dureza del agua quimica
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DUREZA DEL AGUA
CHRISTIAN CAMILO FRANCO GARCIA
DAVID LEONARDO BERMUDEZ
INGENIERO: JOSE IGNACIO RODRIGUEZ ROJAS
UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA
BOGOTÁ 25 DE OCTUBRE DE 2011
DUREZA DEL AGUA
En química, se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales alcalinas.
Se calcula, genéricamente, a partir de la suma de las concentraciones de calcio y magnesio existentes (miligramos) por cada litro de agua; que puede ser expresado en concentraciones de CaCO3. Es decir:
Dureza (mg/l de CaCO3) = 2,50 [Ca++] + 4,16 [Mg++]. Donde:
[Ca++]: Concentración de ion Ca++ expresado en mg/l.
[Mg++]: Concentración de ion Mg++ expresado en mg/l.
Los coeficientes se obtienen de las proporciones entre el peso molecular del CaCO3 y los pesos moleculares respectivos: 100/40 (para el Ca++); y 100/24 (para él [Mg++]).
Tipos de dureza
Agua hirviendo.
La dureza del agua tiene una distinción compartida entre dureza temporal (o de carbonatos) y dureza permanente generalmente de sulfatos (o de no-carbonatos).
Dureza temporal
La dureza temporal se produce por carbonatos y puede ser eliminada al hervir el agua o por la adición del hidróxido de calcio (Ca (OH)2).
El carbonato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua fría, así que hervir (que contribuye a la formación de carbonato) se precipitará el bicarbonato de calcio fuera de la solución, dejando el agua menos dura.
Los carbonatos pueden precipitar cuando la concentración de ácido carbónico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye, y si el ácido carbónico aumenta puede aumentar la solubilidad de fuentes de carbonatos, como piedras calizas, con lo que la dureza temporal aumenta. Todo esto está en relación con el pH de equilibrio de la calcita y con la alcalinidad de los carbonatos. Este proceso de disolución y precipitación es el que provoca las formaciones de estalagmitas y estalactitas.
Dureza permanente
Esta dureza no puede ser eliminada al hervir el agua, es usualmente causada por la presencia del sulfato de calcio y magnesio y/o cloruros en el agua, que son más solubles mientras sube la temperatura hasta cierta temperatura luego la solubilidad disminuye conforme aumenta la temperatura. Puede ser eliminada utilizando el método SODA (carbonato de sodio) o Potasio.
Medidas de la dureza del agua
Las medidas de dureza o grado hidrotimétrico del agua son:
mg CaCO3/l o ppm de CaCO3
Miligramos de carbonato cálcico (CaCO3) en un litro de agua; esto es equivalente a ppm de CaCO3.
Grado alemán (Deutsche Härte, °dH)
Equivale a 17,9 mg CaCO3/l de agua.
Grado americano
Equivale a 17,2 mg CaCO3/l de agua.
Grado francés (°fH)
Equivale a 10,0 mg CaCO3/l de agua.
Grado inglés (°eH) o grado Clark
Equivale a 14,3 mg CaCO3/l de agua.
La forma más común de medida de la dureza de las aguas es por titulación con EDTA. Este agente complejante permite valorar tanto la concentración de Ca como la de Mg.
Clasificación de la dureza del agua
Tipos de agua mg/l °fH ºdH ºeH
Agua blanda ≤17 ≤1.7 ≤0.95 ≤1.19
Agua levemente dura ≤60 ≤6.0 ≤3.35 ≤4.20
Agua moderadamente dura
≤120 ≤12.0 ≤6.70 ≤8.39
Agua dura ≤180 ≤18.0 ≤10.05 ≤12.59
Agua muy dura >180 >18.0 >10.05 >12.59
Eliminación de la dureza
Un proceso para la eliminación de la dureza del agua, es la descalcificación de ésta mediante resinas de intercambio iónico. Lo más habitual es utilizar resinas de intercambio catiónico que intercambian iones sodio por los iones calcio y magnesio presentes en el agua.
