2011

UNIVERSIDAD CIENTIFICA DEL SUR

FACULTAD DE INGENIERIA Y GESTION AMBIENTAL

CONTAMINACIN DE AGUA

Titulo:

Ablandamiento de agua por precipitacin qumica

Profesor:

Juan Carlos Palma

Alumnos:

Flores Rios, Angelli Tapia Vila, Angela

Lima Per

NDICE

ndice ............................................................................................................................................................. 2 Introduccin .................................................................................................................................................. 3 Objetivos ....................................................................................................................................................... 4 Marco Terico ............................................................................................................................................... 4 Dureza del agua ........................................................................................................................................ 4 Dureza Temporal................................................................................................................................... 4 Dureza permanente .............................................................................................................................. 5 Medida de la dureza ............................................................................................................................. 5 Problemas en la salud ........................................................................................................................... 6 Ablandamiento qumico............................................................................................................................ 6 Proceso industrial en reactores ................................................................................................................ 8 Materiales ................................................................................................................................................... 10 Procedimiento............................................................................................................................................. 10 Discusin de Resultados ............................................................................................................................. 11 Conclusiones ............................................................................................................................................... 14 Bibliografa .................................................................................................................................................. 14

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INTRODUCCIN

La dureza excesiva en el agua es un factor indeseable para muchos usos del agua. Desde el punto de vista sanitario no existe una opinin general a este respecto. Algunos mencionan que el exceso de dureza en el agua causa problemas en el sistema circulatorio de los consumidores. Otros consideran lo contrario e indican que donde se consume agua de baja dureza, es mayor la incidencia de enfermedades de este tipo. La Organizacin Mundial de la Salud y otras agencias reguladoras, no establecen ningn parmetro mximo, ya que concluyen que no hay relacin entre daos a la salud y exceso de dureza en el agua. Por lo tanto, un usuario o consumidor, puede tener la certeza que el agua es segura, independientemente del contenido de calcio y magnesio. Sin embargo la dureza, desde el punto de vista de cualidades y caractersticas del agua potable, es el principal problema en su uso y aplicaciones, ya que se ha estimado que un 80% de las quejas de los usuarios del agua reportan problemas causados por el alto contenido de sales de calcio y magnesio. La formacin de sarro en tuberas industriales y domsticas, los problemas en equipos de enfriamiento con agua y el uso de estas aguas en calderas y calentadores, demandan un tratamiento previo en el agua con excesiva dureza. Como ya se ha sealado al hacer referencia a la calidad de las aguas de consumo, la dureza no es de los componentes de mayor importancia sanitaria. No obstante, por sus implicaciones econmicas y las molestias y el rechazo que ocasiona en la poblacin, el ablandamiento del agua es una de las operaciones que se realiza con bastante frecuencia. Denominamos ablandamiento del agua al conjunto de operaciones que tienen por finalidad reducir las concentraciones de calcio y magnesio, es decir, eliminar dureza del agua. La eliminacin de estas sustancias se puede realizar por dos procedimientos: desmineralizacin y ablandamiento qumico.

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OBJETIVOS

Ablandar una muestra de agua dura utilizando qumicos precipitantes: Ca(OH)2 y Na2CO3 Observar el precipitado.

MARCO TERICO

DUREZA DEL AGUAEn qumica, se denomina dureza del agua a la concentracin de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. Son stas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentracin de sales alcalinas. Se calcula, genricamente, 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++]: Concentracin de ion Ca++ expresado en mg/l. [Mg++]: Concentracin de ion Mg++ expresado en mg/l.

La dureza del agua tiene una distincin compartida entre dureza temporal (o de carbonatos) y dureza permanente generalmente de sulfatos (o de no-carbonatos).

DUREZA TEMPORALLa dureza temporal se produce por carbonatos y puede ser eliminada al hervir el agua o por la adicin del hidrxido de calcio (Ca(OH)2).

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El carbonato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua fra, as que hervir (que contribuye a la formacin de carbonato) se precipitar el bicarbonato de calcio fuera de la solucin, dejando el agua menos dura. Los carbonatos pueden precipitar cuando la concentracin de cido carbnico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye, y si el cido carbnico aumenta puede aumentar la solubilidad de fuentes de carbonatos, como piedras calizas, con lo que la dureza temporal aumenta. Todo esto est en relacin con el pH de equilibrio de la calcita y con la alcalinidad de los carbonatos. Este proceso de disolucin y precipitacin es el que provoca las formaciones de estalagmitas y estalactitas.

