Chlorování je nejčastější způsob dezinfekce vody v ČR, ale i v zahraničí. Důvodem častého využívání chloru je jeho velká baktericidní účinnost, kterou si zachovává i v malých koncentracích. Další přínos je poměrně jednoduché použití i kontrola a rovněž i silné oxidační účinky. Ty se dobře uplatňují při odstraňování železa, manganu, sirovodíku i některých organických látek, zejména pachových a chuťových.
Chlorace je proces určený k dezinfekci vody, při které dávkujeme plynný chlor, chlornan sodný, vápenaté nebo hořečnaté sloučeniny chloru do vody. Velikost dávky těchto chemikálií závisí na složení vody (spotřebě chloru) a na dezinfekčních limitech. Pro dosažení účinné dezinfekce je navíc potřeba minimální doba působení chloru 20 minut. Účinnost chlorace je mimořádně závislá na pH hodnotě vody. U organicky znečištěných vod může dojít k výraznému zhoršení chuti a vůně vody, navíc hrozí nebezpečí vzniku vedlejších produktů chlorace - haloformů. Ochrana rozvodů chlorem před bakteriologickou kontaminací je všeobecně přeceňována, neboť chloru ve vodě velmi rychle ubývá následkem jeho spotřeby po trase. Chlorace je nejrozšířenějším způsobem dezinfekce a používá se téměř ve všech průmyslových odvětvích.
První vědci, kteří začali prosazovat dezinfekci vody chlorem byli Louis-Bernard Guyton de Morveau (ve Francii) a William Cumberland Cruikshank (v Anglii). Oba kolem roku 1800.
Technika úpravy pitné vody pomocí stlačeného plynu zkapalněného chloru byla vyvinuta v roce 1910 v americké armádě majorem Carl Rogers Darnall, který byl profesorem chemie na škole Army Medical. Krátce poté, major William JL Lyster, rovněž z Army Medical Department použil roztok chlornanu vápenatého k dezinfekci vody. Všeobecně lze říct, že hlavní zdokonalování chlorové dezinfekce bylo po druhé světové válce.
Plynný chlor
Plynný chlor (Cl2) má silné dezinfekční účinky a je to velmi silné oxidovadlo. Chlor je žlutozelený plyn těžší než vzduch, který je dráždivý. Hustota chloru je 2,5x vyšší něž hustota vzduchu. Může se vyskytovat v různých skupenstvích, a to kapalném, plynném a tuhém. Je pro něj typický pronikavý dusivý zápach, který jsme schopni rozpoznat již při koncentraci 0,058 až 0,145 mg/m3.
Dodává se v zkapalněné formě v lahvích po 30 - 60 kg nebo v kontejnerech po 500– 600 kg. Další varianta dodávky chloru je v tlakových nádržích po 500 kg a více. Z 1kg zkapalněného chloru se při tlaku 1*105 Pa a teplotě 0° C uvolní 312 l plynného chloru. Do vody je chlor dávkován chlorátory, kde se plynný chlor přivádí do uzavřené nádrže spolu s ředící vodou, v niž se rozpouští. Zde je vzniklá chlorová voda dávkovaná do upravené vody. Dávkování má být prováděno v režimu podtlakovém, nebo tlakovém.
Chlor je ve vodě velmi dobře rozpustný a se vzrůstající teplotou klesá jeho rozpustnost za předpokladu konstantního tlaku. Chlor je jeden z nejvíce reaktivních prvků, ale snadno se váže na jiné prvky. V periodické tabulce prvků se chlor nachází mezi halogeny.
Plynný chlor se používá pro přepravu podzemních vod z důvodu, že je velmi silné oxidovadlo. Plynný chlor reaguje s vodou za vzniku kyseliny chlorovodíkové (HCl) a kyseliny chlorné (HClO):
Cl2 + H2O = HCl + HClO
2 HClO → 2 HCl + O2
Reakce probíhá během několika sekund. Procentuální zastoupení jednotlivých forem chloru ve vodě je závislé na hodnotě pH. Kyselina chlorná uvolňuje kyslík, který způsobuje destrukci bakteriálních buněk, dále je tato kyselina nestálá. Při použití chloru jako dezinfekčního činidla, se mohou vyskytnout vedlejší produkty jako jsou trihalogenmethany, chlorfenoly nebo anorganické chloraminy. Tyto produkty vznikají v závislosti na obsahu určitých látek nebo-li prekurzorů. Prekurzory trihalogenmethanů jsou přirozené makromolekulární organické látky přítomné hlavně v povrchových vodách. Mezi tyto látky patří huminové látky, které se nacházejí v povrchových vodách. Při reakci amonných iontů a chloru vznikají anorganické chloraminy jako monochloramin (NH2Cl) a dichloramin (NHCl2). Trichloramin může vznikat až při poměrně vysokých dávkách chloru a velmi nízkém pH.