La dureza se puede determinar fácilmente mediante reactivos. La dureza también se puede percibir por el sabor del agua. Es conveniente saber si el agua es agua dura, ya que la dureza puede provocar depósitos de carbonatos en conducciones de lavadoras, calentadores, y calderas o en las planchas. Si ya se han formado hay productos anti cal, aunque un método muy válido para diluir los carbonatos es aplicar un ácido débil (acético, cítrico etc.) en los depósitos. El proceso de reducción de la dureza del agua se denomina ablandamiento del agua.
Problemas de salud
Algunos estudios han demostrado que hay una débil relación inversa entre la dureza del agua y las enfermedades cardiovasculares en los varones, por encima del nivel de 170 mg de carbonato de calcio por litro en el agua. La organización mundial de la salud ha revisado las evidencias y concluyó que los datos eran inadecuados para permitir una recomendación acerca de un nivel de dureza.
Una revisión posterior por František Kožíšek, M.D., Ph.D. Instituto nacional de la salud pública, República Checa da una buena descripción del asunto, e inversamente a la OMS, da algunas recomendaciones para los niveles máximos y mínimos de calcio (40-80 mg/l) y magnesio (20-30 mg/l) en agua potable, y de una dureza total expresada como la suma de las concentraciones del calcio y del magnesio de 2-4 mmol/L.
AGUAS CORROSIVAS
Concepto Determinadas aguas atacan las cañerías metálicas que carecen de revestimiento interior. Las reacciones químicas producen hidróxido ferroso, luego férrico, y a continuación generan la formación de nódulos, inclusive de tubérculos, que pueden con el tiempo, disminuir la sección de la cañería y aumentar las pérdidas de carga de manera significativa.
Realidad del fenómeno
Este fenómeno se encuentra en las antiguas cañerías sin revestimiento interior. Actualmente, las cañerías de hierro fundido dúctil Saint-Gobain Canalizado son revestidas interiormente con un mortero de cemento que elimina este riesgo.
Téngase en cuenta que la corrosión por las aguas potables suele ser lenta. Las normas para agua potable recomiendan que se distribuyan aguas no corrosivas y no agresivas, con lo que se garantiza al mismo tiempo, la permanencia de la calidad de las aguas y la protección de las cañerías en instalaciones públicas y privadas
EJEMPLO DE AGUAS CORROSIVAS (AGUA SALADA)
Las bombas sumergibles se usan para muchas aplicaciones de agua salada como piscifactorías, aplicaciones industriales en alta mar, suministro de agua tratada por ósmosis inversa, etc. Las bombas SP están disponibles en diferentes materiales y clases de corrosión dependiendo de su aplicación. La salinidad y la temperatura son siempre una mala combinación para el acero inoxidable por lo que deben tenerse en cuenta. Una buena manera de comparar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable consiste en comparar su resistencia con la corrosión por picaduras. La cifra, que se usa como comparación, se denomina: “Equivalente a la resistencia al ataque por picaduras” o PRE. En la Fig. 16 se muestra el PRE correspondientes a los tipos de acero inoxidable más comúnmente utilizados por Grundfos.PRE = (% Cr) + (3,3 x %Mo) Para realizar la comparación con otros tipos de acero inoxidable que contienen Nitrógeno (N), la fórmula es similar a la siguiente: PREN = (% Cr)
+ (3,3 x %Mo) + (16 x %N) Además de la temperatura y la salinidad, la tempera-tura de corrosión se ve afectada por la presencia de otros metales, ácidos y actividad biológica. Esto también se indica en la Fig. 16. La tabla mostrada a continuación puede usarse para seleccionar el grado de acero adecuado.
LAS AGUAS INCRUSTANTES
Las aguas incrustantes se pueden tratar usando por ejemplo la neutralización con sustancias ácidas, aereación, la precipitación química: precipitación de sulfatos formando yeso, precipitación con cloruro de bario, precipitación de fluoruros y fosfatos, con cal (Pérez y Espigares, 1999), o filtración usando como medio filtrante básico alguna zeolita o arcilla básica (Martínez, 2001; Martínez-Gallegos, 2000; Giannetto,1990; Tsitsishvili et al., 1992; Lin et al. 1991; Szostak, 1989; Breck, 1974).
