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Désinfectants: le brome

Brome
Le brome peut être utilisé pour la désinfection des piscines et pour les tours de refroidissement. Il n'est pas utilisé pour la désinfection de l'eau potable.

Quand le brome a-t-il été découvert?
En 1825, C.Löwig, un chimiste allemand encore étudiant conduisit des recherches sur la vase de l'eau de marais (en réalité riche en bromure de magnésium). Après avoir éliminer le chlore de celle-ci, il injecta du chrome gazeux. Durant cette expérience, une nouvelle substance apparue: le brome. Löwig isola le brome à l'aide d'une extraction à l'éther puis d'une distillation. Un chimiste français, A. Ballard, découvrit du brome dans un extrait d'algue après avoir éliminé le chlore de celle-ci. Ballard développa des méthodes industrielles pour isoler différents sels issus de l'eau de mer. Le mot brome a pour origine le mot grec bromos qui signifie odeur, à cause de l'odeur déplaisante et dérangeante du brome.

Quelles sont les caractéristiques du brome?
Le brome a pour numéro atomique le numéro 35. Comme le chlore, c'est un halogène et, de ce fait, il réagit facilement avec les autres éléments. Dans la nature on le trouve uniquement sous des formes dérivées. Ces combinaisons sont appelées bromures. Les bromures sont utilisés pour obtenir du brome pure et pour produire des produits bromés. Après le fluor, le brome est l'élément le plus réactif. Il réagit avec de nombreuses substances différentes, il est très corrosif et destructeur de matière organique.

Brome est le seul élément non-métallique qui est liquide à température ambiante dans des conditions de pression normale. C'est un liquide rouge qui s'évapore facilement sous forme de vapeur. Le brome est approximativement 3.12 fois plus lourd que l'eau. A la température de 58.5°C, il devient gazeux alors que à partir de -7.3°C, il devient solide.

Le brome est un agent de blanchiment. C'est un poison sous forme liquide et les vapeurs de brome sont très agressives pour la peau humaine, les yeux et le système respiratoire. Il peut provoquer des brulures sérieuses. Une concentration d'1 ppm peut causer une irritation des yeux, et lorsqu'on inhale une concentration en brome supérieure à 10 ppm cela provoque des toux et une irritation des voies respiratoires.

Le brome peut facilement être dissout dans l'eau (35g par litre d'eau), le bisulfite de carbone ou d'autres solutions organiques. Ajouté à l'eau, le brome forme de l'acide hypobromeux. L'acide hypobromeux est un acide faible. Il est partiellement dissocié en ions hydrogène et hypobromeux. Le taux d'acide hypobromeux et d'ions hypobromeux est déterminé grâce à la valeur du pH de l'eau. Lorsque la valeur du pH est comprise entre 6.5 et 9, les deux formes peuvent être trouvées dans l'eau.

Si l'eau contient de l'ammoniac, alors des bromamines peuvent être formées (NH2Br, NHBr2 and NHBr3). Pour la désinfection les bromamines sont aussi efficaces que l'acide hypobromeux. La variation du pH a une influence sur la nature des bromamines formées: mono-, di-, et tribromamines.

Où le brome peut-il être trouvé
Dans la nature le brome peut être trouvé sous forme de sels et de substances organiques bromées. Ces substances sont produites par divers organismes marins. Le brome est la plupart du temps présent sous forme sel soluble dans l'eau de mer, dans l'eau de lac, et dans l'eau saumure.
L'eau de mer contient approximativement 65 ppm de brome. La concentration en brome trouvée dans l'eau saumure est plus élévée, entre 2500 et 10 000 ppm.
Le brome est obtenu à partir de sources d'eaux saumures aux Etats-Unis et en Chine, à partir de la Mer Morte en Israël et en Jordanie, et à partir de l'eau de l'océan au japon et aux Pays de Galles. D'autres places riches en bromes peuvent être trouvées en France, en Italie, en Turquie, en Ukraine, en Azerbeidzjan et en Allemagne. Le brome peut aussi être trouvé dans des roches et dans la croûte terrestre.

