חומרי חיטוי על בסיס כלור לטיפול במים

השימוש בתרכובות כלור בטיפול במים נועד למנוע התפשטות של מחלות המועברות על ידי המים כמו טיפוס, דיזנטריה וכולרה. הכלור נחשב לחומר חיטוי יעיל המוכנס למי שתייה כדי לקטול מיקרואורגניזמים כמו חיידקים, וירוסים, פטריות, אצות וכו'. מיקרואורגניזמים אלה "מתיישבים" ומתרבים בציוד הבא במגע עם מים כגון צנרת, משאבות, ברזים, מכלי אחסון, בריכות שחייה וכדומה. 

ב-1810 גילה המדען הבריטי האמפרי דייוי שהכלור הוא יסוד, לאחר שניסה להפריד אותו, תוך מחשבה שהכלור הוא תרכובת, ונכשל. הוא העניק ליסוד שנתגלה את השם "כלור", שם שמקורו במילה היוונית "כלורוס", שפירושה "צהוב-ירקרק".

כאן המקום לנסות ולהסביר את ההבדל בין כלור לכלוריד, דבר שגורם לרבים וטובים להתבלבל:

כלור הוא יסוד כימי שסמלו הכימי Cl. מולקולת הכלור היא מולקולה דו-אטומית המסומלת כ-Cl₂. שני אטומי הכלור שבמולקולה קשורים ביניהם בקשר קוולנטי יחיד (Cl-Cl). הכלור הוא גז צהוב-ירקרק, רעיל ובעל ריח צורב. במערכה המחזורית הוא יהיה בטור ההלוגנים. כלור מיוצר בתהליך אלקטרוליזה של מלח בישול (נתרן כלורי). 

כלוריד הוא אניון (יון שלילי) של היסוד כלור, הנוצר כאשר אטום כלור מקבל אלקטרון עודף אחד, ליצירת −Cl. כלורידים יכולים להיות חלק מתרכובות אורגניות או אי-אורגניות.

תהליך הוספת הכלור למים נקרא הכלרה. בגלל יעילותו, השימוש בכלור נפוץ ברחבי העולם. מנגנון החיטוי עם גז כלור מבוסס על התגובה: 

Cl₂ + H₂O  →  HOCl + HCl

חומצה חומצה מים כלור מלחית היפוכלוריט

החומצה היפוכלוריט יעילה והיא גורם החיטוי כנגד המיקרואורגניזמים. בתגובה נוצרת חומצה מלחית התורמת להורדת ה-_PH.

חסרונות השימוש בגז כלור:

1.  עלול להגיב עם תרכובות אורגניות הנמצאות במים ליצירת תרכובות הנקראות DBPS (Disinfection By-Products). תרכובות אלה נוצרות במהלך שלב חיטוי המים, כאשר חומרי חיטוי מגיבים עם חומר אורגני מומס (DOM) וכמה תרכובות אנאורגניות הנמצאות במים. טרי-כלורו-מתאן, או כלורופורם, הוא ה-DBP הראשון, שזוהה ב-1974. יחד עם שלושת הטרי-הלו-מתאנים הנפוצים ביותר (THMs): טרי-ברומו-מתאן (ברומופורם), ברומו-די-כלורו-מתאן ודי-ברומו-כלורו-מתאן, נחשבים חומרים אלה קרצינוגניים.

2. לא יעיל כנגד סוגים מסוימים של טפילים חד-תאיים, כגון אמבות, טריכומונדות וקוקסידיות. טפילים אלה בעלי מבנה פשוט, ולכן פחות רגישים לכלור. 
3. קורוזיבי למתכות מסוימות כגון פלדת אל חלד, אלומיניום ונחושת.
4. יעיל בתחום pH של 6.5 ל-7.5.  