Además de caracterizar las aguas naturales según su agresividad o incrustabilidad para uso doméstico e industrial, también es importante hacerlo en aquellos cuerpos de aguas que reciben aportes residuales municipales e industriales sin tratamiento. Dentro de los desechos que reciben se encuentran los metales pesados, los cuales se presentan como sedimentos y en formas disueltas, éstas últimas interactúan con otros componentes del agua y, bajo ciertas condiciones, provocan que el agua cambie su naturaleza a incrustante o agresiva.
Por lo anteriormente expuesto, es necesario utilizar la teoría apropiada para determinar, no sólo de manera cualitativa sino además cuantitativa, la naturaleza del agua, y mantenerla en equilibrio; el no aplicar el modelo adecuado, podría generar errores trascendentes en la interpretación de resultados o en los posibles diseños de tratamiento.
ÍNDICE DE LANGELIER Equilibrio del agua y el Índice de Langelier
-Método para efectuar el “balance del agua”. Factores que intervienen:
1.-pH
2.-Dureza Cálcica en ppm (CF)
3.-Alcalinidad Total en ppm (AF)
4.-Total de Sólidos Disueltos en ppm (*)
5.-Temperatura en ºC (TC)
Ésta es una cualidad sumamente importante para el agua de nuestra piscina, se trata del balance o equilibrio del agua. Esta propiedad tiene relación con la tendencia del agua a ser corrosiva o por el contrario a ser incrustante.
Cuando el agua tiende a ser corrosiva, disolverá con mayor rapidez los metales disueltos, las juntas del gresite y en general todos los metales y elementos que estén en contacto con ella. Esto puede ser muy delicado ya que ocasionará problemas de coloración en el agua o en las paredes (azul, rojiza, verdosa, dependiendo de los metales disueltos), corrosión en tuberías y maquinaria, etc. Si por el contrario el agua tiende a ser incrustante, se producirán depósitos calcáreos sobre la línea de flotación, en el interior de las tuberías, en los filtros y en general en todos los elementos que estén en contacto con el agua. Ambos supuestos son perjudiciales para nuestra piscina, por lo que tenderemos siempre a conseguir un agua neutra. A este cometido nos viene a ayudar el Dr. Wilfred F. Langelier, que descubrió en los años 30 del pasado siglo esta cualidad corrosiva e incrustante del agua y estandarizó una fórmula para calcular el balance del agua conociendo algunos parámetros.
Utilidad para obtener fácilmente el índice de Langelier conociendo el pH, la temperatura, la dureza cálcica y la alcalinidad del agua:
Si el resultado de la fórmula es 0, entonces el agua está balanceada y no supondrá ningún problema para la piscina. Por el contrario si es positivo, significa que el agua es incrustante y si es negativo indica que el agua tiene propiedades corrosivas. Cuanto más distante del 0, más incrustante o corrosiva será el agua. Son tolerables variaciones de hasta + - 0,5 es decir que consideraremos balanceada nuestra piscina si este índice se encuentra en un valor entre -0,5 y + 0,5.
Para calcular el índice de Langelier debemos al menos conocer los siguientes parámetros:
PH del agua.Alcalinidad en ppm.Dureza en ppm.Temperatura.
ÍNDICE DE RYZNAR
EL Índice de Ryznar es similar al índice de Langelier y basado en los mismos parámetros. Si el índice de Ryznar tiene un valor de 6.0 o menor, el agua tiene tendencia incrustante, con un ídice de 7.0 la incrustación no ocurre. Cuando el valor aumenta a valores superiores de 7.5 a 8.5, se incrementa el problema de la corrosión.
Basándose en diversos estudios reales sobre distintos sistemas, Ryznar modificó el índice de Langelier para predecir la tendencia incrustante o agresiva de un agua. IR= 2 pHs – pH. Si el resultado es inferior a 6, el agua tendrá tendencia incrustante y si el resultado es superior a 7 tendencia agresiva.
TECNICAS DE ABLANDAMIENTO DEL AGUA
¿Qué es el ablandamiento del agua?
Cuando el agua contiene una cantidad significativa de calcio y magnesio, es llamada agua dura. El agua dura que se conoce para bloquear los tubos y evitar la disolución de jabón y detergentes. El ablandamiento del agua es una técnica que mejora la eliminación de los iones que el agua hará que sea difícil, la mayoría de los casos en los iones de calcio y magnesio. Durante el ablandamiento también puede eliminar los iones de hierro. La mejor manera de ablandar el agua y "uso de la unidad de descalcificación de agua y conectarla directamente a la fuente de agua.