Figure 1: Le brome existe surtout sous forme de sels bromés dans la mer.

Comment peut-on produire du brome?
Le brome fut découvert pour la première fois en 1825, mais ce ne fut pas avant 1860 qu'il fut produit à grande échelle. Dans le passé le brome était produit en obtenant une réaction entre les bromures ,l'oxyde de manganèse et l'acide sulphurique.

MnO2 + 4 H+ + 2 Br- → Mn2+ + 2 H2O + Br2

De petites quantités de brome peuvent aussi être produites par réaction entre du bromure de sodium (NaBr) et de l'acide sulphurique concentré (H2SO4). En premier lieu le bromure d'hydrogène est formé. Le gaz est alors oxydé par l'acide sulphurique en brome et en dioxyde de soufre.

NaBr (s) + H2SO4 (l) → HBr (g) + NaHSO4 (s)
2HBr (g) + H2SO4 (l) → Br2 (g) + SO2 (g) + 2H2O (l)

Une autre méthode consiste à électroliser une solution contenant des ions bromures. A la cathode se forme du brome.

2 Br- → Br2 + 2 e-

De nos jours le brome est surtout créé par injection de chlore dans une solutions riche en ions bromures à un pH de 3.5.
L'eau de mer est traitée avec du chlore gazeux et de l'air. C'est le chlore gazeux qui va oxyder les ions bromure en brome. Lorsque une eau chlorée est ajoutée à une eau bromée, celle-ci vire au marron en raison de la formation de brome.

2Br- + Cl2 → 2Cl- + Br2

Quelles sont les applications du brome?
La première application connue du brome est la couleur pourpre. Cette substance par les escargots pourpres et fut utilisée par les Romains pour peindre les vêtements en pourpre. C'était une activité très demandée et seuls les romains riches pouvaient acheter ces vêtements.
De nos jours, le brome a de nombreuses applications. Dans l'industrie comme dans l'agriculture on produit de nombreuses substances contenant du brome. Le brome était utilisé principalement pour produire du dibromure d'éthylène un constituant du plomb dans le fuel. Mais en raison de ces effets néfastes sur l'environnement, ce produit n'est plus utilisé. Le brome est utilisé en médecine, en photographie, dans la production de pétrole, en peinture et dans certains pesticides. Dans le traitement de l'eau, le brome est utilisé comme alternative au chore pour la désinfection des piscines, ainsi que pour la désinfection des tours de refroisissement.

Désinfection au brome
En France, le brome a été utilisé comme désinfectant de l'eau depuis les années 1930.

Le brome peut-il être utilisé pour désinfecter l'eau des piscines?
Les substances bromées sont désinfectantes et peuvent être utilisées comme une alternative au chlore. Dans les piscines, le brome est utilisé contre la formation des algues, des bactéries et des odeurs dans les piscines. Aux Etats-Unis, le brome fut utilisé dès 1936 pour traiter l'eau des piscines. Durant la seconde guerre mondiale le chlore devint rare et beaucoup de piscines furent désinfectées au brome.
Le brome peut être appliqué dans les liquides ou les mélanges. Lorsque le brome est appliqué dans un liquide, l'équilibre suivant est établi:

Br2 + 2H2O « HOBr + H3O+ + Br-
HOBr + 2H2O « OBr- + H3O-

Cet équilibre dépend fortement de la valeur du pH. Pour une valeur du pH qui est habituellement trouvée dans les piscines, le brome est principalement trouvé d'acide hypobromeux (HOBr). Le brome doit être combiné avec un agent oxydant (par exemple le chlore ou l'ozone).

Br2 + 2H2O « HOBr + H3O+ + Br-
HOBr + 2H2O « OBr- + H3O-

Tableau 1: influence du pH sur la formation d'acide hypobromeux.

