De chemie van het zwembadwater

 
Een artikeltje dat ik in 1998 geschreven heb voor de duikclub waar ik lid van was vond ik ook wel interessant voor deze website.
 

Nu het zwembad weer open is en binnenkort de zwembadtraining weer gaat beginnen (of afhankelijk van de verschijningsdatum van deze Oke al is begonnen) leek me het moment aangebroken om dit artikel te schrijven. Een artikel over de chemie in het zwembad schrijven had ik me jaren geleden al voorgenomen na het lezen van een artikel hierover in het Chemisch Magazine.[1] Nu is dat moment dus aangebroken.

Bij een beschrijving van het zwembad uit het oogpunt van een chemicus ben je natuurlijk geÔnteresseerd in de vraag welke chemische processen een belangrijke rol in het zwembadbeheer spelen. In principe kunnen we een zwembad beschouwen als een matig afgeregelde grote batchreactor (1500 m3) gevuld met reactanten. In een zwembad wordt gezwommen maar tegelijkertijd met de zwemmers komen de bacteriŽn, vuil en andere ongeregeldheden in het water terecht. Nu is het aantal zwemmers in een zwembad niet constant en de variatie het aantal zwemmers introduceert een variatie in de verblijftijd van de reactanten die de zwemmers achterlaten. Er vinden reacties plaats waarbij deze reactanten worden omgezet, afgebroken en afgevoerd. De verblijftijd van de belangrijkste componenten kan varieren van 12 tot 18 uur. De reactanten en hun verblijftijd zijn in feite de belangrijkste variabelen die via terugkoppelingsmechanismen binnen aanvaardbare grenzen moeten worden gehouden. De in het zwembad ingebrachte oxidanten zorgen voor desinfectie en ontsmetting.

Chloor, in de vorm van chloorbleekloog (natriumhypochloriet, NaOCl), is in Nederland maar ook daarbuiten, het meest gebruikte desinfectiemiddel voor zwembadwater aangezien het relatief eenvoudig in gebruik en goedkoop is. Door de oxyderende werking van chloor in het zwembadwater worden ziektekiemen, bacteriŽn en organisch 'afval' afkomstig van de zwemmers vernietigd.

Chloorbleekloog is een oplossing van chloorgas (Cl2) in natronloog (NaOH). De hoeveelheid vrij chloor, gemeten als hypochlorigzuur (HOCl) en hypochloriet (ClO-) is ca. 5 mg/l. Het HOCl molecuul is als desinfectans een sterkere oxydant (80*) dan ClO- doordat het als elektrisch neutraal molecuul gemakkelijker in een micro-organisme kan binnendringen om vervolgens de inhoud van dat organisme te oxideren. Voor helder, niet verontreinigd water, zijn maar zeer geringe hoeveelheden chloor nodig (< 1 ppm) voor verontreinigd water echter veel meer. De hoeveelheid chloor die reageert met organische en anorganische verbindingen heet de chloorbehoefte. Voor een goede desinfectie moet de toegevoegde hoeveelheid chloor deze chloorbehoefte dusdanig overschrijden dat er nog vrij chloor aanwezig is in het water.

Een van de belangrijkste systeemparameters in het zwembad is de pH. Zoals men kan zien in de de chloorevenwichtsreacties (Fig. 1) zijn de concentraties van de verschillende oxydatoren (Cl2, HOCl, OCl-) pH afhankelijk. Bij een lage pH komt het zeer giftige chloorgas vrij (in de Eerste Wereldoorlog nog gebruikt als strijdgas) en het is dus noodzakelijk om het water pH-neutraal (pH 6.8-7.8) te houden. Neutralisatie vindt plaats door het toevoegen van Natrium(waterstof)-carbonaat (NaHCO3-), waardoor ook een bufferende werking geÔntroduceerd wordt (Fig. 1). Een extra reden om de pH binnen deze grenzen te houden is dat zo oogirritatie door te basisch water voorkomen wordt. De pH van oogvocht varieert van 5.2 tot 8.4, maar ligt bij de meeste mensen tussen 7.0 en 7.5. Een onaangenaam gevoel in het oog ontstaat als de pH hoger wordt dan 7.8 of lager dan 6.6. Boven een pH van 9 is de prikkeling heel sterk terwijl een pH lager dan 6.6 een gevoel van droogheid aan de ogen geeft.

