Chlor (Cl ) und Wasser

Der durchschnittliche Chlorgehalt in Meerwasser liegt bei ungefähr 20000 ppm (2%). Doch auch in Süßwasser ist das Element enthalten. So liegt die Konzentration in Flusswasser im Allgemeinen bei etwa 8 ppm. In gelöstem Zustand kommt Chlor vor allem in Form von Cl^- vor, doch auch Cl₂ (in gechlortem Wasser), HClO, ClO^-, ClO₂, ClO₂^-, ClO₃^- und ClO₄^- sind mögliche Erscheinungsformen.

Wie und in welchen Verbindungen reagiert Chlor mit Wasser?

Chlor ist eines der reaktionsfreudigsten Elemente und reagiert somit auch mit Wasser. Es bildet mit diesem Salzsäure und Hypochlorit, was nach der folgenden Reaktionsgleichung geschieht:

Cl₂(g) + H₂O(l) <-> OCl^-(aq) + 2H⁺(aq) + Cl^-(aq)

Das Gleichgewicht der Reaktion ist unter anderem vom pH-Wert der Lösung abhängig, da H⁺-Ionen gebildet werden.
Das Chloridion ist wesentlich weniger reaktionsfreudig. Auch etwa die Gruppe von Chloralkylethern ist in Wasser normalerweise sehr stabil.

Wasserlöslichkeit von Chlor und/oder seinen Verbindungen

Die Löslichkeit von Chlorgas in Wasser beträgt bei Standardbedingungen etwa 6,3 g/L. Auch Chlorsalze gelten als gut wasserlöslich. Einige Beispiele für die Wasserlöslichkeit von Chlorverbindungen sind Chloralhydrat mit 4740 g/L (bei 17^oC), Chloramben mit 700 mg/L (bei 25^oC), 4-Chloranilin mit 2,9 g/L (bei 20^oC) und 1-Chlorethen mit 1,1 mg/L (bei 25^oC).

Löslichkeit und wie diese beeinflusst werden kann

Wie kann Chlor ins Wasser gelangen?

Chlor ist von Natur aus in einigen Mineralien, wie etwa Halit, Sylvin und Carnallit enthalten. Es kommt natürlicherweise nicht in freier Form, sondern nur in Verbindungen, hauptsächlich als Natriumchlorid (Kochsalz), vor. Vor allem aus Halit wird Kochsalz gewonnen, welches jedoch auch aus Meerwasser extrahiert werden kann. Durch die Verwendung von Auftausalzen auf Strassen und durch Ausscheidungen des Menschen im kommunalen Abwasser gelangt schnell eine erhöhte Chloridmenge in Wasser und Boden. Auch die Kaliindustrie verstärkt diesen Effekt.
Chlor hat jedoch noch zahlreiche andere kommerzielle Verwendungszwecke. So werden etwa 30% in der chemischen Industrie genutzt, während etwa 25% für die Herstellung von PVC benötigt werden. Weitere 20% dienen der Wasserbehandlung, circa 15% werden in Lösungsmitteln verwendet und circa 10% in Bleichstoffen. So kann nicht nur Zellstoff für die Papierherstellung, sondern auch Altpapier mit Hilfe von Chlor gebleicht werden. Inzwischen gibt es jedoch auch umweltfreundlichere Methoden hierfür.
Auch für die Produktion von Medikamenten, Silikonen und Polymeren wird das Element benötigt, auch wenn es im Endprodukt nicht mehr enthalten ist. Zudem ist Chlor Bestandteil von Haushaltsbleiche, Farbentfernern, Brandschutzmitteln und sogar Pestiziden. Sehr bekannt ist das Insektizid und Umweltgift DDT, aber auch die Herbizide Chloramben oder Chloralhydrat. Gleiches gilt für Chlordan. Auch einige Chlorkohlenwasserstoffverbindungen dienen als Fungizide und Insektizide. Teilweise gibt es wegen ihrer Toxizität deutliche Einsatzbeschränkungen für Chlorverbindungen zu diesem Zweck.
Andere bekannte und berüchtigte Chlorverbindungen sind PCB, das etwa für die Produktion von Kondensatoren und Transformatoren genutzt wird, CKW und FCKW, die unter anderem Verwendung als Kühlmittel fanden. Weitere Verwendungszwecke für Chlorverbindungen sind die Nutzung für Farben und Leime, die Herstellung von Ionenaustauschern oder aber auch Schlafmitteln.
Das elementare Chlorgas wurde als Kampfstoff verwendet. Es entsteht außerdem bei der Zugabe von Säure an Sanitärreiniger.
Chloride und andere Chlorverbindungen können aus unzureichend gesicherten Deponien für Sondermüll und Bauschutt entweichen. Auch die Verbrennung von Stoffen, die Chlorverbindungen enthalten, setzt diese in die Umwelt frei.
Die Zahl der Chlorverbindungen und ihrer Verwendungszwecke ist so groß, dass diese hier bei weitem nicht alle behandelt werden können. Interessant ist jedoch noch, dass Chlor und seine Verbindungen oft als Abfallprodukte freigesetzt werden und daraufhin verloren gehen oder aber vor allem als chlororganische Verbindungen weitervermarktet werden. So gelten vor allem Lösungsmittel, aber auch PVC als gute Möglichkeit hierfür.
Das radioaktive ³⁶Cl wird in der Forschung verwendet.