Množství chloru, které je zapotřebí k dezinfekci, závisí na vlastnostech vody, jako je teplota, pH, CHSKMn, obsahu organických látek a stupni biologického oživení. Doba kontaktu vody s volným chlorem před vlastním použití pitné vody by měla být nejméně 2 hodiny. Dávky se pohybují u podzemní vody 0,1 – 0,3 mg/l a u povrchové vody 1,0 – 3,0 mg/l. Při dávkování chloru dochází ke snižování pH vody. Řízení chlorování se provádí tak, aby koncentrace volného chloru v nejvzdálenějším místě byla v rozmezí 0,05 – 0,3 mg/l. Při velkém obsahu amonných iontů ve vodě se provádí chlorování do bodu zlomu.
Při velkých dávkách chloru může dojít k velkým koncentracím dezinfekčního činidla, proto se přebytech chloru odstraňuje. K odstranění neboli dechloraci se provádí mechanické provzdušnění vody nebo chemicky – redukčně působícími látky jako jsou triosiřičitan sodný, oxis siřičitý, siřičitan sodný nebo aktivní uhlí.
Uskladňování chloru probíhá v chlorovně, na kterou jsou kladeny přísné bezpečnostní podmínky, jako například, že odvětrávání odspodu, nesmí mít vchod přímo z interiéru a chlorové jsou vždy jen dvě láhve a ostatní se skladují ve skladu.
Použití chloru jako dezinfekčního činidla lze uskutečnit tehdy, když při dezinfekci nevzniká větší množství vedlejších produktů. Výhodou při použití chloru jsou nižší provozní náklady na dezinfekci a nevýhodou je závislost na účinnosti na pH a možná vznik nežádoucích produktů.
Oxid chloričitý (chlordioxid)
Oxid chloričitý (ClO2) se vyskytuje ve formě oranžového a ve vodě rozpustného plynu nebo ve formě červenohnědé explozivní kapaliny, která je nestálá, explozivní a z bezpečnostních důvodů se nepřepravuje, proto při použití na úpravně vody se musí připravovat přímo na úpravnách vody. Oxid chloričitý je sloučenina, která má silné oxidační a dezinfekční účinky. Dále je několikanásobně účinnější než plynný chlor a také odstraňuje lépe barvu a zápach z vody. Dezinfekční účinek je nezávislý na pH. Jeho nevýhoda je, že oxid chloričitý se musí vyrábět na místě, další nevýhoda je, že má vyšší provozní náklady, mimo jiné má složitější obsluhu a nižší rozpustnost ve vodě než chlor.
Vedlejším produktem při tomto typu dezinfekce jsou chloristany. Mezní hodnota ve vodě je dle vyhlášky je 0,2 mg/l. Oxid chloričitý s organickými látkami netvoří chlorované deriváty. Oxid chloričitý je vyráběn pomocí generátoru. Principem je reakce chloritanu sodného NaClO2 s chlorem, tento způsob se nazývá chlorová metoda. Další způsob je kyselinou chlorovodíkovou nebo-li nechlorová metoda. Vzniklý koncentrovaný roztok oxidu chloričitého je následně dávkován do pitné vody pomocí dávkovacích čerpadel. Přibližné dávky jsou podle typu vody. U podzemních vod se hodnota pohybuje okolo 0,3 mg/l, v povrchových vodách je hodnota stanovena na 0,4 mg/l.
Oxid chloričitý je často navrhován při rekonstrukci úpraven, kde byla původně zařazena dezinfekce plynným chlorem. Dále je oxid chloričitý vhodný i při odželezování a při hubení železitých bakterií.
Chlornan sodný
Chlornan sodný (NaClO) je často zařazován jako dezinfekční činidlo u menších úpraven vody, jejichž výkon se pohybuje okolo 5-10 l/s. Důvodem je menší náročnost ohledně požadavků na obsluhu. Je dodáván jako 50%-ní vodní roztok v PVC barelech o objemu 50 l. Nevýhodou chlornanu sodného je, že má přibližně 7x menší účinnost než plynný chlor a potřebuje delší dobu kontaktu s vodou. Při dávkování chlornanu dochází ke zvýšení pH u upravované vody.