Fig. 1 : Evenwichtsreacties in water en lucht.

Aan het gebruik van chloor kleven echter ook diverse bezwaren. Het ontleedt onder invloed van licht, en het verdwijnt, afhankelijk van temperatuur, pH en waterbeweging gemakkelijk uit het water (Fig. 1). Vooral op drukke en zonnige dagen is het daarom niet gemakkelijk om de kwaliteit van het zwemwater op peil te houden. In subtropische baden wordt het water voortdurend belucht met als gevolg dat het bufferend vermogen van het water terugloopt doordat de kooldioxide (CO2) uit het water wordt geblazen en bij 'whirlpools' en glijbanen uit het water diffundeert. De pH van het water daalt en opgelost chloorgas ontwijkt. Een te lage pH brengt nog meer problemen met zich mee: buizen worden aangetast en (basisch) cement en kalksteen (calciumcarbonaat, CaCO3) dat in het bad is verwerkt lost langzaam op. Het is dus belangrijk dat de waterkwaliteit voortdurend gecontroleerd wordt.

Alhoewel chloor een zeer effectief middel is tegen ziekteverwekkers levert het door deze eigenschap ook ongemakken op. Behalve dat het organische verbindingen oxideert tot o.a. CO2, reageert het ook met koolwaterstoffen waarbij gechloreerde koolwaterstoffen kunnen ontstaan, waarvan trichloormethaan (chloroform, CHCl3) de belangrijkste vertegenwoordiger is in het zwembad. In een overdekt zwembad kan de aanwezigheid van chloroform een probleem, zijn aangezien zwemmers en toezichthouders voortdurend blootgesteld worden aan hoge concentraties van dit gas. Gevonden waarden variŽren van 0,036-0.241 mg/m3 in de lucht en 7.5 mg/m3 in het water. Met een MAC waarde van CHCl3 die recentelijk is verlaagd naar 5 mg/m3 (1 ppm) zijn er voldoende redenen om de aanwezigheid van CHCl3 kritisch te evalueren.[2,3,8] Mede door de chloroformvorming staat het chlorineren ten behoeve van de drinkwater voorziening ter discussie aangezien men een verband vermoed tussen het gebruik van gechlorineerd drinkwater en sommige vormen van kanker. Ter illustratie zij vermeld dat bv. in Schotland en Noord-Ierland concentraties van 0.25 ppm trihalomethaan gevonden worden in het drinkwater.[5]

Blijft de vraag hoe chloroform nu precies in het systeem komt. Indien leidingwater gezuiverd is door chlorineren, dan wordt CHCl3 op die manier in het systeem ingebracht aangezien chloroform kan ontstaan door de reactie van organische verbindingen (bv. Humus zuren) met het chloor (Fig. 2).

Fig. 2 : Chloroform productie in water. Het mechanisme van chloroform productie in water (reactant 1,3-dihydroxybenzeen, een humus zuur)[7].

Humusachtige stoffen komen altijd in oppervlaktewater voor en veroorzaken de geelbruine kleur.[8] In zwembaden ontstaat het meestal door de reacties van het chloorbleekloog met organische verbindingen (bv. algen) op vervuilde filters. Een andere potentiŽle bron van koolwaterstoffen waarmee het chloorbleekloog kan reageren zijn natuurlijk weer de zwemmers, die gasvormig methaan in het systeem kunnen introduceren (Tabel 1).

  Vegetarisch dieet Vlees dieet Melk dieet
CO2 21-34 % 8-13 % 9-16 %
H2 1.5-4 % 0.7-3 % 43-54 %
CH4 44-55 % 26-37 % 0.9 %
N2 10-19 % 45-64 % 36-38 %

Tabel 1 : Samenstelling menselijke inwendige (darm) gassen ten gevolge van anaerobe bacteriŽle ontleding.[6]

Methaan zou daarna met chloor kunnen reageren tot chloroform onder invloed van licht (Fig 3). De hoeveelheden die op deze manier in het systeem gebracht kunnen worden zijn waarschijnlijk te verwaarlozen.

Fig. 3 : Chloroform productie in water. Chlorering van methaan.

