CE 497-017 Drinking Water Issues in Rural Colombia

SOP for Chlorine Measurement and Chlorine Demand Measurement

Preparation of Stock NaOCl Solution

Clorox Bleach is 6% Sodium Hypochlorite (NaOCl) or 5.7% chlorine at Cl2 (i.e., one Cl2 molecule is the equivalent to one OCl- molecule according to the following reactions):

+ - Cl2 + H2O  HOCl + H + Cl

HOCl  OCl- + H+

Assuming a density of 1.0 g/mL for bleach, the concentration of chlorine in bleach as Cl2 (i.e., based on the molecular weight of Cl2) is 57 g/L. To have an effective “stock” solution to use as the disinfectant, bleach needs to be diluted 100 fold (1 part per 100 parts). For every 99 mL (i.e., ~100 mL) water added to an amber bottle, dose with 1 mL Clorox bleach (6% Sodium Hypochlorite) to make a “stock” solution of 570 mg/L as Cl2. Use the highest quality of water available. Because chlorine decays in the presence of light, the bottle should be amber and should be stored in the dark. Because chlorine is moderately volatile (i.e., transfers to air), the bottle should be tightly capped during storage. After 2 weeks, discard and prepare a fresh stock solution. Label “Stock Chlorine Solution, 570 mg/L as Cl2”.

Preparando La Solución de Cloro “ideal” Para Anadir al Agua Mala

El producto Clorox Bleach es 6% Hipoclorito de Sodio (NaOCl) o 5.7% cloro en la forma de Cl2. Por - ejemplo, una molécula de Cl2 es el equivalente de una molécula de OCl en la reacción

+ - Cl2 + H2O  HOCl + H + Cl

HOCl  OCl- + H+

Suponemos que la densidad de bleach es 1.0 g/ml, la concentración de cloro en el bleach como Cl2, sabiendo que el peso molecular de Cl2 es 57 g/L. Para tener una solución “ideal” para usar como desinfectante, el bleach tiene que estar diluido 100 veces, 1 parte por 100 partes. Para cada 99ml de agua añada en la botella café, añade 1 ml de Clorox bleach para hacer la solución ideal de 570 mg/L como Cl2. Use la calidad más fina de agua que puedas, agua destillada será lo mejor. El cloro se descompone con la luz, aunque sea de focos de la casa, es la razón que pedimos que usen una botella que sea café, como el de ejemplo que hemos dejado. Como también se volatiliza el cloro, es recomendando que siempre tengan la tapadera puesta cuando no estén utilizando la solución. Espues de dos semanas, tire y prepare una botella de solución “ideal” nueva.

Disinfecting Water with Stock Chlorine Solution

Based on the concentration of chlorine that is required to adequately disinfect the water (generally 2-4 mg/L), the following equation can be used to calculate the Volume of Stock Chlorine Solution to be added:

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Where: VolStock (in units of mL) is the volume of the Stock Chlorine Solutions added to the water.

VolTot (in units of Liters) is the total volume of water being treated.

Dose (in units of mg/L as Cl2) is the desired concentration of chlorine in the treated water before any chlorine demand occurs. And 0.57 is the concentration of the Stock Chlorine Solution in units of mg/mL.

As an example, if it is desired to treat 5 L water to an initial chlorine concentration of 3 mg/L with the

570 mg/L Cl2 Stock Solution, the volume of Stock Solution to be added to the 5 L water sample is:

Desinfectando Agua Con La Solución de Cloro Preparada “Ideal” Sabiendo que la concentración ideal para que el cloro desinfecte totalmente es de 2-4 mg/L, la ecuación

Donde: Volideal (unidad de mL) es el volumen de la solución “ideal” que se va añadir al agua

Dose (unidad de mg/L como Cl2) es la concentración de cloro en el agua ya que sea desinfectada .57 es la concentración de la solución ideal en unidades de mg/mL Por ejemplo, si quiero desinfectar 5 L de agua y quiero que quede 3 mg/L de concentración de cloro en el agua desinfectada con 570 mg/L Cl2 de la solución ideal, el volumen de solución ideal que se necesitaría a añadir a 5 L de agua será:

Determining “Residual Chlorine” and “Chlorine Demand”

The reaction of chlorine with bacteria and other organic substances in the water decreased its concentration to a “residual” level. These reactions are generally complete within 30 minutes to 2 hrs. It is desirable to maintain a residual chlorine concentration in the water of approximately 0.5-1.5 mg/L, as this insures that an adequate chlorine dose has been applied to deactivate harmful micro-organisms initially present in the water, and to deactivate any micro-organisms that may re-contaminate the water. This requires a method for determining chlorine concentrations.