Welche Umweltprobleme können durch Wasserverunreinigung mit Chlor entstehen?

Chlor ist in Form von Chlorid für zahlreiche Organismen essentiell. Dies gilt auch für höhere Pflanzen. Das Ion ist im Boden sehr mobil, da es nicht an Mineralien absorbiert wird. Daher wird es leicht ausgewaschen. Die Chloridkonzentration in normalen Böden variiert von 50-2000 ppm. Die höchsten Salzkonzentrationen sind in ariden und semiariden sowie in meeresnahen Gebieten zu finden.
Pflanzen nehmen Chlorid über die Wurzeln auf und außerdem Chlorgas über die oberirdischen Pflanzenteile. In der Pflanze kommt es oft zu einer Anreichung von Chlorid im Cytoplasma. Der Chlorgehalt von Pflanzen beträgt meist etwa 2000-20000 ppm. Der Anteil hiervon in den Chloroplasten ist besonders hoch. Einige Bäume, wie beispielsweise Platanen oder Eichen, können relativ hohe Salzkonzentrationen im Boden tolerieren, bei zu geringen Konzentrationen im Boden kann es zu Wachstumshemmungen von Pflanzen kommen. Dies geschieht jedoch nicht sehr oft, da es erst bei Extremen von weniger als 2 ppm eine Rolle spielt.
In aquatischen Prozessen kommt es häufig zu Wechselwirkungen zwischen Chlorid und Eisen, was etwa bei photochemischen Prozessen der Fall ist. Interessant ist auch, dass Natriumchlorid in Seesalzpartikeln mit Stickstoffoxiden reagieren kann, wobei Chloratome gebildet werden, die Ozon und Treibhausgase zerstören können.
Obwohl Chlor in der Umwelt ein Element von großem Belang ist, kann es andererseits jedoch auch sehr schnell großen Schaden anrichten, wenn es in anderen Formen als Chlorid vorkommt. Ihm wird ein großes Ausbreitungspotential zugeordnet, und es gilt zudem als wassergefährdender Stoff. Bei größeren Mengen kann auch eine Gefährdung des Trinkwassers entstehen. Auf Fische hat Chlor eine giftige Wirkung, wobei die letale Konzentration, bei der etwa 50% einer Population sterben (LC₅₀), bei etwa 293 ppm liegt. Auch Chlorverbindungen können toxisch und stark umweltgefährdend wirken. So sind etwa einige LD₅₀-Werte von Chlorverbindungen bekannt, die angeben, wie hoch die Dosis ist, bei der 50% einer Population sterben. Diese Dosis liegt bei oraler Aufnahme von Chloralhydrat durch die Ratte bei 1,1 g/kg, bei selbiger Aufnahme von Chloramben bei 5,6 g/kg und von Chloranilin bei 370-420 mg/kg. Chloralhydrat wird ebenso als wassergefährdender Stoff bezeichnet. Der LC₅₀-Wert von Chloranilin liegt bei der Regenforelle bei 14 mg/L innerhalb von 96 Stunden. Die Giftigkeit von Chlorverbindungen kann auf verschieden Prozessen beruhen. So kommt es bei manchen Stoffen zu einer Hemmung des Methämoglobins, während andere die Aktivität von Enzymen beeinflussen.
Die Umweltgefährdung einiger anderer chlorhaltiger Stoffe betrifft eher ihre Reaktionen in der Atmosphäre, die wiederum Auswirkungen auf Wasser und Boden, sowie Flora und Fauna haben können. So kann etwa bei der Verbrennung chlorhaltiger Substanzen Salzsäure in die Atmosphäre gelangen und einen Beitrag zum sauren Regen liefern, der Boden und Pflanzen stark schädigen kann (siehe auch Stickstoff und Wasser und Schwefel und Wasser).
Andere Probleme entstehen durch die Nutzung von CKW und FCKW, die die Ozonschicht angreifen, wodurch die UV-Strahlung auf der Erde verstärkt wird, was wiederum Auswirkungen auf das Leben auf der Erde hat. Zudem fungieren sie als Treibhausgase und tragen so zur Klimaveränderung bei, die auch Einfluss auf aquatische Ökosysteme hat. CKW gehören außerdem zu den Chlorverbindungen, die sich in Lebewesen anreichern können und eine krebserregende Wirkung haben.
Auch die Pestizide DDT und PCB sind für ihre Bioakkumulation sowie Biomagnifikation bekannt. Sie reichern sich nicht nur innerhalb eines Lebewesens, sondern auch innerhalb einer ganzen Nahrungskette an.
Chlor hat zwei stabile sowie acht instabile, also radioaktive Isotope.

