MÉTODOS DE ANÁLISIS PARA EL TRATAMIENTO DE AGUA.

El agua es un líquido anómalo porque es una mezcla de 18 compuestos posibles derivados de los tres isótopos que presenta cada uno de los átomos que componen su molécula, H2O: 1 H, 2 H y 3 H para el hidrógeno y 16O, 17O y 18O para el oxígeno. En la práctica es el agua ligera, peso molecular 18 g/mol, el componente más abundante. su calor específico es elevado lo que conlleva la absorción de grandes cantidades de calor con pequeñas variaciones de la temperatura lo que permite la regulación de ésta en la Tierra. tiene mayor densidad en estado líquido que en estado sólido, es decir, se expande al solidificar alcanzando el máximo valor a 4ºC aproximadamente. Este dato, que podría ser una nimiedad, es muy importante ya que el hielo sólido flota sobre el agua líquida y, además, a partir de un cierto espesor actúa como aislante impidiendo la congelación total de la masa de agua (los ríos se convertirían en glaciares) y la muerte de los seres vivos, que se congelarían. desde el punto de vista químico debería ser un gas a temperatura ambiente. Esto no es así por la presencia de enlaces por puente de hidrógeno, los cuales también explican el comportamiento señalado en el epígrafe anterior. Además, tiene 1. elevada conductividad térmica 2. fuerte poder ionizante 3. elevada constante dieléctrica (aislante) 4. gran poder disolvente

TIPOS DE METODOS DE ANALISIS

1.- método de oxidación-desinfección

Existen en la bibliografía multitud de referencias acerca de la utilidad práctica de los distintos oxidantes químicos frente a problemas más o menos habituales de contaminación de un agua. Se recomienda a este particular, y a fin de no ser exhaustivo, la consulta de las referencias (3.8, 9, 14.323, 335.389.392, 393) . Habida cuenta de los variados reactivos que pueden aplicarse para desinfección y oxidación de un agua vamos a estructurar separadamente los más habitualmente empleados: cloro, ozono, ClO2 y KMnO4. Nótese, no obstante que el procedimiento de todos estos ensayos es muy similar. A título informativo, la tabla 16.3 recoge las dosis teóricas (según estequiometría) necesarias para eliminar varias sustancias típicas por oxidación química.

SE DIVIDEN EN 4 METODOS :

A). método de cloración

Principio La cloración de un agua, proceso clásico de oxidación y desinfección, suele conseguir la eliminación de cantidades discretas de Fe, Mn, amonio, nitritos, H2S y la flora microbiana habitual de un agua bruta. El ensayo proporciona la dosis de cloro para la cual, después de las reacciones correspondientes entre el oxidante y las sustancias del agua, se obtiene una

concentración de cloro residual libre que pueda ser idónea para su aplicación en planta: ésta suele ser de alrededor de 1 mg/l de Cl2 libre en agua tratada (8, 9, 409). Se trata, pues, de adicionar cantidades crecientes de disolución de cloro de concentración conocida a un agua problema y determinar la dosis necesaria para reducir el problema concreto que tenga el agua a testar. En concreto, la reacción más típica de cloración es la experimentada por el amonio de un agua. En este caso, el cloro adicionado va reaccionando en varios pasos con el amonio hasta su eliminación total: primero se forman monocloraminas (CINH2), después dicloraminas (Cl2NH). en tercer lugar tricloruro de nitrógeno (Cl3N), para finalmente detectar cloro libre. Obsérvese que en esta secuencia, se obtiene una curva de demanda de cloro no lineal. Al principio, para incrementos de dosis de cloro se producen ligeros incrementos en las concentraciones de cloro residual debido a la formación de compuestos aminados. En una segunda fase el cloro residual desciende (por destrucción de los compuestos anteriores) hasta llegar a un punto, denominado punto de ruptura o break-point a partir del cual, nuevos incrementos de cloro añadido suponen efectivamente incrementos de cloro libre ( ver fig.16.2)

B). método con permanganato de potasio

Principio Este reactivo, en el orden práctico, supera al comportamiento del cloro cuando se trata de eliminar cantidades relativamente importantes de Mn2+ en agua bruta (más de 0,4-0.5 mg/l), cuando el agua presenta concentraciones apreciables de materias orgánicas (más de 5-6 mg/l) y/o cuando el agua bruta clorada presenta problemas de olor/sabor promovidos por reacciones de cloración de diferentes sustancias orgánicas aromáticas que no son rotas totalmente por el cloro (8, 9, 4l0-4l3). El uso del permanganato, en general. es más efectivo cuando se opera a pH superiores a 9.5, por la menor solubilidad de los oxihidróxidos de Fe y especialmente de Mn oxidado, en esta zona de pH.

