Desinfectantes Cloro

Cloro
El cloro es uno de los elementos mas comunes para la desinfección del agua. Cloro se puede aplicar para la desactivación de la actividad de la gran mayoría de los microorganismos, y es relativamente barato.

Cuando fue descubierto?
El cloro fue descubierto en el Siglo XIII. El Cloro (Cl₂) se preparo en su forma pura por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele en 1774. Scheele calentó una piedra de color marrón (manganese dioxide; MnO₂) con acido hidroclórico (HCl). Al calentar estas substancias, las uniones se rompen obteniendo como resultado por un lado Manganeso de cloro (MnCl₂), agua (H₂O) y gas cloro (Cl₂).

Reacción:
MnO₂ + 4HCl -> MnCl₂ + Cl₂ + 2H₂O

Figure 1: Carl Wilhelm Scheele descubridor del Cloro en 1774

Scheele descubrió algunas de las propiedades del Cloro (g) como que es soluble en el agua y puede utilizarse para blanquear el papel, vegetales y flores. Además reacciona con metales y óxidos de metales. En 1810 sir Humphry Davy, un químico ingles, que experimentaba con reacciones fundamentales del Cloro gas, descubrió que el gas que Scheele había descubierto era un elemento, ya que no se podía separar. El nombre Cloro se baso en la palabra griega ‘chloros’, que hace referencia a un color amarillo-verdoso que es el color del Cloro gas (White, 1999. Watt, 2002)

Donde puede encontrar el cloro?
El cloro se encuentra en muchos sitios diferentes en todo el mundo, normalmente formando compuestos ya que es un elemento muy reactivo. El cloro se encuentra generalmente unido con el sodio (Na), o en sal de cocina (cloruro de sodio; NaCl). La mayoría del cloro se encuentra disuelto en el mar y lagos. Además, gran cantidad de cloro se puede encontrar en el suelo o rocas salinas.

Las propiedades del cloro
Cloro (Cl₂) es uno de los elementos mas reactivos; forma uniones con otros elementos muy fácilmente. En la tabla periódica el cloro se encuentra entre otros halógenos como el Fluor (F), Bromo (Br), Iodo (I) y astanite (At). Todos los halógenos normalmente reaccionan con metales para formar sales solubles.

Los átomos de cloro contienen 17 electrones negativos (partículas cargadas negativamente). Estos se mueven alrededor del núcleo del átomo en tres niveles. En el nivel exterior existen dos electrones, en el nivel intermedio 8 y en el interior 7. En el nivel exterior existe espacio para otro electrón. Como consecuencia se forman átomos libre con carga, que se denominan iones. Además puede causar la generación de un electrón extra (unión covalente; unión de cloro), completando el nivel externo.

Figura 2: átomos de cloro contienen 17 electrones

El cloro puede formar sustancias muy estables, como la sal de mesa (NaCl). El cloro puede formar también productos reactivos, como cloruro de hidrogeno (HCl). Cuando el cloruro de hidrogeno se disuelve en agua forma el acido clorhídrico. El átomo de hidrogeno cede un electrón al átomo de cloro, causando la formación de iones de hidrogeno y Cloro. Estos iones reaccionan con toda clase de sustancias cuando entran en contacto con metales, incluso metales resistentes a la corrosión, en circunstancias normales. Acido clorhídrico puede incluso producir corrosión en acero inoxidable. Por esta razón su almacenamiento es mediante recipientes de cristal o plástico.

Como se transporta el cloro?
El cloro es un gas muy reactivo y corrosivo. Cuando se transporta, almacena o utiliza, se deben seguir una serie de precauciones de seguridad. Por ejemplo, en Holanda se transporta en trenes específicos para el transporte de Cloro.

Como se almacena el cloro?
Agua que ha sido clorinada debe de protegerse de los rayos directos del sol. El Cloro se rompe por la influencia de la luz del sol debido a la radiación UV. Esta radiación es energía necesaria para romper las moléculas de acido hipocloroso (HOCl). Primero, las moléculas de agua (H₂O) se rompen, causando la liberación de electrones que reduce el átomo cloro de acido hipocloroso a Cloruro (Cl^-). En esta reacción se libera un átomo de oxigeno, que será convertido en una molécula de Oxigeno:
2HOCl -> 2H⁺ + 2Cl^- + O₂

Como se produce el cloro?
El cloro se produce por uniones de cloro mediante oxidación química o electrolítica. Esto se consigue normalmente mediante la electrolisis del agua del mar o rocas salinas. Las sales se disuelven en el agua, formando salinas. Las salinas se envían a unas celdas electrolíticas de gran potencia eléctrica. A través de la electricidad los iones de cloro (que se originan al disolver sal en agua) se transforman en átomos de cloro. La sal y el agua se divide en hidróxido de sodio y gas hidrogeno en el cátodo y gas cloro en el ánodo. Los productos del cátodo y el ánodo deben estar separados ya que el gas hidrogeno reacciona agresivamente con el gas de cloro.