סודיום היפוכלוריט, הידוע גם בשם נתרן תת-כלורי (NaOCl), הוא תרכובות מבוססת כלור שנחשבת לאחד החומרים מוכרים ביותר לצורכי חיטוי. הוא נוצר בתגובה של גז כלור עם סודה קאוסטית. לשימוש ביתי משתמשים בתמיסות מהולות של 3%-6% (אקונומיקה). לחיטוי מים ולטיפול בשפכים משווקות בישראל תמיסות של 12%-10%. במים היפוכלוריט הופך לחומצה היפוכלוריט וסודה קאוסטית. חומצה היפוכלוריט היא הגורם האחראי ליעילות החיטוי של סודיום היפוכלוריט. היא פועלת על ידי חמצון של חלבונים, DNA ו-RNA של חיידקים, וירוסים ופטריות. חומרים אלה חיוניים לתפקודם של האורגניזמים הללו, והחמצון שלהם גורם למותם. 

תמיסות של נתרן היפוכלוריט מכילות עודף סודה קאוסטית, המוכנסת כמייצב, המגבירות את הבסיסיות ומעלות את ה-pH, דבר שיכול לתרום יצירה של משקעי אבנית.

את ריכוז הכלור הפעיל בתמיסת היפוכלוריט מבטאים באחוזים או בגרם לליטר. ריכוז הכלור הפעיל באחוזים הוא היחס בין כמות הכלור הפעיל במשקל המים למשקל הכולל של התמיסה. במילים אחרות: ריכוז של כלור בתמיסת סודיום היפוכלוריט מחושב על ידי חלוקת כמות הכלור בתמיסה במשקל המים בתמיסה, ובהכפלת התוצאה ב-100%.

דוגמא לחישוב: אם נמצא שריכוז הכלור הפעיל בתמיסה הוא 120 גרם לליטר והמשקל הסגולי של התמיסה הוא 1.1654 ק"ג/ ליטר, החישוב הוא:

משקל הכולל של התמיסה – 1,000 גרם * 1.1654 גרם/לליטר = 1165.4 גרם/ליטר. 

טבלת עזר למשתמש:

ריכוז כלור פעיל(גרם /ליטר)	משקל סגולי משוער (גרם /ליטר)	ריכוז הכלור הפעיל (% משקלי W/W)
105	1.1459	9.16
110	1.1524	9.54
120	1.1654	10.3
130	1.1784	11.0

לתמיסת היפוכלוריט אין חיי מדף ארוכים, היות שהיא מתפרקת בהשפעת הטמפרטורה, חשיפה לאור שמש, חשיפה לחמצן, ונוכחות מתכות כמו ברזל, נחושת וניקל.

מצ"ב טבלת משך חיי המדף לתמיסת היפוכלוריט לפי ת"י 261: 

כלור די אוקסיד - דו תחמוצת כלור, ClO₂, היא נגזרת נוספת של כלור. בתנאי החדר החומר הוא גז צהבהב. גז לא יציב זה, שעלול להתפוצץ, חייב להיווצר בנקודת היישום. השיטה הנפוצה ביותר לייצור ClO₂ היא באמצעות תגובה של גז כלור עם תמיסה של נתרן כלוריט. כלור דו חמצני הוא חומר מחמצן רב עוצמה. הוא מגיב במהירות עם חומרים הניתנים לחמצון, אך בניגוד לכלור, אינו מגיב עם אמוניה. כלור דו חמצני אינו יוצר Trihalomethanes (THM), החשוד כחומר מסרטן. 

2NaClO₂   +   Cl₂  →  2ClO₂      +  2NaCl

מלח   כלור די  כלור  סודיום כלורט בישול אוקסיד

כלור די אוקסיד נדיף מאוד בהשוואה לחומצה היפוכלוריט (HOCl), הנוצרת בתגובה של כלור או סודיום היפוכלוריט במים, ולכן מחייב הקפדה בעת השימוש בו. כלור די אוקסיד הוא גז רעיל יותר מגז הכלור.

כלור דו-חמצני יעיל יותר מהשימוש בגז כלור כאשר ה-pH של המים גבוה מ-7.0. בנוסף, כלור דו-חמצני קורוזיבי פחות מכלור ואינו משפיע על חומציות המים. הוא יעיל בטווח pH רחב (4-10), יעיל בקטילת פתוגניים העמידים לכלור Giardia ו-Cryptosporidium, מסיר ומונע ביופילם.