¿Qué es un ablandador de agua?
Un ablandador de agua es un elemento utilizado para ablandar el agua, la eliminación de los minerales que causan la dureza.
¿Por qué no aplicar el ablandamiento del agua?
El ablandamiento del agua es un proceso importante, ya que reduce la dureza del agua doméstica y aziende.L 'agua dura pueden obstruir las tuberías y para evitar la disolución del jabón y el suavizante pueden prevenir estos efectos negativo. El agua dura causa un alto riesgo de los depósitos de cal en los sistemas de agua en el hogar. Para la formación de estos obstáculos, las tuberías están obstruidas y la eficiencia de las calderas y los Tanques se reduce. Esto aumenta el costo de calentamiento del agua sanitaria en Aproximadamente un 15-20%. Otro efecto negativo de estos depósitos es que el daño de la maquinaria nacional, tales como lavandería. Ablandar el agua se incrementará la
duración de la maquinaria nacional y la longitud de las tuberías. También contribuye a un mejor rendimiento y mayor vida útil de los sistemas de calefacción solar, unidades de aire acondicionado y muchas otras aplicaciones basadas en agua.
¿Qué hace un ablandador de agua?
Ablandadores de agua son los intercambiadores de iones específicos, para la eliminación de los iones con carga positiva, ya que eliminan principalmente los iones de calcio (Ca2 +) y magnesio (Mg 2 +), a menudo referido como "minerales de dureza" ablandadores son algunas veces aplicada. Eliminar el hierro: sus dispositivos puede eliminar hasta cinco miligramos por litro (5 mg / l) de hierro disuelto. Pueden ser operados de forma automática, semiautomática o manualmente. Cada tipo se mide en la cantidad de durezaretire primero la necesidad de que el ablandador de agua rigenerazione.Un recoge minerales de dureza que determinan dentro de su tanque de acondicionamiento y de vez en cuando hace a la drenaggio.Scambiatori iónicos son a menudo usados para el ablandamiento de ' agua: cuando un intercambiador de iones se usa en estos casos, reemplaza los iones de calcio y magnesio en el agua con otros iones, por ejemplo, el sodio o de potasio. El intercambiador de iones se añadirá a la reserva del intercambiador de calor en forma de sales de potasio y de sodio (NaCl y KCl).
¿Cuánto tiempo dura un ablandador de agua?
Un ablandador de agua de buena calidad durará muchos años. Algunos de los ablandadores que se han hecho en los años 80 todavía están funcionando y que muchos otros tienen muy poco mantenimiento, así como de vez en cuando se llena.
EJEMPLO:
Ablandamiento del agua
Método de cal – soda
El proceso de ablandamiento con cal – soda (Ca(OH)2 – Na2CO3) precipita la dureza del agua. En este proceso se llevan a cabo las siguientes reacciones, las cuales se deben de tener en consideración para estimar las cantidades de cal y soda necesarias para el ablandamiento.
1. CO2 + Ca(OH) 2 → CaCO3 + H2O
2. Ca (HCO3)2 + Ca (OH) 2 → 2CaCO 3 + 2H2O
3. Mg (HCO3)2 + Ca (OH) 2 → CaCO 3 + MgCO3 + 2H2O
4. MgCO3 + Ca(OH) 2 → Mg(OH) 2 + CaCO3
5. 2NaHCO3 + Ca(OH) 2 → CaCO 3 + Na2CO3 + 2H2O
6. MgSO4 + Ca(OH) 2 → Mg (OH) 2 + CaSO4
7. CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4
Resinas de intercambio catiónico
Estas resinas están disponibles en 3 tamaños diferentes de cuentas. El medio (<150μm) y grandes (<300μm) los granos son más útiles para el flujo por gravedad y por esferas (sin flujo) las solicitudes. El mayor tamaño de los granos hace fácil la separación de un líquido a granel. En el medio (<150μm) y pequeñas (<75μm) los granos son más útiles para aplicaciones de bombeo. El menor tamaño de los granos reduce la altura de plato de cromatografía (proporciona más rápido equilibrio con velocidades de flujo más alto).