Que métodos son utilizados para la producción del cloro?
Para producir cloro, se utilizan tres electrolisis diferentes.
1- El método de celda diafragma/ membrana.
Esto previene que los productos se mezclen o reaccionen por medio de un diafragma.

La barrera electrolítica contiene un polo positivo, fabricado a base de titanio y un polo negativo, echo a base de aluminio. Los electrodos son separados por un diafragma, que es una pared que solo deja pasar los fluidos, causando la separación de los gases de formación.

La aplicación del principio de extracción en contracorriente previene los iones hidróxido el contacto con el polo positivo. En cualquier manera, los iones de cloro pueden pasar por el diafragma, causando la contaminación del hidróxido de sodio con cloro. Estas son las reacciones que tienen lugar:
+ polo : 2Cl^- -> Cl₂ + 2e^-
- polo : 2 H₂O + 2 e^- -> 2OH^- + H₂

2- El método de celdas de mercurio, usan un electrodo de mercurio, de manera que los productos de la reacción son mas puros que los que se obtienen en el método por celda de diafragma descrito arriba. Con este método se aplica un tambor de electrolisis que contiene un polo positivo de titanio y un polo negativo de mercurio fluido.

En el polo negativo tiene lugar una reacción con sodio (Na+), que forman amalgamas de sodio. Cuando las amalgamas fluyen a un segundo tanque de reacción, el sodio reacciona con agua formando hidróxido de cloro e Hidrogeno. Esto permite que el gas hidrogeno se mantenga separado del gas cloro formado en el polo positivo.

Dentro de este tanque de electrolisis tienen lugar las siguientes reacciones:

+ polo : 2 Cl^- -> Cl₂ + 2e^-
- polo : Na⁺ + e^- -> Na
segundo tanque de reaccion: 2Na + 2H₂O -> 2 Na⁺ + 2OH^- + H₂

3- El método de membrana es parecido al método diafragma. La única diferencia es que la membrana solo permite el paso de iones positivos, generando una forma relativamente pura de hidróxido de cloro.

Durante el proceso de electrolisis de mercurio, se genera una solución que contiene un 50% masa de hidróxido de sodio. De cualquier manera, tanto el método de membrana como el proceso de diafragma la solución se deba evaporar usando vapor.

El sesenta por ciento de la producción europea de cloro se produce mediante la electrolisis de mercurio, mientras que 20% se realiza mediante la utilización de proceso de diafragma y 20% a través del proceso de membrana.

El cloro se puede producir mediante la oxidación de hidrogeno de cloro con oxigeno del aire. Cloruro de cobre (CuCl₂) se utiliza como catalizador durante el proceso:
4HCl + O₂ -> 2H₂O + 2Cl₂

Finalmente, cloro puede producirse mediante la electrolisis de sales fundidas, principalmente en laboratorios, mediante oxidación de acido clorhídrico y dióxido de manganeso.
MnO₂ + 4HCl -> MnCl₂ + 2H₂O + Cl₂

Cuando se añade cloro gas al agua se genera la siguiente reacción:
Cl₂ + H₂O = H⁺ + Cl^- + HOCl

Aplicaciones del cloro
El cloro se aplica a escala masiva. El cloro es un elemento muy reactivo, de manera que forma compuestos con otros elementos muy rápidamente. Además el cloro tiene la particularidad de formar uniones con substancias que normalmente no reaccionan entre ellas.

Cuando las uniones de cloro a otra sustancia contienen átomos de carbono, se forman substancias orgánicas. Por ejemplo, plásticos, solventes y aceites, pero también muchos de los fluidos del ser humano. Cuando el cloro reacciona y se une químicamente con otros elementes, normalmente reemplaza un átomo de hidrogeno durante una reacción de sustitución. Múltiples átomos de hidrogeno en la misma molécula pueden ser reemplazados por átomos de cloro, causando la formación de nuevas sustancias una tras otra.
El cloro juega un papel importante en medicina medica. No solo es usado como desinfectante, pero además forma parte constitutiva de varias medicinas. La mayoría de nuestras medicinas contienen cloro o se fabrican usando subproductos de cloro. Las hierbas medicinales también contienen cloro. El primer anestésico utilizado para operaciones fue el cloroformo (CHCl₃).