Acide hypobromeux (HOBr) ion hypobromeux (OBr-)
% brome sous forme de HOBr pH % brome sous forme de OBr-
100 6,0 0,0
99,4 6,5 0,6
98,0 7,0 2,0
94,0 7,5 6,0
83,0 8,0 17,0
57,0 8,5 43,0

Un bâton de brome fut développé en 1958, en raison des risques que peuvent engendrer l'usage du brome à l'état liquide. Ce bâton existe sous forme de brome-chlore-diméthylhydantoïne (Dihalo,DMH). A la fois le chlore et le brome sont attachés à un atome d'azote qui agit comme support organique. Appliqué à l'eau le DMH est hydrolisé et forme de l'acide hypochloreux. Du HOCl est aussi formé. L'ion hypochlorite réagit avec le brome pour former de l'acide hypobromeux. Le bromo-chloro-diméthylhydantoine (BCDMH) est une substance organique après la désinfection est et l'oxydation des brome libre demeurent. Lorsque le BCDMH est dissous dans l'eau, l'acide hypobromeux et l'acide hypochloreux sont libérés. Ces substances réagissent avec des ions bromures (Br-), produisant l'ajout additionel d'acide hypobromeux. C'est pourquoi le brome peut-être utilisé à la fois comme agent désinfectant et oxydant. La concentration du BCDMH dans l'eau ne devrait pas dépasser 200mg/L, où l'équilibre entre le désinfectant résiduel et la matière organique pourrait être perturbé. L'avantage du BCDMH est qu'il ne présente pas de risques importants au niveau du stockage. Il est également facile à appliquer. Seule la valeur du pH doit occasionellement être ajustée.

Le BCDMH est fournit sous forme de tablette ou de cartouches. Il a une longue durée de vie et se dissout très lentement. Un autre système peut consister en la dissolution du sel de brome (bromure de sodium) dans l'eau et l'activer par addition d'un d'un oxydant (hypochlorite ou ozone). En premier, le sel est ajouté à l'eau. En second lieu, un oxydant est additioné pour activer le brome et l'acide hypobromeux formé.

Pendant la désinfection, l'acide hypobromeux se dissocie en ions bromures. Ces ions peuvent être réactivés.
Le brome réagit avec d'autres substances de l'eau pour former des substances bromées. Ces substances sont désinfectantes et ne donnent normalement pas d'odeurs particulières. Le brome n'oxyde pas l'ammoniac ou d'autres substances azotées. L'acide hypobromeux réagit avec la lumière du soleil.

Lorsque la valeur du pH est située entre 7 et 8.5 le dibroamine est la forme majoritaire du brome. Le dibromoamine est aussi effectif tout comme le chlore libre pour tuer les microorganismes. Il est très actif et se dissocie rapidement en ions bromures. De ce fait il n'y a pas de brome résiduel dans l'eau.

Figure 2: différentes formes du brome selon la variation du pH et de la concentration en ammoniac.

Les substances bromé les plus utilisées sont le bromure de sodium et le BCDMH.

Le brome peut-il être utilisée pour la désinfection de l'eau destinée à la consommation?
Le dibrome (Br2) n'est pas utilisé pour le traitement de l'eau potable. Il réagit en effet trop rapidement avec les substances organiques, et aucun résidu ne reste présent. De plus, le brome donne un gout désagréable à l'eau. Le brome ne devrait être utilisé que dans des cas d'extrême urgence.

le brome peut-il être utilisé comme désinfectant dans les tours de refroidissement?

Le brome peut être utilisé pour la désinfection des tours de refroidissement. L'acide hypobromeux est légèrement moins efficace que l'acide hypochloreux pour éliminer les microorganismes. La valeur du pH de la tour de refroidissement permet de déterminer sous quelle forme le brome est présent. Lorsque la valeur du pH est en dessous de 8.7, de l'acide hypobromeux est formé. Cet acide est plus efficace que les ions hypobromeux, qui seront plus abondant au-dessus de 8.7. C'est pourquoi, le brome est un meilleur désinfectant pour les tours de refroidissement alcaline que le chlore. A un pH de 7.6 et plus haut, des ions hypochloreus sont formés. Ceux-ci sont bien moins efficaces que l'acide hypochloreux. Le brome réagit avec l'ammoniac pour former de bromoamines. En contraste avec les chloramines, les bromamines sont instables et ont tendance à se dissocier en acide hypobromique. La plupart des microorganismes dans les tours de refroidissement peuvent être traitées à l'aide du brome, jusqu'à ce qu'une quantité suffsante de brome soit présente.

