Quando si parla di disinfezione dell'acqua, l'uso del cloro (ipoclorito) è uno dei primi argomenti affrontati, tuttavia, il cloro non è l’unico disinfettante. Per questo motivo esistono analizzatori e sensori per misurare altre sostanze quali il perossido di idrogeno, l’acido peracetico, il biossido di cloro e l’ozono per citarne alcuni.

Nello specifico il biossido di cloro, anziché essere semplicemente un'alternativa al cloro, può essere più adatto ed efficace in molti settori ed applicazioni. Questo approfondimento contiene una revisione delle tecnologie esistenti ed esamina le proprietà e gli usi del biossido di cloro così come i metodi utilizzati per misurare la sua concentrazione in acqua.

Cos'è il biossido di cloro?

Il biossido di cloro è un composto con la formula ClO₂, appare come un gas verde-giallastro che non idrolizza in acqua, mantenendo la sua struttura come gas disciolto in soluzione. Si tratta di un potente ossidante ed era stato inizialmente suggerito come agente sterilizzante nel 1900, ma il suo utilizzo su grande scala negli impianti di trattamento è iniziato solo dal 1944.

Le proprietà ossidanti del biossido di cloro lo rendono utile per la disinfezione e, in genere, presenta numerosi vantaggi rispetto al cloro: ad esempio, è più efficace su agenti patogeni specifici come Legionella o Giardia.

Se usato correttamente, il biossido di cloro non solo produce sottoprodotti meno dannosi del cloro, inoltre, la sua capacità di disinfezione non è influenzata dal pH. Grazie alle sue proprietà chimiche può risultare più conveniente perché sono necessarie concentrazioni più basse rispetto ad altri disinfettanti.

Gli usi del biossido di cloro

Sebbene storicamente il biossido di cloro sia stato percepito come pericoloso da gestire e, in forme concentrate e gassose, certamente può esserlo, le tecnologie moderne di generazione in loco consentono di utilizzarlo con maggiore sicurezza.

Per questo motivo il biossido di cloro ha trovato il suo posto in numerose applicazioni:

• disinfezione dell'acqua (liquami, processi industriali, torri di raffreddamento, prodotti alimentari ecc.);
• sbiancamento del legno, pasta di legno e carta;
• rimozione del biofilm grazie alla sua capacità di penetrare negli strati di polisaccaridi delle cellule batteriche;
• ossidazione di ferro e manganese solubili, per facilitare la rimozione.

Proprio come tutti i processi di disinfezione che avvengono a livello di impianto, la necessità di bilanciare la corretta disinfezione e l'efficacia dei costi indica che è importante disporre di metodi accurati e affidabili per effettuare la misura del biossido di cloro nell'acqua.

A tale scopo sono stati sviluppati diversi metodi, basati su una varietà di principi diversi. Questi includono:

• titolazione iodometrica;
• spettrofotometria;
• colorimetria;
• amperometria - a membrana e non a membrana.

Titolazione iodometrica

Questo metodo si basa sull'ossidazione effettuata dal ClO₂ degli ioni di iodio, che può quindi essere titolato con tiosolfato di sodio. È quindi possibile eseguire alcuni calcoli relativamente semplici e dedurre la concentrazione di biossido di cloro.

Vantaggi: la regolazione del pH consente all'utente di distinguere tra Cl₂ (cloro), ClO₂ (biossido di cloro), ClO₂^- (clorito) e ClO₃^- (clorato). Ciò rende il metodo iodometrico ideale per misurare diverse specie di cloro.

Svantaggi: le titolazioni possono essere difficili e dispendiose in termini di tempo e sono richieste competenze tecniche di livello superiore rispetto ad altri metodi.

Il biossido di cloro, il clorito e l'ipoclorito non si distinguono facilmente, il che può causare problemi in alcune applicazioni.

Possono verificarsi errori significativi se è presente più di una specie.

Sebbene disponibile nel formato di un test kit, il metodo iodometrico non è stato adattato per l'analisi in linea in continuo.

Spettrofotometria

Questo metodo si basa sulla trasmissione della luce. Una lunghezza d'onda specifica della luce (circa 360 nm nel caso del biossido di cloro) viene fatta passare attraverso una cuvetta contenente il campione e viene misurata la trasmissione/assorbimento.

Maggiore è la concentrazione di biossido di cloro, minore è il livello di trasmissione; questo costituisce la base della misurazione.

Vantaggi: questo metodo è relativamente privo di interferenze rispetto alla titolazione iodometrica. Gli spettrofotometri sono facili da utilizzare e vi è il potenziale di ottenere livelli elevati di accuratezza.

Svantaggi: l'accuratezza complessiva dipende dal fotometro utilizzato, con i modelli migliori che costano decine di migliaia di euro.

Esiste un'interferenza nota con il clorito, che può introdurre livelli significatici di imprecisione.

Gli spettrofotometri in linea esistono ma non sono progettati pensando al biossido di cloro.

Colorimetrico

L'analisi colorimetrica si basa sulla reazione tra il ClO₂, un colorante e sulla misurazione dell'assorbanza di una specifica lunghezza d'onda della luce dopo questa reazione. I coloranti che possono essere usati includono N, N-dietil-p-fenilendiammina (DPD), clorofenolo rosso (CPR) e lissamina verde (LGB). Ognuno di questi coloranti ha i suoi limiti, ad esempio, il colore del DPD cambia nel tempo, la LGB dipende dalla temperatura), ma hanno anche caratteristiche positive.

