塩素による水の消毒

塩素とは何ですか？

塩素は水の消毒に最も一般的に使用される消毒剤の1つです。塩素はほとんどの微生物を不活性化するために使用でき、比較的安価です。

特性

標準温度と圧力では、2つの塩素原子が二原子分子Cl2を形成します。これは淡い黄緑色のガスで、漂白剤のような独特の強い臭いがあります。2つの原子間の結合は比較的弱く（242.580±0.004 kJ/molのみ）、Cl2分子を非常に反応性の高いものにしています。

塩素はフッ素、臭素、ヨウ素、アスタチンとともに、周期表の17族を形成するハロゲン系列の一員であり、最も反応性の高い元素群です。ほとんどすべての元素と容易に結合します。

酸素、窒素、キセノン、クリプトンとの化合物は知られていますが、元素の直接反応では形成されません。塩素は非常に反応性が高いですが、フッ素ほど極端に反応性が高いわけではありません。しかし、純粋な塩素ガスは炭化水素などの有機化合物の燃焼を支持しますが、炭素成分は不完全燃焼する傾向があり、その多くがすすとして残ります。10°Cおよび大気圧では、1リットルの水は3.10リットルの気体塩素を溶解し、30°C（86°F）では、1リットルの水は1.77リットルの塩素しか溶解しません。

塩素は塩を形成するハロゲン系列の一員であり、しばしば電気分解によって塩化物から酸化によって抽出されます。金属とは塩化物と呼ばれる塩を形成します。塩化物イオンCl⁻として、海水で最も豊富に溶解しているイオンでもあります。

塩素はどのように生産されますか？

塩素は塩素結合から電気分解または化学的酸化によって生産されます。これはしばしば海水や岩塩の電気分解によって達成されます。塩は水に溶解してブラインを形成します。ブラインは電気分解槽で強力な直流を導くことができます。この電流により（塩が水に溶解することに由来する）塩素イオンは塩素原子に変換されます。塩と水はe divided up in sodium hydroxide (NaOH) and hydrogen gas (H2) on the cathode and chlorine gas on the anode. These cathode and anode products should be separated, because hydrogen gas reacts with chlorine gas very agressively.

塩素はどのように保管されますか？

水性塩素は日光から保護する必要があります。塩素は日光の影響で分解されます。日光中の紫外線は、次亜塩素酸（HOCl）分子の分解を助けるエネルギーを提供します。まず水分子（H2O）が分解され、電子が放出されて次亜塩素酸の塩素原子が塩化物（Cl-）に還元されます。この反応中に酸素原子が放出され、酸素分子に変換されます：2HOCl -> 2H+ + 2Cl- + O2

塩素はどのように輸送されますか？

塩素は非常に反応性が高く腐食性のあるガスです。輸送、保管、使用時には安全対策が必要です。例えばオランダでは、塩素は専用の塩素列車で輸送されます。

塩素の用途と利用法

塩素は大規模に使用されています。塩素は非常に反応性の高い元素であり、他の物質と迅速に化合物を形成します。塩素はまた、通常は反応しない2つの物質間の結合を形成する能力を持っています。塩素が炭素原子を含む物質と結合すると、有機物質が形成されます。例としてはプラスチック、溶剤、油、そしていくつかの人体の体液があります。塩素が他の元素と化学的に結合する際、いわゆる置換反応で水素原子を置き換えることがよくあります。同じ分子内の複数の水素原子を塩素原子で置き換えることで、次々と新しい物質が形成されます。

塩素は医学において重要な役割を果たしています。消毒剤として使用されるだけでなく、様々な医薬品の成分でもあります。私たちの医薬品の大部分は塩素を含むか、塩素含有副産物を使用して開発されています。薬用植物にも塩素が含まれています。最初の手術用麻酔薬はクロロホルム（CHCl3）でした。## 塩素の用途（続き）

化学産業では、少数の塩素含有化学物質を使用して数万種類の塩素製品を製造しています。塩素を含む製品の例には、接着剤、塗料、溶剤、フォームラバー、自動車バンパー、食品添加物、農薬、不凍液などがあります。最も一般的に使用される塩素含有物質の1つはPVC（ポリ塩化ビニル）です。PVCは排水管、絶縁電線、床材、窓、ボトル、防水衣類などに広く使用されています。

塩素系漂白剤は大規模な消毒剤として使用されています。これらの物質は紙の漂白にも使用されます。漂白は塩素または次亜塩素酸塩の酸化作用によって起こります。

工業用塩素の約65%はプラスチックなどの有機化学品の製造に、約20%は漂白剤と消毒剤の製造に使用されます。残りの塩素は、亜鉛（Zn）、鉄（Fe）、チタン（Ti）などさまざまな元素との無機化合物の製造に使用されます。

消毒剤としての塩素

塩素は最も広く使用されている消毒剤の1つです。病原性微生物の不活性化に非常に適しており、効果的です。塩素は簡単に適用、測定、制御でき、比較的持続性があり安価です。