Welche Gesundheitseffekte kann Chlor im Wasser verursachen?

Chlor in Form von Chlorid ist auch für den Menschen essentiell. So beträgt der Chlorgehalt im menschlichen Körper etwa 1200 ppm. Täglich nehmen wir rund 3-6,5 g vor allem in Form von Kochsalz auf, wovon nur circa 3 g auch benötigt werden. Hiervon stammen etwa 17% aus der Nahrung selbst, während 40-50% beim Produktionsprozess und 30-40% durch den Verbraucher selbst zugefügt werden. Etwa 3% der Menge stammen aus dem Trinkwasser.
Chlorid gilt als wichtigstes Anion in der extrazellulären Flüssigkeit, wobei es Einfluss auf das Wasser-Elektrolyt-Gleichgewicht hat. Als Bestandteil der Salzsäure ist es wichtig für die Bildung von Magensäure. Bei erhöhter Einnahme kann die Chloridbalance meist erhalten werden, da der Überschuss mit dem Urin ausgeschieden wird. Die Auslösung von Bluthochdruck und Herzkrankheiten durch eine zu hohe Einnahme von Kochsalz, wird seinem Bestandteil Natrium und weniger dem Chlorid zugeschrieben (siehe Natrium und Wasser).
Während Chlorid als stabil und relativ ungiftig gilt, ist Chlorgas sehr reaktionsfreudig und kann schnell gefährlich werden. Bei der Bereitung von Trinkwasser aus Oberflächenwasser gibt es häufig Einwände gegen die Nutzung von Chlor, da es mit den normalerweise immer vorhandenen Humussäuren Trihalogenmethane bilden kann, die als gesundheitsschädlich gelten.
Auf Schleimhäuten bildet Chlor aktiven Sauerstoff und Salzsäure, die das Gewebe angreifen. Bei Inhalation wirkt das Gas als starkes Lungengift, das sogar Lungenblutungen verursachen kann. Eine Konzentration von 500 ppm über fünf Minuten eingeatmet, kann tödlich sein. Interessanterweise könnten jedoch weiße Blutkörperchen das Element nutzen um den Körper vor Infektionskrankheiten zu schützen.
Toxische Wirkungen von Chlorverbindungen treten vor allem bei oxidierenden Formen, wie etwa Chloraten, auf. Auch Chloralhydrat ist ein Beispiel für eine giftige Chlorverbindung, wobei etwa 10-15 g tödlich wirken. Der Stoff hat zudem wie zahlreiche andere Verbindungen von Chlor eine mutagene und karzinogen Wirkung.
Beispielsweise DDT kann sich außerdem im Körper anreichern. Seine akute Toxizität äußert sich in Angst- und Schwindelgefühlen, sowie Kopfschmerzen, Verwirrtheit und Gleichgewichtsstörungen, bis hin zum Koma.