La industria química genera mas de diez mil productos de cloro usando una pequeña cantidad de químicos a base de cloro. Productos que contienen cloro son el pegamento, pinturas, solventes, gomas de espuma, parachoques, aditivos para la comida, pesticidas y anticongelantes. Uno de los usos mas comunes de substancias a base de cloro son los PVC (policloruro de vinilo). PVC se usa extensamente, por ejemplo en tuberías de drenaje, ruedas de aislamiento, suelos, ventanas, botellas y ropa impermeable.

Figura 3: productos que contienen cloro

La lejía a base de cloro es un desinfectante comúnmente utilizado. El cloro también se utiliza para el blanqueamiento del papel. El blanqueamiento ocurre gracias a la oxidación del cloro o hipoclorito.

Sobre el 65% del cloro industrializado se usa para la producción de materiales orgánicos como los plásticos. Un 20% se utiliza para la producción de blaqueantes y desinfectantes. El resto se usa para la producción de compuestos inorgánicos desde el cloro otros elementos distintos, como el zinc (Zn), hierro (Fe) y titanio (Ti).

Cloro como desinfectante
El cloro es uno de los desinfectantes mas utilizados. Es muy practico y efectivo para la desinfección de microorganismos patogénicos. Cloro se puede utilizar fácilmente, medir y controlar. Es persistente en su justa medida y relativamente barato.

El cloro se ha utilizado en muchas aplicaciones, como la desactivación de patógenos en agua potable, piscinas y aguas residuales, para la desinfección de áreas domesticas y para el blanqueamiento de textiles, por mas de doscientos años. Cuando se descubrió el cloro, todavía no se sabia que las enfermedades eran causadas por los microorganismos en el agua. Fue en el siglo XIX cuando doctores y científicos se dieron cuenta de que muchas enfermedades eran contagiosas y que el contagio de la enfermedad puede prevenirse mediante la desinfección de las áreas de hospitales. Pronto después, se empieza a experimentar con el cloro como agente desinfectante. En 1835 el doctor y escritor Oliver Wendel Holmes recomienda a las amas de casa el lavarse las manos con calcio hipoclorito (Ca(ClO)₂-4H₂O) para prevenir el contagio de la fiebre del ama de casa.

De cualquier manera, solo comenzamos a utilizar desinfectante a escala general en el siglo XIX, después de que Louis Pasteur descubriera que los microorganismos son los responsables del contagio de muchas enfermedades.

El cloro ha jugado un importante papel en alargar la esperanza de vida de los seres humanos.
Para mayor informacion sobre patogenos en los sistemas acuaticos vease pathogens in freshwater ecosystems

Cloro como blanqueante/ lejía
Superficies pueden desinfectarse a base de lejía. La lejía contiene cloro gas disuelto en una solución alcalina, como hidróxido de sodio.

Cuando se disuelve el cloro en una solución alcalina, se forman iones hipoclorito en una reacción autoredox. Cloro reacciona con hidróxido de sodio a hipoclorito de sodio. Este es un desinfectante muy bueno con un efecto estable.

La lejía nunca se debe combinar con ácidos. Cuando entra en contacto con ácidos el hipoclorito se vuelve inestable, causando el escape de cloro gas veneno. El acido hipocloroso (HOCl) no es muy estable.

Figura 4: el cloro se utiliza generalmente como lejía

La lejía en polvo (CaOCl₂) también se puede utilizar. Esta se produce mediante la utilización de cloro a través de hidróxido de calcio. Los beneficios de la lejía en polvo es que es sólida. Esto facilita su aplicación como desinfectante en áreas medicas, próximo a su uso como lejía. Cuando del polvo desinfectante se disuelve, reacciona con agua a acido hipocloroso (HOCl) e iones hipoclorito (OCl^-).

Como funciona la desinfección por cloro?

El cloro mata patógenos como las bacterias y los virus, rompiendo las uniones químicas moleculares. Los desinfectantes usados para esta aplicación consisten en compuestos de cloro que pueden intercambiar átomos con otros compuestos, como encimas en bacteria y otras células. Cuando las encimas entran en contacto con el cloro, uno o mas de los átomos de hidrógeno es substituido por el cloro. Esto provoca que la molécula se transforme o se rompa. Si la encima no funciona correctamente, causa la muerte de la célula o bacteria.