塩素は200年以上にわたり、飲料水、プール水、廃水の病原体不活性化、家庭用消毒、繊維漂白などの用途に使用されてきました。塩素が発見された当時、病気が微生物によって引き起こされることは知られていませんでした。19世紀に医師や科学者が多くの病気が伝染性であり、病院の消毒によって病気の蔓延を防げることを発見しました。その後すぐに、消毒剤として塩素の実験が始まりました。1835年、医師で作家のオリバー・ウェンデル・ホームズは助産師に次亜塩素酸カルシウム（Ca(ClO)2-4H2O）で手を洗うよう助言し、産褥熱の蔓延を防ぎました。

しかし、消毒剤が広く使用されるようになったのは、ルイ・パスツールが微生物が特定の病気を広めることを発見した19世紀以降です。塩素は人間の平均寿命を延ばす上で重要な役割を果たしてきました。

漂白剤としての塩素

表面は漂白によって消毒できます。漂白剤は水酸化ナトリウム（NaOH）などのアルカリ溶液に溶解した塩素ガスで構成されています。塩素がアルカリ溶液に溶解すると、自己酸化還元反応により次亜塩素酸イオン（OCl-）が形成されます。塩素は水酸化ナトリウムと反応して次亜塩素酸ナトリウム（NaOCl）を生成します。これは安定した効果を持つ優れた消毒剤です。

漂白剤は酸と混合できません。漂白剤が酸と接触すると次亜塩素酸塩が不安定になり、有毒な塩素ガスが発生します。同時に生成される次亜塩素酸もあまり安定していません。

漂白粉（CaOCl2）も使用できます。これは塩素を水酸化カルシウム（CaOH）に通すことで製造されます。漂白粉の利点は固体であることです。これにより、医療分野での消毒剤としての使用が容易になります。漂白粉が溶解すると、水と反応して次亜塩素酸（HOCl）と次亜塩素酸イオン（OCl-）を生成します。

遊離有効塩素と結合有効塩素とは？

消毒目的で水に塩素を添加すると、通常は水中の溶解有機物や無機化合物と反応し始めます。その後、塩素は他の生成物を形成するため消毒に使用できなくなります。この過程で使用される塩素量を「塩素要求量」と呼びます。

塩素はアンモニア（NH3）と反応してクロラミンを生成できます。これらは塩素、窒素（N）、水素（H）を含む化合物で、「結合有効塩素化合物」と呼ばれます（次亜塩素酸や次亜塩素酸塩は「遊離有効塩素」と呼ばれます）。これらの化合物は水の消毒を担いますが、遊離有効塩素よりも反応がはるかに遅いです。

適用する塩素の投与量は？

塩素を投与する際には、塩素が水中の化合物と反応することを考慮する必要があります。消毒のために水中に十分な量の塩素を残すには、投与量を十分高くする必要があります。塩素要求量は水中の有機物量、水のpH値、接触時間、温度によって決まります。塩素は有機物と反応してトリハロメタン（THM）やハロゲン化酢酸（HAA）などの消毒副生成物を生成します。

塩素の添加方法にはいくつかの種類があります。通常の塩素処理では、塩素を単に水に添加し、事前処理は必要ありません。前塩素処理と後塩素処理とは、他の処理工程の前後に塩素を添加することです。再塩素処理とは、配水システムの1つ以上の地点で処理水に塩素を添加し、消毒効果を維持することです。

ブレークポイント塩素処理とは？

ブレークポイント塩素処理とは、塩素要求量が満たされ、存在するすべてのアンモニアが酸化されて遊離塩素のみが残るまで、継続的に塩素を添加することです。これは通常消毒のために適用されますが、臭いや味の制御などの利点もあります。ブレークポイントに達するためには、過塩素処理が適用されます。これには、消毒に必要な1mg/Lを大幅に超える塩素濃度が使用されます。

適用される塩素濃度は？

塩素ガスは10バールの圧力容器で液化ガスとして入手できます。水への溶解度が非常に高く（3L塩素/1L水）、細菌を殺すのに必要な塩素量は少なく（約0.2-0.4mg/L）、通常添加される塩素濃度は水の塩素要求量のためにこれより高くなります。現在、塩素ガスは大規模な自治体や産業用の水浄化施設でのみ使用されています。小規模な用途では通常、次亜塩素酸カルシウムまたは次亜塩素酸ナトリウムが使用されます。

塩素の健康への影響は？

人体の塩素に対する反応は、空気中の塩素濃度、暴露時間と頻度に依存します。影響は個人の健康状態と暴露時の環境条件にもよります。

短時間に少量の塩素を吸入すると、呼吸器系に影響を与える可能性があります。影響は咳や胸の痛みから肺の水浸潤まで様々です。塩素は皮膚や目の刺激も引き起こす可能性があります。これらの影響は自然条件下では発生しません。塩素が体内に入ると、その反応性のため長く残留しません。

純粋な塩素は非常に有毒で、少量でも致命的となる可能性があります。第一次世界大戦中、塩素ガスは敵兵を傷つけたり殺害したりするために大規模に使用されました。ドイツ人が最初に敵に対して塩素ガスを使用しました。

塩素は空気よりもはるかに密度が高いため、地上に有毒な煙霧を形成します。塩素ガスは粘膜（鼻、喉、目）に影響を与えます。塩素は粘膜を溶解するため有毒で、塩素ガスが血管に入り込む原因となります。塩素ガスを吸入すると肺に液体がたまり、一種の溺死状態を引き起こします。