DUREZA PERMANENTEEsta 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 ms solubles mientras sube la temperatura hasta cierta temperatura luego la solubilidad disminuye conforme aumenta la temperatura.

MEDIDA DE LA DUREZALas medidas de dureza son: mg CaCO3/l o ppm de CaCO3 Miligramos de carbonato clcico (CaCO3) en un litro de agua; esto es equivalente a ppm de CaCO3. Grado alemn (Deutsche Hrte, dH) Equivale a 17,9 mg CaCO3/l de agua. Grado americano Equivale a 17,2 mg CaCO3/l de agua. Grado francs (fH) Equivale a 10,0 mg CaCO3/l de agua. Grado ingls (eH) o grado Clark Equivale a 14,3 mg CaCO3/l de agua.

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La forma ms comn de medida de la dureza de las aguas es por titulacin con EDTA. Este agente complejante permite valorar tanto la concentracin de Ca como la de Mg.

PROBLEMAS EN LA SALUDAlgunos estudios han demostrado que hay una dbil relacin 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 organizacin mundial de la salud ha revisado las evidencias y concluy que los datos eran inadecuados para permitir una recomendacin acerca de un nivel de dureza. Una revisin posterior por Frantiek Koek, M.D., Ph.D. Instituto nacional de la salud pblica, Repblica Checa da una buena descripcin del asunto, e inversamente a la OMS, da algunas recomendaciones para los niveles mximos y mnimos 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.

ABLANDAMIENTO QUMICO

Consiste en la adicin de sustancias al agua que reaccionan con los iones calcio y magnesio, transformndolos en compuestos insolubles, que son separados del agua por procedimientos fisicos convencionales (decantacin y filtracin). Existen varios procedimientos para realizar el ablandamiento del agua: - Con cal. - Con carbonato sdico y cal. - Con sosa custica (hidrxido sdico). Ablandamiento con cal Cuando a un agua se aade cal (hidrxido clcico), tienen lugar las siguientes reacciones con la dureza: (1) CO2 + Ca(OH)2 CO3Ca + H2O

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(2) (CO3H)2Ca + Ca(OH)2 2 CO3Ca + 2 H2O (3) (CO3H)2Mg + Ca(OH)2 CO3Ca + CO3Mg.2H2O CO3Mg + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + CO3Ca (4) SO4Mg + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + SO4Ca Cl2Mg + Ca(OH)2 Mg(OH)2 + Cl2Ca En estas reacciones se puede observar que: a) El calcio ser eliminado del agua en forma de carbonato clcico, CO3Ca, y el magnesio en forma de hidrxido de magnesio, Mg(OH)2, ambos compuestos insolubles en agua. b) El anhdrido carbnico influye en la dosis de cal necesaria para el tratamiento, no porque afecte a la dureza, sino porque representa un consumo adicional de cal independientemente de la dureza. c) La tercera reaccin formulada es doble, ya que el carbonato de magnesio no es suficientemente insoluble, siendo necesaria su transformacin en hidrxido de magnesio. d) Como puede observarse en las reacciones (4), mediante el tratamiento con cal se elimina nicamente dureza temporal, es decir, dureza en forma de bicarbonatos, ya que la dureza magnsica se transforma en dureza clcica. Esto quiere decir que el ablandamiento con cal podr ser aplicado a aquellas aguas que presenten un contenido suficiente de bicarbonatos.