Cuando se añade cloro al agua, se forma acido hipocloroso:
Cl₂ + H₂O -> HOCl + H⁺ + Cl^-

Dependiendo del valor de PH, acido hipocloroso en parte se descompone en iones de hipoclorito
Cl₂ + 2H₂O -> HOCl + H3O + Cl^-
HOCl + H₂O -> H₃O⁺ + OCl^-

Este se descompone en atomos de cloro y oxigeno:
OCl^- -> Cl^- + O

Acido hipocloroso (HOCl), que es eléctricamente neutral, y iones hipoclorito (OCL-), eléctricamente negativos) forman cloro libre que se combina junto. Esto es lo que provoca la desinfección.

Ambas sustancias tienen un comportamiento muy distintivo. Acido hipocloroso es un agente mas reactivos y mas fuerte que el hipoclorito. Acido hipocloroso se divide en acido hipoclorito (HCl) y oxigeno atómico (O). El átomo de oxigeno es un desinfectante muy poderoso.

Las propiedades de desinfección del cloro en agua se basan en el poder de oxidación de los átomos de oxigeno libre y reacciones de sustitución del cloro.

Figure 5: el acido hipocloroso neutral puede penetrar la pared celular de los microorganismos patógenos mejor que los iones hipoclorito cargados negativamente t

La pared celular de los microorganismos patógenos están cargados negativamente. De esta manera puede ser penetrado por el acido hipocloroso neutro, en lugar de por el in hipoclorito cargado negativamente.

Acido hipocloroso puede penetrar capas limosas, paredes celulares y capas protectoras de microorganismos matando de manera efectiva los patógenos. Los microorganismos mueren o su actividad reproductiva se ve inhibida.

La efectividad de la desinfección se determina mediante el PH del agua. Desinfección con cloro tiene lugar a PH optimo entre 5.5 a 7.5. Acido hipocloroso (HOCl) reacciona mas rápidamente con iones hipoclorito (OCL-); esto es un 80-100% mas efectivo. El nivel de acido hipocloroso disminuirá cuando el valor del PH sea mas alto. Con un valor de PH de 6, el nivel de acido hipocloroso es de un 80% y el resto son iones hipoclorito. Cuando el valor del PH es 8, ocurre lo contrario. Cuando el valor del PH es de 7.5 las concentraciones se igualan.

Acido hipocloroso (izquierda) : iones hipoclorito (derecha)

Que es cloro activo libre o unido?

Cuando se añade cloro como desinfectante, normalmente comienza reaccionando con sustancias orgánicas e inorgánicas disueltas en el agua. El cloro no puede utilizarse a posteriori porque se transforma en otros productos. La cantidad de cloro utilizada en el proceso se denomina 'cloro requerido' en el agua.

El cloro puede reaccionar con amonio (NH₃) y producir cloraminas, compuestos químicos a base de cloro, nitrógeno (N) e hidrogeno (H). Estos compuestos se denominan 'compuestos de cloro activo' (contrario al acido hipocloroso e hipoclorito, que se denomina forma libres activas de cloro y son responsables de la desinfección del agua. De todas maneras, estos compuestos reaccionan mucho mas lentamente que el cloro libre activo.

Cual es la dosis de cloro aplicable?

Cuando se aplica el cloro se tienen que tener en cuenta las reacciones que provocan con el agua. La dosis debe ser suficientemente alta para que exista una cantidad de cloro residual para la desinfección.

La cantidad de cloro necesario viene condicionada por la cantidad de materia orgánica en el agua, el PH del agua, el tiempo de contacto y la temperatura. El cloro reacciona con materia orgánica a subproductos de la desinfección, como trihalometanos (THM) y ácidos acéticos halogenados (HAA).

El cloro se puede utilizar como desinfectante en diferentes maneras. Cuando se aplica cloronización ordinaria, el cloro simplemente es añadido al agua sin necesidad de pretratamiento. Pre-y post cloronización significa la adición de cloro antes de o después de otros pasos de tratamiento. Re-cloronización significa la adición de agua tratada en uno o varios puntos del sistema de distribución para preservar la desinfección.

Que es el punto de rotura de la cloronizacion?