Chlorné vápno
Chlorné vápno je triviální název pro směs vápenaté soli kyseliny chlorné a chlorovodíkové. Tato směs má bílou barvu, je to prášek hrudkovité povahy a charakteristického zápachu. Zápach se poměrně často zaměňuje s kyselinou chlornou. Dále chlorné vápno, jako všechny sloučeniny kyselin, snadno odštěpuje kyslík a tím působí oxidačně. Například oxiduje kysličník olovnatý a také kysličník manganatý, popř. jejich soli. Jeho použití můžeme nalézt například u bělení papíru a textilu. Pro vodárenské účely je jeho využití jako dezinfekční prostředek.
Vedeme-li chlor přes hašené vápno, tak vzniká směs zásaditých solí kyseliny chlorné a chlorovodíkové. Reakce v podstatě probíhá za vzniku dihydroxidochlornanu trojvápenatého a hydroxidochloridu vápenatého:
7 Ca(OH)2 + 4 Cl2 = Ca3(OH)2(OCl)4 + 4 Ca(OH)Cl . ½ H2O + 2 H2O
Takto získanou směs, která se technicky připravuje ve velkém, označujeme jako chlorové vápno.
Na přímém slunečním světle odštěpuje chlorové vápno, za přítomnosti vzduchu, poměrně rychle kyslík, především za přítomnosti kysličníku uhličitého. Ten samý rozklad probíhá, jestliže se roztoky chlorového vápna zahřívají s některými kysličníky a hydroxidy, které působí jako katalyzátory, např. s kysličníkem měďnatým a železitým, hydroxidem nikelnatým nebo kobaltnatým.
Chlorové vápno se uchovává ve stále uzavřených nádobách za nepřístupu světla. Na slunečním světle probíhá v uzavřených nádobách oxidačně-redukční rozklad.
Na vzduchu, a to i v temnu, dochází k pozvolnému rozkladu, při němž se odštěpuje kyslík. Tento rozklad je značně podporován kyselinou uhličitou. Proto chlorové vápno, které bylo připraveno z neúplně vypáleného vápna nebo s použitím chloru obsahujícího kysličník CO2, není stálé ani v uzavřených, světlo nepropouštějících nádobách.
Chloramin
Chloramin (monochloramin) je chemická sloučenina se sumárním vzorcem NH2Cl. Obvykle se používá ve zředěném roztoku, který je určený k dezinfekci. Termín chloramin rovněž označuje skupinu organických sloučenin se vzorci R2NCl a RNCl2, kde R je myšleno, jako zástupce organické skupiny.
Chloramin se v nízké koncentraci běžně používá pro dezinfekci vody ve veřejných vodovodních sítích, jako alternativa chlorování. Tato metoda je na vzestupu. Chlor (někdy označovaný jako volný chlor) je nahrazován chloraminem, protože chloramin je mnohem stabilnější a nerozkládá se ve vodě před tím, než se dostane ke spotřebitelům. Chloramin má rovněž menší tendenci reagovat s organickými materiály za tvorby chlorovaných uhlovodíků. Navíc voda upravená chloraminem je bez zápachu po chloru, který je typický pro chlorovanou vodu a má lepší chuť.
Chloramin ve vodě z vodovodu způsobuje zabarvení do zelena, na rozdíl od namodralé barvy čisté vody nebo vody obsahující jen volný chlor. Toto nazelenalé zbarvení lze pozorovat při napuštění vody upravené chloraminem do bílé polyethylenové nádoby a porovnáním s vodou bez chloraminu, například destilovanou vodou nebo vzorkem z plaveckého bazénu.
Chloramin lze odstranit z vody přechlorováním (10 ppm nebo víc volného chloru) při udržení pH okolo 7 např. přidáním kyseliny chlorné. Kyselina chlorná z volného chloru odstraňuje z chloraminu amoniak a ten vyprchá z vody ven. Tento proces zabere při běžné koncentraci (několik ppm chloraminu) okolo 24 hodin. Zbytkový volný chlor lze odstranit vystavením silnému slunečnímu světlu po dobu okolo 4 hodin.
NH2Cl je ve velkých dávkách toxický. Koncentrační limit EPA je 4 ppm. Typická cílová úroveň v amerických veřejných zdrojích vody je 3 ppm.