C) método con dióxido de cloro

El dióxido de cloro puede ser efectivo en tratamiento de aguas potables para el control de olor/sabor en agua tratada, en la reducción de los contenidos de Fe y Mn del agua bruta. así como capaz de reducir de forma importante la producción de trihalometanos respecto al tratamiento habitual con cloro. Desde la óptica microbiológica, su poder bactericida es superior en términos generales al del cloro y comparable al del ozono. Además tiene el interés de ser más persistente que el cloro en las redes de distribución de aguas, con el efecto de garantía en la potabilidad del agua suministrada que esto comporta (81, 323. 414-416). La generación de C1O2 puede abordarse mediante dos vías de similares resultados: (a)reacción química entre NaClO2 y HCl; (b) reacción entre NaClO2 y agua fuertemente clorada (415). Este segundo método parece ser el más usado a escala industrial. El principal problema que se plantea a la hora de establecer un ensayo de tratamiento a escala de laboratorio, tanto con ClO2 como con ozono, es que se trata de reactivos químicos no convencionales: deben generarse in situ en la planta de tratamiento. Esto supone una dificultad adicional para el ensayo. La operativa para el ClO2 en concreto puede ser doble: por un lado el uso de disoluciones concentradas del oxidante producidas por la propia planta de tratamiento. En este caso habría que calcular su riqueza y operar mediante adición a los vasos de ensayo de alícuotas con cantidades conocidas de ClO2.

D) método con ozono

La ozonización es un método de tratamiento de aguas que está siendo cada vez más utilizado. debido al gran poder oxidante del reactivo tanto frente a sustancias inorgánicas presentes en un agua y no convenientemente eliminadas con cloro, como compuestos orgánicos susceptibles de provocar problemas de olor/sabor y THM en aguas tratadas con cloro, como finalmente por su elevado poder germicida frente a la flora microbiana de un agua. En este aspecto, la acción del ozono frente a virus y microorganismos con capacidad de formar esporas es superior a la del cloro (8. 9, 392, 393). El ozono es un reactivo químico no convencional, en el sentido de que se ha de generar in situ durante el proceso de tratamiento del agua. La producción de ozono se basa en la reacción química global (392, 417): En este proceso debe operarse bien con aire extremadamente seco y razonablemente exento de impurezas o bien con oxígeno puro, con lo cual el rendimiento de producción se incrementaría notablemente.

2. Ajuste pH (a)

Principio En general, la cloración de un agua con cloro gas, así como la coagulación-floculación con sales de Al o Fe suele provocar el descenso del valor de pH de un agua en mayor o menor medida, dependiendo de la dosis aplicada del reactivo y de la capacidad tampón que posea el agua en origen [3, 8, 282, 335, 393]. Este es el caso más habitual. No obstante, en algunos casos específicos, por ejemplo cuando se debe coagular un agua con un pH alto (que puede estar promovido por explosiones de algas en la fuente de abastecimiento, circunstancia no infrecuente) el proceso de coagulación puede estar muy dificultado. En esta situación, como paso previo a la decantación debe reducirse el pH. Por contra, en situaciones en que el agua bruta presenta contenidos altos de metales (Fe2+ y Mn2+, sobre todo) se suele operar elevando el pH del agua a fin de favorecer la precipitación de los oxihidróxidos metálicos formados por la oxidación y posterior coagulación del agua. Tanto en una como otra situación, se requiere la dosificación al agua de reactivos con capacidad de elevar o reducir el valor de pH que ésta presenta. Como aproximación al comportamiento del agua en la planta de tratamiento, es útil el realizar ensayos de ajuste de pH con el agua, para obtener las dosis aproximadas de reactivos ácidos o básicos necesarias después en el proceso a escala industrial. Este es el fundamento de los ensayos de ajuste de pH.

3. . METODOS de desendurecimiento

Los procesos de desendurecimiento de aguas tienen como finalidad la reducción de su contenido en calcio y magnesio. Fundamentalmente, aparte de alguna técnica particular para eliminar a minimizar algún catión o anión específica, se trata de producir la precipitación de la dureza catiónica, la cual está combinada con los aniones, sobre todo, bicarbonatos, sulfatos y cloruros [3,8, 9, 14, 393].

Tres son los reactivos químicos que suelen utilizarse a fin de lograr el desendurecimiento de un agua: (a) hidróxido cálcico; (b)carbonato sódico y (c) hidróxido sódico. Las reacciones químicas involucradas en cada proceso son las siguientes:

(a) Desendurecimiento con Ca(OH2) Ca (HCO3) + Ca (OH)2 ----> 2Ca CO3 (sólido) + 2H2O Mg (HCO3)2 + Ca (OH)2 ----> Ca CO3 (sólido) + MgCO3 + 2H2O MgCO3 + Ca (OH)2 ----> 2Ca CO3

(sólido) + Mg(OH)3 + 2H2O Como se aprecia, dos son los productos que precipitan: el carbonato cálcico y el hidróxido magnésico. Este sistema permite eliminar la dureza carbonatada del agua (dureza temporal, como también se denomina en ocasiones), es decir, las bicarbonatos cálcico y magnésico.