A simple, relatively inexpensive way to measure chlorine concentration in water is by use of a HACH Test

Kit (Model CN-66, Cat. No. 2231-01) that measures concentrations in the range 0 to 3.5 mg/L at Cl2. This kit allows for the determination of both “free chlorine” (HOCl + OCl-) and “total chlorine” which in addition to the 2 free chlorine species, includes monochloramine (NH2Cl), dichloramine (NHCl2) and nitrogen trichloride (NCl3). These chloramines species also act as disinfectants and are the result of reactions of free chlorine with ammonia (NH3). The HACH kit includes packets containing DPD (N,N- Diethyl-p-Phenylenediamine) and DPD + KI (potassium iodide). DPD directly reacts with free chlorine species to give a product-chemical that is red in color, with the intensity of the red color directly proportional to the concentration product-chemical (hence, also proportional to the free chlorine concentration). The red color intensity of a sample after adding the DPD is compared to red color intensities on a “Color Disc” provided in the kit. Total chlorine is determined with the DPD + KI packets, - as free chlorine species oxidize I (iodide) to I2 (iodine), which in turn reacts with DPD resulting in the red-colored product-chemical.

To Test for “Residual Chlorine” in the treated water, a small sample of treated water can be tested according to the instructions provided in the HACH Test Kit for chlorine determination. The water should be tested no sooner than 30 minutes after the chlorine is added to provide an adequate time for reaction to occur.

If distilled water is available, a reasonably accurate measure of the “Chlorine Demand” can be made by comparing the residual concentrations of chlorine in the sample water to that measured in distilled water prepared at the same dilution ratio (of the stock Cl2 solution). Basically, this same measurement

(on a diluted Stock Cl2 solution using distilled water) is a way of measuring the actual concentration of chlorine within the bleach (if the Stock Solution is freshly prepared in distilled water also) or within the Stock Solutions (if it is not freshly prepared from the bleach). From this information, the chlorine demand (Actual Dose minus Residual Concentration) can be determined.

A simple way to measure the actual concentration of chlorine in the Stock Solution is to add precisely 0.5 mL Stock Solution to 200 mL distilled water. Rearranging equation 1 above shows that this dilution should result in a chlorine concentration of ~1.4 mg/L as Cl2 in the 200 mL distilled water sample:

If a lower or higher value is obtained, the actual concentration of chlorine in the Stock Solution can be calculated by multiplying 0.57 mg/mL by the ratio of measured concentration to expected concentration. At the 0.5 mL to 0.2 L dilution ratio suggested above, this results in the following equation,

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Where ConcStock is the measured concentration of chlorine (as Cl2) in the bleach, in units of mg/mL.

Knowing the precise concentration of Chlorine (as Cl2) in the Stock Solution allows the Chlorine Demand of the treated water to be calculated, as the actual dose can now be calculated with equation 3, using the actual Stock Solution concentration, rather than the expected concentration of 0.57 mg/mL.

Determinando el Cloro Residual y Cloro de Demanda

La reacción del cloro con la bacteria y otras substancias orgánicas en el agua disminuya la concentración de cloro añado a un nivel “residual.” Las reacciones normalmente están completadas de media a dos horas. Es sugerido que la cantidad de cloro “residual” este entre .5-1.5 mg/L, estos niveles asegura que una cantidad de cloro adecuado e sido aplicado al agua, y que he matado todos los micro-organismos malos, que antes estaban presente en el agua. Y más importante, matara los micro-organismos que podrán re-contaminar el agua. Pues se necesita una manera para determinar la cantidad de cloro “residual” en el agua.

Una manera simple y barato para medir la concentración de cloro en el agua es usando el HACH Test Kit

(CN-66 Modelo, Numero de catalogo 2231-01) que mide la concentración de 0 a 3.5 mg/L como Cl2. Con este kit se puede medir el “Cloro libre” (HOCl + OCl-) y “Cloro total”, que incluye dos especias de cloro libre, que son mono-cloramina (NH2Cl), di-cloramina (NHCl2) y nitrógeno tetra-cloro (NCl3). Estas especias de cloraminas también actúan como desinfectantes y son el resultado de reacciones de cloro libre con amoníaco (NH3). El kit HACH incluye paquetes que contiene DPD (N,N-Diethyl-p- Phenylenediamine) y DPD + KI (potasio iodo). DPD reacciona directamente con las especias de cloro libre y resulta un producto químico que es rojo en color, con correlación con la intensidad del color rojo con la concentración del cloro libre. La intensidad del color que sale se compara con un disco que tiene diferentes intensidades del color rojo en correlación con la concentración de cloro libre.

