Chlorierung und Pipi im Pool: Die Chemie der Schwimmbäder

Schwimmbäder sind eine hervorragende Möglichkeit, sich in einem heißen Sommer abzukühlen. Natürlich ist das keine besonders originelle Idee, und ein bestimmtes Schwimmbad wird vielleicht jeden Tag von Hunderten von Menschen genutzt. Die Chemie hilft, uns davor zu bewahren, in Wasser zu schwimmen, das potenzielle Infektionskrankheiten birgt. Sie kann auch bei der Kardinalsünde des Pool-Pinkelns helfen, wenn auch nicht ohne Folgen. Das geschieht, wie Sie wahrscheinlich schon wissen, durch die Chlorierung des Schwimmbadwassers – obwohl das nicht so einfach ist, wie Sie vielleicht denken!

Zunächst einmal: Wie wird Wasser gechlort? Man könnte vermuten, dass dies mit Chlor geschieht, aber es ist tatsächlich ziemlich selten geworden, Pools mit Chlor zu chlorieren. Der Grund dafür ist die Giftigkeit des Chlorgases, das schwierig zu lagern und bei einem Unfall potenziell gesundheitsgefährdend ist. Stattdessen werden andere Chemikalien verwendet, die ebenfalls eine Chlorung des Wassers bewirken können.

Hauptvertreter sind die Hypochlorite, und einige der am häufigsten verwendeten sind Natriumhypochlorit und Kalziumhypochlorit. Diese Verbindungen haben gegenüber Chlor den Vorteil, dass sie bei Raumtemperatur fest sind und sich in Wasser auflösen lassen, was ihre Lagerung und Verwendung wesentlich erleichtert. Natriumhypochlorit ist eine Verbindung, die Sie wahrscheinlich auch in Ihrem Haushalt kennen, da sie ein Bestandteil von Bleichmitteln auf Chlorbasis ist. Es wird in Lösungen mit etwas höherer Konzentration verkauft, um Schwimmbäder zu chlorieren, und ist auch in Tablettenform erhältlich. Wenn es einmal im Wasser ist, hat es natürlich eine viel niedrigere Konzentration als die in Bleichmitteln, so dass die Tatsache, dass es auch dort vorkommt, kein Grund zur Sorge ist.

Sowohl Chlor als auch Hypochloritsalze reagieren mit Wasser zu einer anderen Verbindung, der hypochlorigen Säure. Diese ist eine relativ schwache Säure, aber auch ein starkes Oxidationsmittel, das weitgehend für die bakterientötende Wirkung der Wasserchlorung verantwortlich ist. Es wird vermutet, dass sie eine Reihe von Faktoren an der Zellmembran der Bakterien beeinflusst, einschließlich der Unterdrückung der Stoffwechselfunktion der Zelle, der Verhinderung der DNA-Replikation und der Verhinderung, dass sich Proteine in den Zellen zusammenschließen können.

Hypochlorige Säure dissoziiert (spaltet sich auf) teilweise in Wasser und bildet das Hypochlorit-Ion. Dies ist ein Oxidationsmittel, das etwa 60-mal schwächer ist als hypochlorige Säure, so dass es nicht so gut zur Entfernung von Bakterien aus dem Wasser beiträgt. Glücklicherweise ist die Dissoziation von unterchloriger Säure reversibel, und wir können sie zu unseren Gunsten beeinflussen, indem wir den Säuregrad des Schwimmbeckens überwachen. Wir wollen den pH-Wert so halten, dass es für uns noch angenehm ist, darin zu schwimmen. Wenn wir ihn zwischen 7,2 und 7,8 halten, bleibt der größte Teil der unterchlorigen Säure an Ort und Stelle, anstatt sich aufzulösen und das Hypochlorit-Ion zu bilden. Die kombinierten Konzentrationen der beiden Ionen werden oft als „frei verfügbares Chlor“ (FAC) bezeichnet.

Ein weiteres Problem, insbesondere bei Außenbecken, ist die UV-Photolyse. Dabei handelt es sich um die Zersetzung von chemischen Verbindungen in Gegenwart von UV-Licht. Wie wir alle wissen, gibt die Sonne UV-Licht ab, vor dem wir uns mit Sonnenschutzmitteln zu schützen versuchen. Dieses UV-Licht kann auch die Zersetzung von Hypochlorit-Ionen (und, in geringerem Maße, von unterchloriger Säure) verursachen. Dies verursacht 90 % des FAC-Verlustes in Freibädern und bedeutet, dass Freibäder häufiger gechlort werden müssen. Um dies zu verhindern, können dem Beckenwasser auch andere Chemikalien zugesetzt werden, worauf wir gleich noch eingehen werden.

Eine häufige Nebenwirkung eines Schwimmtages in einem gechlorten Becken sind brennende Augen. Oft wird dies auf den „zu hohen“ Chlorgehalt im Schwimmbecken zurückgeführt, aber das Gegenteil ist der Fall, wie wir noch sehen werden. Erstens sind es nicht die unterchlorige Säure oder die Hypochlorit-Ionen, die das Brennen in den Augen verursachen. Vielmehr sind es Verbindungen, die durch die Reaktion dieser Ionen mit chemischen Verbindungen in Ihrem Schweiß – oder in Ihrem Urin – entstehen.

