1CALIDAD DEL AGUA DOMICILIARIA. EXPERIENCIA DE APRENDIZAJE EN EL

TRANSCURSO DE UN PROYECTO DE INVESTIGACIN: APLICACIN DEL MTODO CIENTFICO.

Lpez Sardi, Estela Mnica. Mirensky, Natacha. Iaconis, Mximo. Broitman, Alejo. Grupo de Investigacin en Ingeniera Sustentable (GIIS). Facultad de Ingeniera.

Universidad de Palermo. elopez13@palermo.edu 15 3 338 8098

RESUMEN

El plan de estudios correspondiente a la carrera Ingeniera Industrial en la Universidad de Palermo, incluye la obligatoriedad, por parte de los estudiantes, de cursar dos materias denominadas electivas. Dentro de la oferta acadmica disponible, existe la posibilidad de que los alumnos participen como investigadores auxiliares en los proyectos de investigacin que se desarrollan en el mbito de la Facultad, obteniendo un crdito por cada cuatrimestre de colaboracin activa. En este marco se desarrolla el proyecto de investigacin denominado El agua como recurso y necesidad vital, el cual enfoca el problema del agua en forma integral, desde los aspectos vinculados a la Ingeniera Sanitaria hasta los relacionados con la Ingeniera Sustentable y Ambiental. El presente trabajo se basa en experiencias realizadas por docentes y estudiantes, al analizar la incidencia del mantenimiento de caeras y tanques, en la calidad del agua domiciliaria. El parmetro evaluado fueron los slidos disueltos, mediante tcnicas conductimtricas. Palabras clave: agua potable; conductividad del agua; slidos disueltos; mtodo cientfico. INTRODUCCIN Objetivos del trabajo Al enfrentar el estudio de la calidad del agua domiciliaria, los estudiantes plantearon la siguiente hiptesis: En los edificios de la Ciudad de Buenos Aires, la falta de mantenimiento de caeras y de limpieza de tanques, puede aumentar la cantidad de sustancias disueltas en el agua en el domicilio del usuario, con respecto al agua suministrada por la empresa potabilizadora. Para probar la hiptesis planteada, se dise un experimento que incluy la toma de muestras en distintos edificios a dos niveles: una de ellas, de la canilla que existe en la entrada del edificio y que procede directamente de la red de suministro, y la segunda muestra, en la cocina de un departamento perteneciente al edificio. Se recolectaron de este modo, quince muestras. Para evaluar la cantidad de slidos disueltos en las muestras, se recurri a la medicin de la conductividad elctrica de las mismas. El presente trabajo tiene los siguientes objetivos:

Describir la experiencia realizada y los resultados, que condujeron a una conclusin muy diferente a la hiptesis planteada al inicio de la investigacin.

Poner de manifiesto cmo la aplicacin de las etapas bsicas del mtodo cientfico, permiti a los investigadores avanzar hacia la bsqueda de una respuesta frente al fenmeno observado.

Describir una experiencia de inters para los estudiantes de Ingeniera Industrial, que permiti su acercamiento a los mtodos fsico-qumicos de anlisis.

2La conductividad elctrica La conductividad elctrica es la capacidad de un cuerpo para permitir el paso de la corriente elctrica. La conductividad es la inversa de la resistividad:

= 1 /

Sus unidades son:

S / cm = -1 . cm-1 = [Siemens / centmetro] = [ 1/ (ohm.cm)]