Para experimentar con cloro residual en el agua que e sido desinfectada, una muestra de agua desinfectada puede estar examinada usando las instrucciones que da el HACH Test Kit. El agua no debe de estar examinado hasta que pase media hora espues que el cloro e sido añadido para que haya suficiente tiempo para que la reacción se complete. Una manera simple para medir la concentración actual de cloro en la solución “ideal, “es de agregar exactamente .5 mL de solución ideal a 200 mL de agua destillada. Re organizando la primera ecuación, ensena que esta dilución debe resultad en una concentración de cloro de ~1.4 mg/L como Cl2 en 200 mL de muestra de agua destillada:

Si una concentración sale más alto o más bajo, la concentración actual de cloro en la solución ideal puede estar calculada por multiplicando .57 mg/mL por la proporción de concentraciones medida a la concentración que esperaban. En la dilución de .5 mL a .2 L, y usando la proporción sugerido antes, lo que se resulta son las ecuaciones:

Donde Concideal es la concentración de cloro como Cl2 que estuvo medido en el bleach, en (unidos de mg/mL)

Sabiendo la concentración preciso de cloro como Cl2 en la solución ideal deja que el cloro en demanda del agua que va estar desinfectada se pueda medir, como la dosis actual se puede medir con ecuación tres, usando la concentración actual de la solución ideal, y no la concentración que supone que dará la concentración de .57 mg/mL

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Initial Tests on river water (Wabash R.) treated through biological sand filters at Purdue University indicated that a chlorine dose of 2.85 mg/L (as Cl2) [1 mL Stock Solution (at 0.57 mg/mL Cl2 concentration) into 200 mL] gives a residual concentration of ~1.0 mg/L, after a 30 minute reaction time, resulting in a chlorine demand of 1.85 mg/L.

Experimento en el Laboratorio

Se hizo varios experimentos usando el rio Wabash, que corre junto a la universidad, que estuvo añadido y paso por filtros biológicos de arena en la Universidad de Purdue. El agua que salió de los filtros indica que una dosis de cloro de 2.85 mg/L como Cl2 [1 mL de solución ideal (a concentración de .57 mg/mL Cl2) dentro de 200 mL de agua] da una concentración residual de 1.0 mg/mL. Espues que se dejo reaccionar el cloro con el agua por media hora, resultando en una demanda de cloro de 1.85 mg/L

Appendix: Protocol for use of HACH TestingKit

1. 200 ml of water or 1 L to be disinfected is desired due to trial and error experimentation. The 200 ml is the smallest amount of water that will not make us have to use micro-liters.

2. Follow the above procedures to acquire your stock solution and to add the right amount of stock solution to your water.

3. Using a clean pipette, preferably one that’s 5ml, collect the disinfected water from the middle of the container. The pipette then should be dispensed into the test tube that comes with the test kit. The packet that reads free chlorine 5 mL should then be dispensed into the tube and the liquid should turn a shade of pink. Using the color wheel, slip the tube into the desired slot and compare.

Apéndice: Protocolo para usar el HACH Test Kit

1. 200 mL de agua o 1 L para desinfectar es la cantidad de agua mala recomendado para desinfectar. El 200 mL es la mínima cantidad de agua que se puede desinfectar que no va requerir usar micro-litros de solución “ideal” para añadir al agua mala.

2. Sigue las direcciones mencionado al principio de este discurso para adquirir la solución “ideal” de cloro para añadir al agua mala, usando el cloro de la marca Clorox Bleach. 3. Usando una pipeta limpia, colecta 5mL de agua desinfectada, sugerimos que tomes el agua del medio del contenedor de donde este guardado el agua. Añade el líquido de la pipeta al tubo de plástico que viene con el test kit. Abriendo el paquetito plateado, que indica que el polvo blanco de adentro es para medir cloro libre y se debería usar con una muestra de 5 mL de agua, dispensa todo el polvo dentro del tubito. Mezcle muy bien el tubo, y usando la rueda de diferentes intensidades del color rojo. Ponga el tubo en el hueco junto al tubo vacio y mueve la rueda hasta que los dos colores sean del mismo intensidad.

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