Kleine hoeveelheden bromiden in het water zorgen, met chloor en de organische verbindingen, voor de productie van broomchlooralkanen. Via substitutie- en eliminatiereacties worden deze tussenproducten afgebroken tot alkaanzuren of tot (persistente) halogeenalkenen. Kortom: in het badwater is een heel scala van producten als gevolg van oxydatie-, reductie-, eliminatie-, substitutie- en (fotochemische) radicaalreacties, terug te vinden (Fig 4).[1,4,7,8]

Fig. 4 : Nevenreacties

 

Component gewichts %
Water 96.3
Ureum 2.08
Creatinine 0.12
Ammonia (NH3) 0.051
Urine Zuur 0.047
Hippuur Zuur 0.044
Indicane 0.00085
Allentoine 0.00042
Glucose 0.060
Oxy zuren 0.0043
Oxaalzuur 0.0013
Aceton 0.00085
NaCl 0.79
H3PO4 0.16
SO4-- 0.15
K+ 0.13
Ca++ 0.017
Mg++ 0.017

Tabel 2 : Samenstelling menselijke urine (gemiddeld)[6].

Stikstofverbindingen komen met de zwemmers in het water (Tabel 2). Het gaat dan om eiwitten, aminozuren, maar vooral om ureum. Urine bevat ca. 21 g/l ureum. Men heeft experimenteel bepaald wat een zwemmer in een gemiddeld binnenbad aan ureum achterlaat. Voor een volwassene is dat 0.25 g en voor een kind 0.75 g. Incontinente zwemmers (we zullen hier geen namen noemen, maar, des te ouder des te meer kans op incontinentieverschijnselen) verrijken het water gemiddeld met zo'n 2 g ureum per persoon. Stikstofverbindingen reageren met het chloor tot monochlooramines (Fig. 4). Di - en trichlooramines worden niet gevormd aangezien deze verbindingen niet stabiel zijn. Chlooramines zijn de stoffen die de slijmvliezen en ogen prikkelen waarbij ze ook verantwoordelijk zijn voor de typische zwembadlucht. Het enige positieve aan chlooramines is dat ze nog enig oxidatief vermogen hebben en als zodanig bijdragen aan de ontsmetting van het water. Het verwijderen van hoge doses ureum uit het water is problematisch. Dat lukt alleen met een hoge dosis chloor, hetgeen ongewenst is, of door het heel vaak verversen van het water, hetgeen nogal prijzig is. Tegenwoordig gebruikt men daarom ook wel actieve koolfilters voor de zuivering.

Ik hoop dat dit verhaal ook bijdraagt aan het besef dat douchen voor het ter water gaan een zinnige bezigheid is aangezien de aanvoer van extra reactanten, die aan de hierboven beschreven (ongewenste) chemie kunnen meedoen, daardoor verminderd wordt.

 
 Literatuur:
  1. G.Stout ; Een duik in de chemie van het zwembad ; Chemisch Magazine ; augustus 1991 ; p. 395-398.
  2. Chemiekaarten ; 1998 ; Samson.
  3. Wink et al. ; MAC-waarden - Veilig Ademen op het werk ; Cahiers Bio-Wetenschappen en Maatschappij ; juni 1979 ; p.4. Een MAC waarde wordt gedefinieerd als : De Maximaal Aanvaarde Concentratie van een gas, damp, nevel of van stof is die concentratie in de lucht op de werkplek welke, voorzover de huidige kennis reikt, bij herhaalde expositie ook gedurende langere tot zelfs een arbeidsleven omvattende periode, in het algemeen de gezondheid van zowel de werknemers alsook van hun nageslacht, niet benadeelt. De MAC betreft de over de tijd gemiddelde concentratie bij een blootstellingsduur tot 8 uur per dag en niet meer dan 40 uur per week, tenzij anders aangegeven.
  4. T.M. Vogel, C.S. Criddle, P.L. McCarty ; Transformations of halogenated aliphatic compounds ; Environ. Sci. Technol. ; 21 (8) ; 1987 ; p. 722-735.
  5. N. Boyce ; The demon drink ; New scientist ; 18 july 1998 ; p. 18-19.
  6. T.R. Camp ; Water and Its Impurities ; Reinhold Book Corporation ; 1968 ; p. 241-242.
  7. Colin Baird ; Environmental Chemistry ; W.H. Freeman and Company ; New York ; 1995 ; p. 287-346.
  8. F.J.J. Brinkmann et al. ; Gezond Drinkwater ; Staatsuitgeverij ; 1976 ; p. 155-160.

09-11-2009