Sin embargo, la unidad ms utilizada para este tipo de determinaciones es el S/cm, que equivale a 10-6 S/cm. El agua pura es mala conductora de la corriente elctrica, mientras que las soluciones acuosas presentan buena conductividad, la cual est determinada por la presencia de sales inicas disueltas. Este tipo de conductores inicos en estado lquido se denominan electrolitos. As, la conductividad de las soluciones resulta ser directamente proporcional a la concentracin de slidos disueltos en el agua. Por este motivo, las medidas de conductividad del agua se utilizan como parmetro para evaluar la cantidad de slidos disueltos totales (TDS, por su sigla en ingls) y la dureza del agua. La conductividad del agua se determina por un movimiento inico. Como la temperatura afecta dicho movimiento, se deben efectuar correcciones cuando se realizan mediciones de precisin. La temperatura estndar para expresar los resultados es de 25C. El coeficiente de correccin es de 2% / C. Los equipos electrnicos disponibles para este tipo de mediciones, pueden tener incorporado un sensor de temperatura que realiza automticamente las correcciones sobre los valores observados. Tanto los slidos disueltos como la dureza del agua (producida por la presencia de iones Ca2+ y Mg2+), se expresan generalmente en F (Grados Franceses) o en ppm. Estas unidades evalan la totalidad de los compuestos disueltos en el agua comparndolos con el efecto producido por una cantidad equivalente de carbonato de calcio (CaCO3) como nico soluto:

10 ppm = 1 F = 1 mg/ L de CaCO3

La correlatividad entre las medidas de conductividad y los TDS se establece mediante la ecuacin:

K . c = TDS

Donde K es la conductividad y c es el coeficiente de correlacin a temperatura estndar. Se suele adoptar como valor de equivalencia 2 S/cm = 1 ppm, por lo que c resulta tener un valor de 0,5 ppm / (S/cm). La siguiente tabla detalla los valores de conductividad elctrica esperados para distintos tipos de agua, referidos a la temperatura estndar de 25C.

TIPO DE AGUA CONDUCTIVIDADAgua ultrapura 0,055 S/cm Agua destilada 0,5 S/cm Agua de montaa 1,0 S/cm Agua potable 500 a 800 S/cm Agua de mar 56 mS/cm Agua salobre 100 mS/cm Tabla 1. Tipos de Agua y su Conductividad.

3 PRIMERA EXPERIENCIA Hiptesis Al enfrentar el estudio de la calidad del agua domiciliaria, los estudiantes plantearon la siguiente hiptesis: En los edificios de la Ciudad de Buenos Aires, la falta de mantenimiento de caeras y de limpieza de tanques, puede aumentar la cantidad de sustancias disueltas en el agua en el domicilio del usuario, con respecto al agua suministrada por la empresa potabilizadora. Prueba de la hiptesis: Experimentacin. Para probar la hiptesis planteada, se dise un experimento que incluy la toma de muestras en distintos edificios a dos niveles: una de ellas, de la canilla que existe en la entrada del edificio y que procede directamente de la red de suministro, y la segunda muestra, en la cocina de un departamento perteneciente al edificio. Se recolectaron de este modo, quince muestras. Para la toma de muestras se utilizaron envases de plstico polipropileno, de 100 cm3, estriles. Para asegurar la homogeneidad de las muestras e impedir su contaminacin, se utiliz el siguiente procedimiento: 1.- Hisopado de la canilla con un algodn embebido en alcohol y posterior flameado de la canilla. 2.- Se dej correr el agua durante 5 minutos. 3.- Se enjuag dos veces el envase con el agua de la canilla. 4.- Se llenaron a tope los envases y se procedi al cierre. 5.- Las muestras se conservaron refrigeradas hasta el momento del anlisis. Las muestras se trasladaron al laboratorio, donde se realiz la medicin de la conductividad de cada una de ellas. Se utiliz el instrumento Conductivity Sensor PASPORT PASCO PS 2116A. Las mediciones arrojadas por el instrumento son captadas y analizadas mediante aplicacin del software Data Studio y referidas a la temperatura estndar de 25C. El conductmetro fue calibrado con agua ultrapura (tridestilada, Calidad HPLC), de conductividad 0,055 S/cm; y con solucin estndar de cloruro de potasio (KCL 0,01 M) de conductividad 1408,83 S/cm. Las lecturas obtenidas se pueden ver en la siguiente tabla:

N MUESTRA CONDUCTIVIDAD NIVEL 1

(AGUA DE RED) EN S/cm TDS

(ppm) CONDUCTIVIDAD NIVEL 2

(DEPARTAMENTO) EN S/cm TDS

(ppm) 1 320 160 556 278

2* 669 334,5 619 309,5 3* 669 334,5 654 327 4* 669 334,5 576 288 5 516 258 514 257 6 524 262 507 253,5 7 646 323 652 326

8** 1490 745 1190 595 9 877 438,5 498 249 10 887 443,5 516 258 11 688 344 629 314,5 12 602 301 617 308,5 13 573 286,5 561 280,5 14 571 285,5 575 287,5 15 582 291 592 296

Tabla 2. Resultados de la Primera Experiencia.

*Las muestras 2,3 y 4 se tomaron en tres departamentos distintos de un mismo edificio. **Este edificio sufri un corte de agua de 24 hs previo a la toma de muestra, lo que podra explicar los valores anormalmente altos de conductividad observados.

4 Los resultados del cuadro anterior, se visualizan en la figura siguiente. En el eje de ordenadas se representan los valores de TDS para cada muestra a Nivel 1(agua de red) y a Nivel 2 (departamento).

Figura 1. Resultados de la Primera Experiencia.

Refutacin de la hiptesis (anttesis): Los resultados de la medicin presentaron una tendencia opuesta a la esperada, dado que, en el 67% de los casos (10 muestras sobre 15), se observ un descenso en la conductividad del agua en las muestras tomadas en el interior de los departamentos, en algunos casos notable, con respecto a las muestras tomadas a nivel de la calle. Conclusin de la Primera Experiencia: La hiptesis planteada inicialmente, no representa en absoluto una tendencia general, ya que la cantidad de sustancias disueltas en el agua del domicilio de los usuarios presenta, en el 67% de los casos, valores de conductividad menores que los observados en el agua que procede directamente de la red de suministro. Por lo tanto, la tendencia ms marcada, aunque no general, es hacia la disminucin en los TDS del agua de red, durante su pasaje por las instalaciones (caeras y tanques) de los edificios. SEGUNDA EXPERIENCIA Una nueva hiptesis Los resultados de la experiencia anterior, impulsaron al grupo de investigadores a proponer una nueva hiptesis, que justifique el descenso observado, y a planificar un segundo experimento, para probarla o rechazarla.

5Esta segunda hiptesis fue: El depsito de sedimentos en los tanques de agua, consecuencia de la falta de limpieza, puede adsorber u ocluir a los solutos del agua, lo que se traduce en un descenso de la conductividad elctrica de las segundas muestras con respecto a las primeras. Prueba de la hiptesis: Experimentacin Se dise una experiencia que consisti en observar los efectos de diferentes sustancias sedimentables sobre la conductividad de la solucin estndar de cloruro de potasio (primera parte) y sobre la conductividad de una muestra de agua domiciliaria tomada en el interior del laboratorio (segunda parte). Se trat de replicar, en el laboratorio y a pequea escala, las condiciones de un tanque de agua que contiene sedimentos varios, fruto de la falta de higiene. Se seleccionaron como sustancias sedimentables a usar durante la experiencia, arena, tierra (humus), arcilla y una mezcla de masas equivalentes de las tres. La eleccin de estas sustancias en particular, surgi luego de investigar la composicin habitual de los sedimentos qumicos presentes en tanques de agua carentes de limpieza frecuente. Las muestras se prepararon en recipientes de plstico polipropileno estriles. En todos los casos se colocaron 10 g del sedimento en el fondo del recipiente y luego se introdujeron 100 cm3 de la solucin estndar de KCl, en forma turbulenta, de forma de imitar las condiciones de entrada de agua a los tanques durante la carga. La medicin de la conductividad se realiz en dos oportunidades: a los 10 minutos y a los 20 minutos luego de la introduccin del lquido. Las diferencias entre los valores observados en ambas mediciones se justifican por la distinta movilidad inica en la solucin, influida por la accin de la gravedad sobre las partculas sedimentables. Primera parte: Accin de los sedimentos sobre la conductividad de solucin estndar de cloruro de potasio. Los efectos de la presencia de sedimentos en el fondo del recipiente, sobre la conductividad de la solucin estndar de cloruro de potasio se muestran en la siguiente tabla:

SEDIMENTO CONDUCTIVIDAD A LOS 10 MIN.