Welche Wasserreinigungstechnologien können genutzt werden um Chlor zu entfernen?

Chlor bzw. Chlorid ist in normalerweise allen Abwässern zu finden. Während die Konzentration des Stoffes im Trinkwasser bei nur etwa 30 mg/L liegt, können dies in kommunalem Abwasser schon 120 mg/L sein. Abwasser von Schlachthöfen enthält etwa 1 g/L und solches aus der Fischverarbeitung sogar 24 g/l.
Möglichkeiten, Chlor und seine Verbindungen aus dem Wasser zu entfernen, bieten Ionenaustauscher, sowie Umkehrosmose, eventuell in Kombination mit Elektrodialyse. Auch Aktivkohle kann in manchen Fällen angewendet werden, oder aber die Nutzung von Schwefeldioxid oder anderer reduzierter Schwefelverbindungen.
Die Entfernung von Chlor durch natürliche Mikroorganismen dauert relativ lange und das Resultat ist nicht immer komplett. 1997 wurde jedoch ein Bakterium entdeckt, das hierzu fähig ist.
Auch Chlor selbst kann zur Wasseraufbereitung und vor allem Desinfektion verwendet werden. Die Wirksamkeit von Chlor beruht auf folgender Reaktionsgleichung:
Cl₂ + H₂O -> 2H⁺ + 2Cl^- + O
Der hierbei aus der unterchlorigen Säure freigesetzte Sauerstoff kann Verunreinigungen oxidieren. Bei pH-Werten unter 6 liegt das Chlor in molekularer Form vor, während bei einem pH-Wert über 10 die Form des Hypochloridions überwiegt. Dieses ist deutlich weniger wirksam. Liegt der pH-Wert zwischen 5 und 10, so sind beide Formen vorhanden (HOCl <-> H⁺ + OCl^-).
Diese Methode ist sehr kostengünstig, kann jedoch zu einer unerwünschten Senkung des pH-Werts und Steigerung des Chloridgehalts führen. Auch unerwünschte Nebenprodukte können gebildet werden. Positiv ist, dass das Chlor im Wasser verbleibt und noch eine Zeit nachwirkt, im Gegensatz zur Desinfektion mit Ozon. Die beiden Methoden können daher auch kombiniert werden.
Außer Chlorgas können auch feste und flüssige Chlorverbindungen zur Desinfektion verwendet werden. Diese sind oft einfacher in der Handhabung und weniger gefährlich für die Umgebung. Allerdings sind die Kosten auch meist höher.
Eine stärkere Desinfektion mit weniger Nebenprodukten kann durch die Nutzung von Chlordioxid erreicht werden. Dieses ist weniger reaktionsfreudig, was die Chlorzehrung verringert und auch das Risiko auf die Bildung von krebserregenden Trihalogenmethanen verkleinert. Zudem ist der typische Chlorgeruch wesentlich geringer ausgeprägt.
Chlor kann neben dem Abtöten von Keimen auch organische Verbindungen oxidieren. Daher wird jedoch anfangs bei steigender Zugabe von Chlor, die Chlorkonzentration im Wasser geringer. Bei weiterer Zugabe steigt sie hingegen proportional an. Eine wirksame Chlorung sollte daher gerader über diesen Wendepunkt hinausgehen.

Die Trinkwassernormen von WHO und EU geben einen maximalen Chloridgehalt von 250 mg/l vor. Dieser wurde auch in der deutschen Gesetzgebung übernommen.

Trinkwassernormen im Vergleich

Quellenangaben

Zum Periodensystem der Elemente

Zur Übersicht der Elemente und Wasser