Vantaggi: se eseguita correttamente la colorimetria offre potenzialmente una maggiore precisione rispetto alla spettrofotometria, inoltre questa tecnologia è conosciuta dalla maggior parte dei tecnici e del personale dei siti di trattamento.

I prodotti di colorimetria in linea sono disponibili da una varietà di fabbricanti.

Svantaggi: l’intervallo di funzionamento è limitato dalla concentrazione del colorante, che pone vincoli fisico-chimici su ciò che è possibile misurare.

La purezza dei coloranti può essere un problema, portando ad inesattezze. Alcuni studi riportano la purezza della stessa tintura che varia dal 45% al 95%.

Alcuni coloranti non sono adatti alle misurazioni in tempo reale a causa dei tempi di reazione più lunghi.

I colorimetri in linea richiedono una fornitura continua di reagenti, che può essere costosa. Inoltre, i tubi all’interno del sistema si possono bloccare spesso.

Sensori amperometrici a membrana (forniti dalla Leafy Technologies e da Pi)

Progettati in maniera specifica per le misurazioni in linea, questi sensori basati su elettrodi utilizzano un elettrolita specifico contenuto in un cappuccio con una membrana selettiva. Questa membrana permette alla ClO₂ di diffondersi all’interno dell'elettrolita, dove agli elettrodi avviene quanto segue:

• Catodo: ClO₂ + 4H⁺ + 5e^- → Cl^- + 2H₂O
• Anodo: Cl^- + Ag → AgCl + e^-

Il rilascio di elettroni su di un elettrodo e l'accettazione di elettroni sull'altro creano un flusso di corrente tra loro, che costituisce la base della misurazione.

Vantaggi: la membrana mantiene contaminanti dannosi lontano dagli elettrodi, proteggendoli.

C'è una bassa dipendenza dalla portata.

L'elettrolita è predefinito e quindi l'assenza di biossido di cloro non fornisce corrente; questo consente una calibrazione a punto unico.

Non sono richiesti reagenti o metodi di test complessi, il che significa bassi costi operativi per tutta la durata del sensore.

Il funzionamento continuo rende questi sensori ideali per la misurazione in linea.

Svantaggi: tensioattivi e detergenti possono influire sulla membrana, permettendo all'acqua di passare nell'elettrolita e causare la deriva del segnale.

Sostanze idrorepellenti come gli oli minerali possono ostruire i pori della membrana, quindi il biossido di cloro non può passare nell'elettrolito causando un errore di misurazione.

L’ozono è un interferente noto.

Sensori amperometrici senza membrana

In linea di principio simili ai sensori a membrana, gli elettrodi in questi strumenti sono direttamente esposti all'acqua del campione. Sebbene ciò comporti alcuni svantaggi rispetto ai sensori a membrana, questo permette di utilizzarli in determinate applicazioni dove altrimenti non sarebbero possibile.

Vantaggi: a causa della mancanza di membrana ed elettrolita, questi sensori possono essere utilizzati in applicazioni ad alta pressione e alta temperatura.

Costi di manutenzione ancora più ridotti a causa dell'assenza di cappucci con membrana, elettrolita e reagenti.

Svantaggi: l’assenza di una membrana microporosa che separi gli elettrodi dal flusso, rende questi sensori molto più sensibili alle interferenze.

I sensori senza membrana sono molto sensibili alla portata, quindi questa deve essere controllata in maniera precisa. Se la portata cambia, il sensore deve essere ricalibrato di conseguenza un flusso irregolare può renderli quasi inutili.

I sistemi Leafy per la misurazione del biossido di cloro?

Tutte le tecnologie sopraelencate hanno pro e contro e questo significa che non esiste una soluzione ideale, ma ciò che esiste è la soluzione giusta per l'applicazione specifica.

Dato il focus della Leafy Technologies sul settore dell’analisi in linea, quando si parla di biossido di cloro di solito si tratta di applicazioni che favoriscono l’analisi in linea ed in continuo, e quindi la scelta naturale sono i sensori amperometrici.

Gli analizzatori con sensori amperometrici di biossido di cloro DioSense consentono la misurazione reattiva ed in tempo reale del biossido di cloro senza bisogno di effettuare operazioni complesse di manutenzione e di spendere tempo e denaro per gestire i reagenti richiesti dai sistemi colorimetrici in linea.

Il loro funzionamento esente da reagenti comporta anche costi di proprietà totali molto inferiori. Una azienda di trattamento delle acque nel Regno Unito, dopo aver sostituito 330 analizzatori colorimetrici con analizzatori con sensori amperometrici, ha registrato risparmi di quasi un milione di sterline in un periodo di dieci anni.

Le sonde amperometriche a membrana non richiedono un controllo della portata così preciso come quello richiesto dai sistemi senza membrana, che può essere difficile in alcune applicazioni e settori. I sensori a membrana sono semplici da installare, calibrare e mantenere, a condizione che siano soddisfatte alcune condizioni di base come la mancanza di tensioattivi e detergenti nell’acqua di processo.

Grazie ad una vasta esperienza nella misurazione e nel controllo del biossido di cloro in molti di settori possiamo offrire consulenza specifica per il proprio processo. Per maggiori informazioni contattare un consulente.