Prctica del ablandamiento con cal El ablandamiento con cal es el utilizado habitualmente, debido a que las aguas destinadas al consumo humano suelen contener un nivel de bicarbonatos suficiente. La reaccin de la cal con la dureza es muy lenta en ausencia de grmenes de cristalizacin. Por el contrario, en contacto con una masa suficiente de cristales de carbonato clcico ya formados, la reaccin transcurre en varios minutos. Como la precipitacin se efecta sobre los cristales, stos tienden a aumentar su volumen, con lo que aumenta la velocidad de sedimentacin. Esto ocurre si la superficie de los cristales de CO3Ca se encuentra suficientemente limpia. Por ello, la presencia de sustancias

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orgnicas coloidales puede impedir la cristalizacin, siendo una de las razones por las que se realiza simultneamente una coagulacin-floculacin. Si el carbonato clcico se encuentra solo, tiene tendencia a formar agrupaciones de cristales que sedimentan a gran velocidad, mientras que el hidrxido de magnesio, si se encuentra solo, forma flculos muy ligeros. Si la proporcin de hidrxido de magnesio en relacin al carbonato clcico es pequea, se ocluye dentro del precipitado clcico, pero si su proporcin es grande, no pueden obtenerse precipitados densos, siendo mucho menor la velocidad de sedimentacin.

PROCESO INDUSTRIAL EN REACTORESEn ste tipo de reactor el agua a tratar o influente entra por la parte inferior del tanque a un compartimiento donde una propela a alta velocidad agita y mezcla el agua con los reactivos qumicos (cal y carbonato de sodio) que se inyectan en forma de solucin a travs de otra lnea hidrulica. El precipitado que se forma pasa a una segunda seccin del tanque-reactor y los lodos producidos que son principalmente carbonato de calcio e hidrxido de magnesio, sedimentan al fondo del tanque de donde son extrados a travs de una tubera y procesados como desecho slido. El efluente o agua suavizada se colecta a travs de las canaletas dispuestas en la parte superior del tanque para enviarlas al siguiente paso de tratamiento.

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El agua que sale del reactor como efluente es demasiado alcalina y debe neutralizarse para su posterior uso. Una forma de neutralizar el agua es agregndole algn cido mineral tal como cido clorhdrico o sulfrico, pero se prefiere aadir bixido de carbono CO2 y el agua alcanza un pH neutro a travs de reacciones. Aunque el CO2 es ms caro que otros cidos, se tiene la ventaja de que en el agua se recupera la alcalinidad, lo cual no ocurre con la adicin de un cido mineral, y la alcalinidad del agua es muy importante ya que este parmetro es el que indica las propiedades buffer al agua, para amortiguar los bruscos cambios de pH que pudiesen existir, cuando el agua es expuesta al medio ambiente. Otra ventaja de la dosificacin de bixido de carbono es que una sobredosis de CO2 no causa ningn problema en el agua, ya que el exceso de bixido de carbono que no reacciona se pierde en contacto con el aire. Consideraciones del proceso: Tanto en el proceso de suavizacin o ablandamiento por resinas

intercambiadoras en ciclo sdico, como en el proceso de precipitacin qumica, ocurre una reaccin de intercambio. El sodio se integra al agua que se trata y el calcio y magnesio son retenidos en la resina o precipitan como un lodo, en el proceso cal/soda ash. La regeneracin de la resina implica un gasto, y conlleva a un problema de contaminacin, ya que al regenerarse se agregan cantidades de cloruro de sodio mayores a las que se requieren estequiomtricamente y el exceso va a dar al drenaje. Tambin, en el paso de regeneracin se intercambia el calcio y el magnesio adherido a la resina (y otros cationes que pudiesen haber sido retenidos junto con stos) por sodio, y los cationes desprendidos son desechados. Si no se tiene un sistema para retener y darle tratamiento a los residuos, stos finalmente contaminan el agua del drenaje que ocasionalmente es tratada y reciclada para darle uso nuevamente. De la misma manera, si se precipitan calcio y magnesio con cal y carbonato de sodio, se genera un residuo slido, que es ms fcil de controlar, pero que tambin implica un costo en su manejo. Por otra parte, el agua que se obtiene despus del proceso sea ste por resinas intercambiadoras o por precipitacin qumica, ciertamente ya no es un agua que genere incrustacin de carbonato, pero el contenido de sodio es mayor (y tambin su conductividad elctrica) que en el agua original, lo cual puede interferir para ciertos usos y procesos.

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Otra ventaja de ambos proceso de ablandamiento, es que en el caso de las resinas de intercambio, algunos metales txicos que el agua pudiese tener como: plomo, cadmio, arsnico, etc. son removidos en mayor o menor grado. En la precipitacin qumica tambin son removidos los metales txicos y algunos metales indeseables como fierro y manganeso, los cuales son insolubles como hidrxidos. Tambin el fsforo precipita en este proceso y desde luego, al inducir a la formacin de un precipitado, los slidos coloidales o turbidez del agua es removida en el mismo tanque de reaccin.