(S/cm) CONDUCTIVIDAD A LOS 20 MIN.

(S/cm) Sol. STD. pura 1408,83 1408,83 Sol. STD + Arena 1357,8 1197,6 Sol. STD + Humus 1348,5 1186,0 Sol. STD + Arcilla 1288,1 1151,2 Sol. STD + Mezcla 1325,0 1179,1

Tabla 3. Influencia de los sedimentos sobre la conductividad de la solucin estndar. Los grficos que siguen, realizados con el software Data Studio en tiempo real durante la medicin, ilustran las medidas de conductividad de las muestras, iniciadas a los 10 y a los 20 minutos de agregada la solucin.

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Figura 2. Conductividad a los 10 minutos.

Figura 3. Conductividad a los 20 minutos.

7Segunda parte: Accin de los sedimentos sobre la conductividad del agua potable. Los efectos de la presencia de sedimentos en el fondo del recipiente, sobre la conductividad de una muestra de agua potable se muestran en la siguiente tabla:

SEDIMENTO CONDUCTIVIDAD A LOS 10 MIN.(S/cm)

CONDUCTIVIDAD A LOS 20 MIN.(S/cm)

Agua potable 276,2 276,2 Agua potable + Arena 236,6 157,8 Agua potable + Humus 204,1 181,0 Agua potable + Arcilla 174,1 183,4 Agua potable + Mezcla 197,1 178,7

Tabla 4. Influencia de los sedimentos sobre la conductividad del agua potable. A continuacin, los grficos que ilustran las medidas de conductividad de las muestras, iniciadas a los 10 y a los 20 minutos de agregada el agua potable.

Figura 4. Conductividad a los 10 minutos.

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Figura 5. Conductividad a los 20 minutos.

Demostracin de la hiptesis Los resultados obtenidos en la segunda etapa de experimentacin, permiten afirmar que, en el 100% de los casos observados, la presencia de sedimentos depositados en el fondo de los recipientes afect la conductividad de las soluciones, provocando un marcado descenso de esta propiedad. La explicacin que los investigadores proponen es que los sedimentos estn compuestos por sustancias capaces de adsorber algunos de los iones disueltos en el agua, provocando de este modo la disminucin de TDS en la solucin. Para afirmar los resultados experimentales, se trabaj a continuacin, en la bsqueda de antecedentes y de experiencias de otros investigadores sobre el fenmeno observado. La adsorcin es un fenmeno mediante el cual, tomos, iones o molculas quedan atrapadas o retenidas sobre la superficie de un slido (adsorbente). El motivo por el cual se produce este fenmeno, est vinculado con la discontinuidad de enlaces qumicos que ciertos materiales presentan en su superficie. En el interior del material todos sus enlaces qumicos (ya sean inicos, covalentes o metlicos) se encuentran satisfechos. Por definicin, la superficie presenta una discontinuidad de esos enlaces. Por este motivo el proceso de adsorcin de un adsorbato (que viene a completar esos huecos de enlace), es energticamente favorable y por lo tanto, espontneo. Los lugares en que se produce la adsorcin se conocen como nanoporos o sitios activos. La cintica de la adsorcin superficial en slidos, ha sido estudiada por Langmuir, quien, en trminos sencillos, expresa que al agitar un slido finamente dividido en una solucin, se puede observar una disminucin en la concentracin del soluto en la solucin. La cantidad de sustancia adsorbida o adsorbato, identificada por m, a temperatura constante, ser calculada por la expresin:

1/m = 1/b + 1/ (b K)