Estas resinas están disponibles con tres diferentes cantidades de entrecruzamiento en la columna vertebral de polietileno. Cuanto mayor sea el enlace y cruce mayor será la capacidad de la resina. Para el intercambio de iones inorgánicos el tamaño del poro suele ser de poco interés. Para las proteínas globulares la exclusión de los límites aproximados son 3000 daltons en el 2%, 1500 daltons el 4% y 1000 daltons en un 8% entrecruzamiento.
Resinas catiónicas de ácido fuerte
Intercambian iones positivos (cationes). Funcionan a cualquier pH.
Es la destinada a aplicaciones de suavizado de agua, como primera columna de deionización en los des mineralizadores o para lechos mixtos. Elimina los cationes del agua y necesitan una gran cantidad de regenerante, normalmente ácido clorhídrico (HCl).
Resinas catiónicas de ácido débil
Tienen menor capacidad de intercambio. No son funcionales a pH bajos.
Elevado hinchamiento y contracción lo que hace aumentar las pérdidas de carga o provocar roturas en las botellas cuando no cuentan con suficiente espacio en su interior. Se trata de una resina muy eficiente, requiere menos ácido para su regeneración, aunque trabajan a flujos menores que las de ácido fuerte. Es habitual regenerarlas con el ácido de desecho procedente de las de ácido fuerte.
¿Cómo trabaja el intercambio de resinas iónicas?
Las resinas se separan como cuentas esféricas 0,5 a 1,0 mm de diámetro. Estos parecen sólidos, incluso bajo el microscopio, pero a escala molecular la estructura es bastante abierta. Esto significa que la solución pasa por una capa de resina que puede fluir a través del polímero entrecruzado, puesta en contacto íntimo con los sitios de intercambio. La afinidad de las resinas de ácido sulfónico para los cationes varía con el tamaño y la carga iónica del catión. En general, la afinidad es mayor para los grandes iones con alta valencia.
Algunos ejemplos de resinas de intercambio iónico por orden de afinidad para algunos cationes comunes son aproximadamente:
Hg2+ <Li+ <H+ <Na+ < K+ ≈ NH4+ < Cd2+ < Cs+ < Ag+ < Mn2+ < Mg2+< Zn2+ < Cu2+ < Ni2+ < Co2+ < Ca2+ < Sr2+ Pb2+ < Al3+ < Fe3+.
BIBLIOGRAFÍA
Este trabajo fue realizado con algunos conceptos propios y con la gran ayuda de la siguiente página web que me aportaron gran información sobre dureza del agua, Aguas corrosivas, Aguas incrustantes, Índice de langelier, Índice de ryznar, Tecnicas de ablandamiento de agua y Resinas de intercambio cationico.
http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza_del_agua http://www.saint-gobain-canalizacao.com.br/manual/agua.asp?lng=esp http://es.scribd.com/doc/54268966/14/Aguas-corrosivas-agua-salada http://tierra.rediris.es/hidrored/ebooks/ripda/contenido/capitulo12.html http://www.a-kroll.com/tratamiento-de-agua/indice-de-langelier.html http://www.gedar.com/PDF/Piscina/GEDAR-INDICE_DE_LANGELIER.pdf http://arturobola.tripod.com/glosa.htm http://msc.es/ciudadanos/saludAmbLaboral/agenBiologicos/pdfs/15_leg.pdf http://www.cadepimpianti.com/lang3/ablandamiento_del_agua.html http://www.textoscientificos.com/quimica/dureza-ablandamiento-agua http://es.wikipedia.org/wiki/Resina_de_intercambio_cati%C3%B3nico
CONCLUSIONES
* Se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua.
*Existen cinco tipos de dureza del agua según su grado de dureza como son: Agua blanda, Agua levemente dura, Agua moderadamente dura, Agua dura y Agua muy dura.
*El método de Ryznar modificó el índice de Langelier para predecir la tendencia incrustante o agresiva de un agua.
*Este trabajo es muy importante porque los conceptos básicos recolectados en la consulta nos serán de gran importancia en la vida profesional cuando estemos trabajando; por qué tenemos conceptos básicos como tratar los diferentes tipos de agua y que tratamientos se les debe aplicar adecuadamente.