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.