9En esta expresin b representa una constante experimental para el sistema y K es la constante de equilibrio para la adsorcin, calculada en funcin de las fracciones molares de los sitios activos ocupados en la superficie del adsorbente, , y de sitios activos libres sobre dicha superficie, (1- ). Entonces:

K = / (1 ) Se encontr abundante informacin sobre la capacidad de adsorcin de iones que poseen las arcillas, arenas y otros sedimentos, en relacin al estudio de las propiedades de los suelos (edafologa), la calidad de los recursos hdricos y la depuracin de aguas mediante el uso de lodos activos. Para citar un ejemplo, haremos referencia a Garca Romero (2010), quien expresa que Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicacin en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras molculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorcin est directamente relacionada con las caractersticas texturales (superficie especfica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difcilmente se dan de forma aislada: absorcin (cuando se trata fundamentalmente de procesos fsicos como la retencin por capilaridad) y adsorcin (cuando existe una interaccin de tipo qumico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el lquido o gas adsorbido, denominado adsorbato) Tambin estn largamente probadas las capacidades de adsorcin de la bentonita, usada como agente clarificante en mltiples industrias. Actualmente se aplican tambin como adsorbentes otras arcillas, entre ellas la sepiolita y la paligorskita. As mismo, existen mltiples usos prcticos, para los adsorbentes de slice o arenas de adsorcin. Conclusin de la Segunda Experiencia En razn de los resultados obtenidos, se elabor la siguiente conclusin: Sustancias tales como la arena, las arcillas y la tierra (humus) han demostrado tener un importante efecto de adsorcin sobre los iones de las sales que componen los TDS del agua potable, provocando un marcado descenso en la conductividad elctrica de la solucin A partir de la anterior conclusin, se formula la siguiente explicacin para los resultados de la primera experiencia: Suponer la presencia de sedimentos depositados en el fondo de los tanques de agua de algunos de los edificios en los que se tomaron las muestras, permite explicar el descenso de la conductividad elctrica observado en el 67% de los casos analizados durante la primera experiencia. Cmo el estado sanitario no es el mismo en todos los edificios, este descenso presenta variaciones en su magnitud en las diferentes muestras evaluadas. Referencias y bibliografa

CASTELLN, G. (1978) "Fisicoqumica". 2da edicin. Fondo Interamericano S.A., Mxico.

FARRINGTON D. (1984) "Tratado de Fisicoqumica". 2da edicin. Ed. Continental, Mxico.

GARCA ROMERO, E. (2010) Las arcillas, propiedades y usos Universidad Complutense de Madrid. http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/arcillas.htm

KOLTHOFF, I. M.; SANDELL, E. B.; MEEHAN, E. J. ; BRUCKENSTEIN, S. (1979) Anlisis qumico cuantitativo. 5ta edicin. E. Nigar, Buenos Aires.

MEDINA, CANDAL, LUTHER, DO SANTOS AFONSO. (2011) Caracterizacin de aguas y sedimentos en cuerpos de agua. XVII Congreso Argentino de Fsico

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Qumica y Qumica Inorgnica. http://www.xviicongresoaaifq.com.ar/resumenes/lsmedina@qi.fcen.uba.ar_Saleh%20Medina%20et%20al.pdf

MYERS, A. L. (2004) Thermodynamics of Adsorption. Chemical Thermodynamics for Industry. Ed. T. M. Letcher.

RODIER, J. (2009) Anlisis del agua, 9na edicin, AMV Ediciones, Madrid. Agradecimientos Nuestro agradecimiento al Sr. Decano de la Facultad de Ingeniera de la Universidad de Palermo, Ing. Esteban di Tada, por el constante apoyo a nuestro Grupo de Investigacin en Ingeniera Sustentable (GIIS). Agradecemos a la Lic. Patricia Gonzlez, Secretaria Acadmica de la Facultad, por su impulso, entusiasmo y participacin. Queremos destacar tambin el esfuerzo y la dedicacin de los alumnos de Ingeniera Industrial Manuel Ricca, Jos Seoane y Ricardo Pesce, colaboradores activos del proyecto.