.

     Le schéma réactionnel est le suivant :
                                                                               NH3 + HOCl <-- --> NH2Cl + H2O
                                        ammoniaque + acide hypochloreux <-- --> monochloramine + eau

    Le chlore permet d'éliminer l'ammoniaque et les matières organiques en excès dans l'eau destinée à la production d'eau potable.
    Au cours de ces réactions, on a formation de chlore combiné comprenant les organohalogénés et les chloramines:

    - Les chloramines sont des composés organiques azotés possédant un groupe -NCl qui après hydrolyse libèrent l'acide hypochloreux selon :

                                                                                            NH2Cl + HOCl <-- --> NHCl2 + H2O
                                                    monochloramine + acide hypochloreux <-- --> dichloramine + eau

   ensuite :
                                                                                           NHCl2 + HOCl <-- --> NCl3 + H2O
                                                        dichloramine + acide hypochloreux <-- --> trichloramine + eau

     et ainsi de suite. 
     En final on obtient : du NO3¯ (nitrate qui reste dan l’eau), du N2 (azote) et du NCl3 (trichlorure d'azote), ces deux derniers éléments sont volatiles et se concentrent dans l’air ambiant.
    Ainsi la présence de chloramines dans l'eau potable est liée à une insuffisance de la chloration lors de la fabrication d'eau potable.

     - Les organohalogénés (trihalométhanes) sont formés par action du chlore sur les matières organiques. Les plus couramment recherchés parce que les plus faciles à identifier par les moyens analytiques disponibles sont :
        - le chloroforme,
        - le dichloromonobromométhane,
        - le dibromomonochlorométhane,
     Parmi les autres produits formés on trouve l'acide dichloroacétique et l'acide trichloroacétique
     Pour le cas étudié, nous pensons surement que leur influence sera quasi négligeable car ils sont très probablement présent à l'état de trace

    Après action du chlore sur les matières organiques, azotées et autres composés oxydables, il subsiste un résiduel de chlore se présentant sous différentes formes.

          Pour une bonne surveillance en continu de la désinfection il convient donc de mesurer le chlore actif, soit directement à l'aide d'une sonde ampérométrique à membrane sélective, soit en mesurant le chlore libre et le pH pour en déduire par calcul le chlore actif, en sachant que la mesure du chlore libre est celle la plus fréquemment employée.  

    N.B : On peut également le déterminer par d'autres méthodes (voir tableau des différentes formes de chlore et  leur détermination)  

        En conclusion, pour ajuster la quantité de chlore nécessaire et éviter la formation de chloramines, il faut déterminer le point d'inversion (= point critique ou "break point") marquant la fin de la formation des chloramines (odorantes et peu désinfectantes) et leur destruction ; à partir de ce point, le chlore que l'on ajoute se retrouve sous forme libre, on a alors une action désinfectante.
    
         Afin d'éviter de se trouver en deçà de ce point, il est indispensable de mesurer le pH, le chlore libre et le chlore combiné

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