Sowohl Ihr Schweiß als auch Ihr Urin enthalten Ammoniak oder von Ammoniak abgeleitete Verbindungen. Harnstoff ist eine Verbindung, die wir mit Urin in Verbindung bringen, aber sie ist in sehr geringen Mengen auch im Schweiß enthalten. Harnsäure ist eine weitere Verbindung, die in beiden vorkommt. Wenn diese Verbindungen mit der unterchlorigen Säure im Chlorwasser reagieren, entsteht eine Reihe von Verbindungen, darunter einige, die als Chloramine bekannt sind.

Chloramine sind die Verbindungen, die für die Augenreizung verantwortlich sind, die jeder Vielschwimmer, der dies liest, zweifellos schon einmal erlebt hat. Sie sind auch für den Geruch verantwortlich, den wir mit Schwimmbädern in Verbindung bringen. Wenn ein Schwimmbad also stark nach „Chlor“ riecht, deutet das auf einen höheren Gehalt an diesen Verbindungen im Wasser hin – was natürlich nicht gut ist!

Der Prozentsatz der Menschen, die bereit sind, zuzugeben, dass sie in den Pool gepinkelt haben, ist höher, als man erwarten würde: Ganze 19 % der Amerikaner, die in einer Umfrage aus dem Jahr 2012 befragt wurden, gaben zu, dass sie sich schon einmal im Schwimmbadwasser erleichtert haben. 79 % der Befragten vermuteten in derselben Umfrage, dass andere Menschen ins Wasser urinieren. Das ist keine gute Nachricht, denn Urin erhöht die Menge an Trichloroamin im Schwimmbadwasser. Trichloramin wird beschuldigt, bei Vielschwimmern und Beschäftigten in Schwimmbädern Atembeschwerden zu verursachen, und es wird diskutiert, ob es bei einigen Menschen Asthma auslösen könnte.

Eine weitere Chemikalie, die durch das Pinkeln in den Pool entsteht, ist Chlorcyan, eine Chemikalie, die ebenfalls ziemlich unangenehme Auswirkungen haben kann – obwohl bei den Konzentrationen, die im Badewasser entstehen, in Frage gestellt wird, ob es überhaupt zu gesundheitlichen Auswirkungen kommt. Natürlich gibt es eine einfache Möglichkeit, die Produktion dieser Verbindungen zu verhindern, nämlich indem man nicht in den Pool pinkelt. Wenn Sie gerne in den Pool pinkeln, sollten Sie Ihren Standpunkt noch einmal überdenken! Michael Phelps, nimm es zur Kenntnis.

Das in diesen Nebenprodukten der Chlorung enthaltene Chlor wird als „gebundenes Chlor“ (CC) bezeichnet. Die Gesamtmenge des Chlors im Schwimmbecken ist die Summe des frei verfügbaren Chlors (FAC) und des gebundenen Chlors, und es wird empfohlen, dass der FAC-Wert zwischen 1-4 Teilen pro Million liegen sollte. Ein olympisches Schwimmbad enthält 2.500.000 Liter Wasser, so dass dies eigentlich eine unglaublich geringe Menge ist.

Neben den für die Chlorung zugesetzten Verbindungen können auch andere zugesetzt werden. Eine solche Verbindung ist Calciumchlorid. Es wird zugesetzt, um zu verhindern, dass sich das schwerlösliche Kalziumsulfat, ein Bestandteil der Fugen zwischen den Fliesen in Schwimmbädern, langsam auflöst. Es verhindert dies durch den so genannten gemeinsamen Ioneneffekt. Im Wesentlichen erhöhen die im Kalziumchlorid enthaltenen Kalziumionen die Kalziumionenkonzentration im Wasser, wodurch ein Großteil des Kalziumsulfats daran gehindert wird, sich aufzulösen.

Eine weitere Verbindung, die hinzugefügt werden kann, ist Isocyanursäure. Diese Verbindung ist ein Herbizid und muss daher unter 200 Teilen pro Million gehalten werden; normalerweise ist sie in einem viel geringeren Anteil vorhanden. Der Grund für ihre Zugabe ist, dass sie dazu beitragen kann, den Chlorgehalt zu stabilisieren, insbesondere in Freibädern, wo er durch die Einwirkung von UV-Licht erschöpft ist. Isocyanursäure reagiert mit Hypochlorit-Ionen unter Bildung von Dichlor(iso)cyanursäure. Dies ist jedoch eine weitere reversible Reaktion, und da die Hypochlorit-Ionen durch die UV-Photolyse abgereichert werden, wird der Abbau dieser Verbindung zurück zu Isocyanursäure und Hypochlorit-Ionen gefördert. Es fungiert daher als eine Art Chlor-„Reservoir“, das die verlorenen Hypochlorit-Ionen wieder auffüllt.

Im Laufe dieses Artikels ist wahrscheinlich klar geworden, dass hinter der Reinhaltung eines Schwimmbads eine Menge Chemie steckt. Die chemische Landschaft in einem Schwimmbad verändert sich ständig, und ein sorgfältiges Management ist erforderlich, um ein sicheres, sauberes Schwimmbad zu erhalten.

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Referenzen & Weitere Lektüre

• Schwimmbadchemie – D De Le Matter
• Chloramine – Schwimmbadgeruch verstehen – American Chemistry Council
• Arbeitsblätter für Schwimmbadchemie – Royal Society of Chemistry
• Flüchtige DesinfektionsnebenprodukteProdukte aus der Chlorierung von Harnsäure – L Lian & u.a.
• UV-Photolyse von freiem Chlor – T L Brooks & u.a.
• Ergebnisse einer Umfrage zur Schwimmerhygiene – Water Quality & Health Council
• Exposure to trichloroamine and respiratory symptoms in pool workers – J H Jacobs & u.a.