El punto de rotura de la cloronizacion consiste en una continua adición de cloro al agua hasta el punto que la cantidad requerida de cloro es alcanzada y todo el amonio presente es oxidado, de manera que solo cloro libre se mantiene. Esto se utiliza normalmente para la desinfección, pero también tiene otros beneficios, como el control de olores y sabores. Para alcanzar este punto de rotura, se utiliza una super-cloronizacion. Para ello, se utilizan concentradores de cloro superior a 1mg/L de la concentración necesaria para la desinfección.

Cual es la concentración de cloro aplicable?

Cloro gas se puede obtener como gas fluido en recipientes a 10 bares de presión. El cloro es muy soluble en el agua (3 L cloro/ 1 L agua). La eliminación de bacterias requieren poca cantidad de cloro, alrededor de 0,2-0,4 mg/L. La concentración de cloro añadida en el agua es normalmente mas alta. Actualmente el gas cloro se usa únicamente en grades instalaciones de purificacion del agua municipal e industrial a gran escala. Para pequeñas aplicaciones se añade generalmente calcio e hipoclorito de sodio.

Que factores determinan la efectividad en la utilización del cloro como desinfectante?

Los factores que determinan la efectividad de la desinfección del cloro:
- Concentración de cloro, tiempo de contacto, temperatura, PH, cantidad y tipos de microorganismos, concentración de materia orgánica en el agua.
Tabla 1: tiempo de desinfección para distintos tipos de microorganismos patógenos utilizando agua clorinada, con concentraciones de cloro de 1 mg/L (1 ppm) con un pH = 7,5 y T = 25 °C

Tiempo de desinfección de contaminantes fecales tratados con agua clorinada

E. coli 0157 H7 bacterium	< 1 minuto
Hepatitis A virus	sobre 16 minutos
Giardia parasite	sobre 45 minutos
Cryptosporidium	sobre 9600 minutos (6,7 dias)

Cuales son los efectos para la salud del cloro?
Las reacciones del cuerpo humano al cloro depende de la concentración de cloro presente en el aire, y la duración y frecuencia de exposición. Los efectos dependen igualmente de la salud de cada individuo y condiciones ambientales durante la exposición.

Cuando cantidades pequeñas de cloro se respiran durante un tiempos cortos de tiempo, esto puede afectar el sistema respiratorio. Los efectos varían entre la tos y dolores en el pecho, hasta la acumulación de fluidos en los pulmones.

El cloro puede provoca también la irritación de ojos y piel. Estos efectos no se producen en condiciones naturales. Cuando el cloro entra en el cuerpo no es muy persistente, debido a su reactividad. .

Cloro puro es muy toxico, incluso en pequeñas cantidades. Durante la primera guerra mundial, el cloro gas se uso en grandes cantidades para matar los soldados enemigos, siendo los alemanes los primeros en utilizarlo.

El cloro es mas denso que el aire, causando la formación de humo toxico sobre el suelo. Gas cloro afecta la membrana mucosa (nariz, garganta y ojos). El cloro es toxico en membranas mucosas porque las disuelve, de manera que el cloro gas termina en la sangre. Cuando se respira cloro gas, se provoca la liberación de fluidos en los pulmones, como si se tratara de un ahogo.

Cual es la legislación del cloro?

EU:
La guía europea de agua potable 98/83/EC no contiene referencia sobre el cloro.

OMS (Organización Mundial de la Salud)
Los estándares de agua potable de la OMS, determinan que 2-3 mg/L cloro deben añadirse al agua para una desinfección satisfactoria y concentración residual. El contenido máximo de cloro que se puede utilizar es de 5mg/L después de al menos 30minutos como tiempo de contacto y valores de PH de 8 o menos. (OMS, guía de la calidad del agua potable, tercera edición)

USA:
Los estándares nacionales para la calidad del agua potable establece que el tiempo residual máxima del cloro es 4mg/L. Hasta muy recientemente en USA cloro gas es usado extensamente para el tratamiento de agua residual.

Hoy en día, el uso del cloro se intenta minimizar. Esto es debido a los subproductos peligrosos de la desinfección como los trihalometanos (THM).

De cualquier manera, el cloro es todavía el desinfectante principal en EE.UU., por su precio. La implementación del Clean Air Act (CAA). Plan de gestión de riesgos (RMP) para el almacenamiento de productos químicos tóxicos por EPA (junio, 1999) y el registro del gas cloro como pesticida (EPA,2001) ha causado las plantas de tratamiento de aguas residuales cambiar de gas cloro a hipoclorito de socio mas frecuentemente. Esto es debido a que las compañías no quieren realizar un plan de gestión de riesgos para la utilización del cloro gas, porque es muy caro y proceso largo.