(b) Desendurecimiento con Na2CO3 CaSO4 + NaCO3 ----> NaSO4 + CaCO3 (sólido) CaCl2 + Na2CO3 ----> 2NaCl + CaCO3 (sólido) Este proceso es capaz de actuar sobre la dureza no carbonatada de un agua, fundamentalmente debida a sulfatos y cloruros, si bien en este caso la concentración de estos dos aniones permanece esencialmente invariable, transformadas ahora en sales sódicas.

(c) Desendurecimiento con NaOH. Ca (HCO3)2 +2Na 0H ----> Ca CO3 (sólido) + Na2CO3 + 2H2O En este caso, además de reducir la dureza carbonatada, se genera carbonato sódico, que puede a su vez proseguir la reacción precipitando la dureza debida a sulfatos y cloruros presentes en el medio: se trata de un proceso de desendurecimiento integral. Para no ser repetitivas, la realización de un ensayo de desendurecimiento supone la aplicación de un modo operativo sensiblemente similar al antes comentado en el apartado 16.7 y correspondiente a los ensayos de ajuste de pH. En este caso, lógicamente, se deberán determinar las residuales de dureza asociada a los bicarbonatos, sulfatos y cloruros, al final de la adición de las dosis usadas en el ensayo. En el orden práctico, el ajuste de pH a más de 8.5 para cualquier agua provoca una importante precipitación de las sales que provocan su dureza. Este dato puede ser interesante para la estructuración de un ensayo de desendurecimiento [ 8, 139, 261].

Industrialmente, los sistemas utilizados para desendurecimiento son similares a los decantadores de aguas ya comentados antes. Finalmente, dígase que tanto las ensayas para ajuste de pH, coma las de desendurecimiento de un agua a nivel de laboratorio, pueden acometerse con intercambiadores iónicos piloto, cuyo fundamento ya se vio en el Cap. 4. ap. 4.5.3. En este caso, la estructuración posterior de las determinaciones a realizar en el agua tratada estarán, lógicamente, en función del resultado concreto perseguido.

3. METODOS de agresividad de un agua

Ya en el anterior Cap. 12 se hizo referencia a la cualidad de agresividad de un agua, en función de su equilibrio carbónica. En concreto, en el ap. 12.1.3 (ver fíg. 12.1) se recogió el método de HOOVER-LANGELIER a fin de establecer el pHe (pH de equilibrio) de un agua, y su característica de agresividad o incrustación. Recuérdese a tal efecto, que un agua era agresiva, es decir tenía capacidad de disolver CaCO3 en contacto con ella cuando su pH concreto era inferior a su pHe; caso contrario, se hablaba de que el agua era incrustante, poseyendo entonces capacidad de depositar CaCO3 a expensas de su contenida en HCO3 - . A este particular, se recogen en bibliografía referencias sobre métodos automatizados de obtención de agresividad de aguas aplicando tratamientos informáticos y una vez conocido de antemano el análisis de éstas (por ejemplo, consúltese la referencia [5081] ). La inmediatez de estos métodos los hace especialmente atractivos en la práctica cotidiana del estudio de un agua. No obstante, siguiendo la filosofía práctica de este Capítulo parece adecuado el presentar algún método práctico de laboratorio para calcular la agresividad de un agua, que podrá complementar los datos obtenidos por el método de HOOVERLANGELIER, o por algún método automática con

que se cuente. De este modo, se van a recoger ahora dos metodologías de fácil ejecución y contrastadas prestaciones.

A) Ensayo al mármol (a.1)

Principio Consiste en efectuar un análisis previo de la alcalinidad total (TAC) y pH (ver Cap. 12) del agua en origen, y después de transcurrido un determinado tiempo de reacción entre el agua y una cantidad en exceso de mármol. El tiempo es el suficiente para que el agua alcance su equilibrio carbónico [ 222 ]. (b.1) Materiales y reactivos - Los necesarios para medir el TAC y el pH de cualquier agua (ver Cap. 12). - Frascos WINKLER o erlenmeyer de cierre hermético de unos 250 ml de capacidad. - Mármol puro finamente dividido. - Embudos de cristal y papel de filtro WHATMAN nº42 o similar.

B ) Ensayo al plomo (a.2)

Principio Este ensayo está en decadencia debido al importante descenso en el uso de canalizaciones de distribución de aguas construidas con plomo a consecuencia de los problemas acarreados por la toxicidad de este metal. No obstante, sigue siendo útil sobre todo para evaluar la posible agresividad de aguas blandas y fuertemente oxigenadas [2221. El ensayo consiste en determinar la cantidad de plomo que pasa por disolución a un agua en íntimo contacto con aquél.