קלציום היפוכלוריט, המוכר גם בשם סידן תת-כלוריטי, או ^®HTH – הוא חומר כימי בעל הנוסחה הכימית Ca(ClO)₂. הוא נוצר בתגובה של כלור עם קלציום הידרוקסיד. זהו כלור מוצק הנמכר כחומר גרגרי או כטבליות, ומכיל 65%-70% כלור זמין. מנגנון החיטוי שלו מבוסס על חומצה היפוכלוריט הנוצרת כאשר קלציום היפוכלוריט בא במגע עם מים.

כאשר משתמשים בסידן היפוכלוריט, 0.8 ppm של קשיות סידן מתווספת למים עבור כל ppm של כלור זמין שהתווסף. דבר זה יכול להביא לקבלת משקעי אבנית במערכת. תמיסות קלציום היפוכלוריט מכילות עודף קלציום הידרוקסיד, ותורמות לעליית ה-pH, דבר שיכול לתרום גם הוא לקבלה של משקעי אבנית. קלציום היפוכלוריט פחות מסיס במים מאשר סודיום היפוכלוריט ופחות יעיל.

סידן היפוכלוריט מאבד 3%-5% מתכולת הכלור שלו בשנה באחסון רגיל. 

טרי-כלורו-איזו-ציאנורט TCCA (הנוסחה הכימית: C₃Cl₃N₃O₃) נמכר כחומר גרגרי או בטבליות בריכוז של 90% כלור פעיל. זהו חומר קשה תמס שאינו מתמוסס במהירות במים. אצלנו בחברת דשנים וחומרים כימיים מקבוצת ICL נמכר המוצר זה תחת השם אלגציד בצורה גרגרית. מנגנון החיטוי שלו דומה לתרכובות האחרות. הוא מבוסס על היווצרות חומצה היפוכלוריט. 

TCCA + 3 H₂O → 3 HOCl + C₃N₃O₃H₃

חומר זה מיוצב בעזרת חומצה ציאנורית ולכן יציב יותר ולא מתפרק כפי שסודיום היפוכלוריט וקלציום היפוכלוריט מתפרקים בנוכחות חום ואור.  החומצה הציאנורית המופקת בתגובת ההידרוליזה תישאר שלמה במשך זמן מה, מכיוון שהיא אינרטית למדי מבחינה כימית, ותתפרק בסופו של דבר.

חומצה ציאנורית נמצאת באופן טבעי באדמה ברמות של 1-6 ppm ומתכלה בקלות במגוון רחב של תנאים טבעיים, למשל, על ידי מספר זני פטריות, כולל פטריות קרקע ועל ידי כמה זני חיידקים, כולל חיידקי הקרקע Hormodendrum masonii. מתפרקת טוב במיוחד במערכות עם רמת חמצן מומס נמוכה או אפסית כגון בוצה פעילה אנאירובית, ביוב, קרקעות בוץ, נחלים בוציים ומי נהרות. תוצרי הפירוק הם CO2 ואמוניה. 

די-כלורו-איזו-צינוריק-אסיד – NaDCC - חומר הזמין בשתי צורות: די הידרט (NaC₃N₃O₃Cl₂•2H₂O) וכנטול מים (NaC₃N₃O₃Cl₂). תכולת הכלור הזמינה היא 56% ו-62%, בהתאמה. די כלור נטול מים הוא מחמצן מסוג NFPA Class 3. לדי הידרט יש דירוג סיכון נמוך יותר של NFPA Class 1.

אצלנו בחברת דשנים וחומרים כימיים מקבוצת ICL נמכר המוצר בשם ®ChloRun. 

ריכוז החומר הפעיל הוא 56%. NaDCC (נטול מים ו-די הידראט) מיוצר על ידי תגובה ראשונה של כלור עם חומצה ציאנורית בתמיסה אלקלית מימית לייצור חומצה דיכלורואיזוציאנורט מונוהידרט. מונו-הידרט מומר לדי-הידרט של NaDCC. אם מחממים אותו מתקבל החומר נטול המים. גם הדי-הידרט וגם נטול המים מיוצרים כאבקות או חומר גרגרי וגם כטבליות. מנגנון החיטוי, בדומה למה שהוזכר עד כה, מבוסס על היווצרות של חומצה היפוכלוריט.