MATERIALES

Muestra de agua natural Reactivos Ca(OH)2 y Na2CO3 Vaso de precipitados EDTA NET Solucin tampn pH 10 Equipo de titulacin Soporte

PROCEDIMIENTO

En un vaso de precipitados se colocan 150 ml de la muestra de agua natural, luego se agrega 4 ml de Ca(OH)2 y 2 ml de Na2CO3. Se mezclan, se formar un precipitado blanco. Se prepara el equipo de titulacin.

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Se colocan 20 ml tomados de la parte superior de la muestra con precipitados y se agrega 2 ml de una solucin tampn de pH 10 al matraz y una pizca de NET usado como indicador. Se torna de un color rojo. Se procede a titular con EDTA sobre 20 ml de la muestra. Se anota la cantidad de EDTA gastado para cambiar el color rojo a azul.

DISCUSIN DE RESULTADOS

Preparamos el equipo de titulacin

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Como se mencion anteriormente, agregamos hidrxido de calcio y carbonato sdico a la muestra, esperamos que se forme el precipitado y luego tomamos 20 ml del agua blanda en la capa superior del vaso de precipitados con la muestra, titulamos con EDTA y medimos la cantidad de volumen gastado. Para fines comparativos titulamos adems 20 ml de muestra sin tratamiento para ver la eficiencia de la precipitacin. La coloracin cambia segn los siguientes colores:

Cuando el color se torna azulino como en la imagen 4, detenemos la titulacin, los resultados se encuentran en la siguiente tabla:

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Volumen de EDTA gastado Agua Blanda despus del tratamiento Agua Dura antes del tratamiento 12 ml 18.2 ml

Haciendo el clculo en ppm de CaCO3:

Muestra tratada mg CaCO3 / L= V EDTA x M EDTA x 105 V muestra mg CaCO3 / L=

Muestra sin tratar V EDTA x M EDTA x 105 V muestra

mg CaCO3 / L=

12 x 0.05 x 105 20

mg CaCO3 / L=

18.2 x 0.05 x 105 20

mg CaCO3 / L= 3000 mg/L

mg CaCO3 / L= 4550 mg/L

Concentracin de CaCO3 (mg/L) Agua Blanda despus del tratamiento Agua Dura antes del tratamiento 3000 4550

Se puede observar que se redujo en 34.06% la dureza del agua, quedando an 65.93% de la dureza inicial de la muestra. La eficiencia no es tan alta como la del intercambio catinico realizada la pctica pasada, aquella vez se gast una sola gota de EDTA a diferencia de los 12 ml gastados en esta prctica. Esto puede deberse a que para extraer la muestra de agua blanda, intentamos no agitar el precipitado pero puede ser que necesite ms tiempo para sedimentar o que la reaccin tenga otros factores que no se estn tomando en cuenta. Una ventaja de este mtodo es que es ms econmico que el de las resinas usadas en intercambio inico pero como podemos ver no es tan efectivo ni disminuye la dureza en una cantidad importante.

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El precipitado es un poco complicado de separar y se necesit casi la mitad del volumen de la muestra en volumen de EDTA para el cambio de color. Se podra usar sin embargo este proceso como un pre tratamiento al de resinas de modo que las resinas no sufran mucho desgaste ya que volverlas a activar es costoso.

CONCLUSIONES

Se form un precipitado blanco al agregar hidrxido de calcio y carbonato sdico a la muestra de agua dura. Existen iones Ca+2 y Mg +2 en la muestra de agua. Se logr disminuir la dureza del agua natural. La reduccin fue de un 34%. La efectividad no fue muy alta. El proceso de intercambio inico es ms efectivo para disminuir la dureza del agua natural que el ablandamiento por precipitacin qumica.

BIBLIOGRAFA

Manahan, Stanley E. 2007. Introduccin a la Qumica ambiental. Espaa : Editorial Revert, 2007. http://www.oocities.org/edrochac/sanitaria/calsodaash8.pdf http://cidta.usal.es/residuales/libros/logo/pdf/Precipitacion_quimica_ablandamiento.pdf

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