Figure 3: dissociation de l'acide hypobromeux est de l'acide hypochloreux en fonction du pH

Quels sont les avantages et les désavantages d'une désinfection au brome?

Avantages
Le brome se dissout dans l'eau trois fois plus facilement que le chlore. Lors de son utilisation, il n'y a pas d'émission de gaz dangereux. La durée d'activité du brome dans l'eau est courte. L'avantage provient du fait que la concentration résiduelle est faible et donc il n'est pas nécessaire d'ajouter d'autres substances pour éliminer le brome.

Désavantages
Le brome est très réactif. Pour maintenir un niveau de désinfection adéquat, la quantité de brome à ajouter est plus importante. Le brome réagit aggressivement avec les métaux et est très corrosif.
Des mesures de sécurité importantes doivent être prises lorsque le brome est transporté, stocké ou utilisé.

Quel est l'éfficacité du brome?

Les bromoamines qui sont formés lorsque du brome est ajouté est additioné à une eau riche en ammoniac sont aussi efficaces que le chlore libre en ce qui concerne l'élimination des microorganismes.

Quels sont les effets sur la santé de l'usage du brome

Une concentration avoisinant 0.5mg/L de brome dans les piscines peut provoquer l'irritation des yeux est des membranes muqueuses et peut engendrer à des odeurs désagréables.
Dans la nature le brome est trouvé dans les substances inorganiques. Durant le vingtième siècle, les hommes ont produits du brome organique dans plusieurs applications. Le brome organique n'est pas une substance naturelle et cause des dommages importants dans l'environnement. Les êtres humains peuvent absorber du brome organique à travers leur peau, en mangeant, ou par inhalation. Il est très utilisé dans les spray pour tuer les insectes. Le brome organique est dangereux pour les hommes et les animaux. Il affecte la glande thyroïde, le système génétique et le système nerveux.

Quels sont les effets sur l'environnement de l'usage du brome?

Le brome est utilisé comme désinfectant, car il est nocif pour les microorganismes. Lorsque des substances organiques pénètrent dans les eaux de surfaces, cela a des effets négatifs sur la santé des organismes marins de toutes sortes.

Lorsque le brome est utilisé dans la désinfection de l'eau, les bromamines et l'acide hypobromeux réagissent avec la matière organique de l'eau pour former des sous-produits bromés liés à la désinfection. Ceci peut être nocif pour la santé.

Quel est la législation concernant l'usage du brome comme désinfectant?

Union Européenne
En France le brome est utilisé pour désinfecter les piscines. La norme française concernant la concentration en brome utilisée dans les piscines est de 0.7mg/L. Une concentration de l'ordre de 0.5mg/L peut entraîner une irritation des muqueuses et des yeux et peut dégager des odeurs nauséabondes.


Désinfectants
La désinfection de l'eau peut-être réalisée à partir de plusieurs désinfectants.

On utilise par exemple:

Le chlore

L'hypochlorite de sodium

Le dioxyde de chlore

Les chloramines

Peroxyde d'hydrogène

Cuivre/ argent ionisation

Brome

Autres désinfectants incluant l'ozone et les UV.

Plus d'informations sur la désinfection de l'eau?:

Introduction sur la désinfection de l'eau
Nécessité d'un traitement de l'eau
Histoire du traitement de l'eau

Qu'est ce que la désinfection de l'eau?
La nécessité de désinfection de l'eau
Histoire de la désinfection de l'eau
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L'hypochlorite de sodium
Les chloramines
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L'ionisation cuivre-argent
Le peroxyde d'hydrogène
Le brome
Le peroxone
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