ה- ®ChloRun, בניגוד לאלגציד, הוא חומר מסיס מאוד במים. הוא יעיל יותר ויציב יותר מסודיום היפוכלוריט וקלציום היפוכלוריט בחשיפה לחום ולאור:

הערה חשובה: סידן היפוכלוריט (HTH) ואיזו ציאנורטים עם כלורTCCA   NaDCCA-Iאינם תואמים. ערבוב של כימיקלים אלה עלול ליצור תערובת נפיצה! 

כלורואמינים - שיטת חיטוי זאת מוכרת משנות ה-30 של המאה הקודמת. השיטה מבוססת על תגובה בין כלור (Cl₂) ואמוניה (NH₃). כלורואמינים הם אמינים המכילים לפחות אטום כלור אחד, אשר קשור ישירות לאטומי חנקן (N). כלורואמינים אנאורגניים נוצרים כאשר כלור מומס ואמוניה מגיבים. במהלך תגובה זו נוצרים שלושה כלורואמינים אנאורגניים שונים: מונוכלוראמין (NH₂Cl), דיכלורואמין (NHCl₂) וטריכלוראמין (NCl₃).

כלורואמינים מיוצרים על ידי הוספת אמוניה למים המכילים כלור חופשי (HOCl או OCl, בהתאם ל-pH). ערך ה-pH האידיאלי לתגובה זו הוא 8.4, כלומר, המים יהיו מעט בסיסיים.

NH₃ (aq) + HOCI -> NH₂Cl + H₂O

כאשר התגובה מתרחשת יכולים להיווצר שלושה סוגים של כלורואמינים אנאורגניים. ערך ה-pH קובע איזה סוג של כלורואמין נוצר. טריכלוראמינים נוצרים בעיקר כאשר ערך ה-pH הוא 3 ומטה. כאשר ערך ה-pH הוא 7 ומעלה, ריכוזי מונוכלוראמין הם הגבוהים ביותר.

מקור :  http://www.epa.gov/ogwdw/mdbp/pdf/alter/chapt_6.pdf

מונוכלוראמין הוא קוטל חיידקים פחות יעיל מכלור, אך מייצר הרבה פחות תוצרי לוואי רעילים. חומרי הלוואי שלו עלולים להשפיע על הטעם והריח של המים. 

אפקט החיטוי של הביוציד	pH	משקל מולקולרי	שם	נוסחה
טוב	7<	52	monochloramine	NH2Cl
סביר	4-7	85	dichloramine	NHCl2
סביר	1-3	119	trichloramine	NCl3

לסיכום, כלור ונגזרותיו חשובים מאוד לצורך חיטוי מים, במיוחד של מי השתייה. לכל אחד מחומרי החיטוי מבוססי הכלור שהוזכרו במאמר זה יש יתרונות וחסרונות. כל חומרי החיטוי יוצרים תרכובות לוואי שונות במגע עם מים מכילי חומר אורגני. לכל סוג של תרכובות לוואי יש השפעה אחרת על הבריאות. חשוב לסלק את החומר האורגני מהמים כדי להקטין את קבלת חומרי הלוואי.

לפי תקנות מי השתייה בישראל ריכוז הכלור הפעיל במים לצרכנים הוא 0.1-0.5 ppm.

מבחינה בטיחותית, יש לשים לב שמגע של ®ChloRun, סודיום היפוכלוריט וקלציום היפוכלוריט עם חומצה כלשהי, עלול לגרום לפליטת כלור במהלך תגובה ביניהם.

תגובה בין חומרים אלה לחומרים אורגניים עלולה לגרום להתלקחות החומרים האורגניים בכללותם.

להלן טבלה מסכמת לריכוז הכלור הפעיל:

השם הכימי	כלור פעיל זמין %
chlorine (Cl2)	100
calcium hypochlorite (Ca(OCl)2)	70-74
sodium hypochlorite (NaOCl)	12-10
household bleach	3-5
TCCA	90
NaDCC	56-62