Hidrosfera Como Materia Prima

HIDROSFERA: GENERALIDADES DEL AGUA, AGUA DE MAR COMO MATERIA PRIMA, CONTAMINACION

DEL AGUA Y TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

SILVIA ARACELY PARDO SANCHEZ

QUIMICA INDUSTRIAL 2015-I- PROGRAMA DE ING. INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA – EXTENSION SOACHA

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QUIMICA INDUSTRIAL

Constituyen un recurso fundamental ara el sector industrial, así como para el desarrollo de las

actividades agropecuarias y domesticas. Aparentemente las reservas de agua en el planeta

parecen ilimitadas, se puede decir que es un recurso inagotable.

• De los 1,4 * 1018 m3 de agua existente en la tierra, amas de un 97% corresponde a agua

salada en océanos y mares y mas del 70% de los recursos potenciales del agua dulce se

encuentran en forma de hielo (Antartica).

• Las existencias en lagos, ríos y aguas subterráneas técnicamente accesibles arrojan cifras

importantes si se tiene en cuenta el total.

• Tanto la localización de los recursos hídricos como las exigencias de calidad de la

aplicaciones, constituyen factores que limitan la disponibilidad real de los mismos.

• El notable incremento de las cifras de consumo y la alteración negativa de las

características del agua (contaminación), que se produce en la mayor parte de las

operaciones de uso de la misma han hecho que progresivamente el agua haya adquirido el

carácter de un BIEN, cuya utilización esta sujeta a principios de economía de consumo.

EL AGUA

APLICACIONES DEL AGUA EN LA INDUSTRIA

Las aplicaciones del agua en la industria son numerosas, dada su economía y disponibilidad relativa. 1. Se utiliza como fluido refrigerante y para la producción de vapor,

como disolvente y vehículo de arrastre. 2. Como materia prima sujeta a transformación química, el agua

puede ser fuente de H2 y/o de O2. La obtención de estos elementos a partir de agua puede realizarse por vía electrolítica, pero tanto uno como otro se producen industrialmente por procedimientos de mayor viabilidad tecnológica, partiendo de otras materias primas (el aire en el caso del O2 y el petróleo, gas natural y carbón en el del H2).

3. La electrolisis del agua, que fue método de fabricación del H2 queda suprimida si se requiere producir cantidades pequeñas con alto nivel de pureza (sector de hidrogenación de grasas).

4. Economía del hidrogeno a futuro, crisis del petróleo, en regiones con alta disponibilidad eléctrica.

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EL AGUA NATURAL: COMPOSICION DEL AGUA NATURAL Y REPERCUSIONES

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El agua, tal como se encuentra en los sistemas naturales aparece siempre acompañada de distintos compuestos disueltos o en suspensión, que determinan el estado de calidad de la misma.

Estudio analítico de las características del agua: determina posibilidades de empleo y operaciones de tratamiento para su uso en aplicaciones concretas. La valoración de la calidad del agua es inseparable del uso especifico a que se destine y se realiza en función del mismo. (Ej: Ca2+ Mg2+).

Las aguas pueden encontrarse impurificadas por compuestos solidos, líquidos o gaseosos, en estado disuelto o en suspensión. Entre las sustancias presentes en las aguas naturales con mayor frecuencia cabe citar las siguientes: Gases disueltos, sales orgánicas disueltas, materia orgánica disuelta y solidos en suspensión.

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GASES DISUELTOS:

Principalmente O2 y CO2. La presencia de otros compuestos como NH3 , SH 2 o CH4, es indicio de contaminación orgánica. O2 es esencial para la vida acuática y su concentración constituye una medida indirecta del grado de contaminación del sistema, de utilidad complementaria en la localización de focos emisores y para evaluar su impacto. La solubilidad del O2 esta determinada por variables como la temperatura, presión y presencia d sales disueltas.

SALES INORGANICAS DISUELTAS:

Especial significado las de Ca2+ y Mg2+ responsables de la dureza del agua. La variabilidad de la solubilidad de estas sales determina la posibilidad de formación de depósitos e incrustaciones sobre superficies metálicas calientes, razón por la cual requieren control en agua para calderas.

MATERIA ORGANICA DISUELTA:

Puede ser de origen natural (materia húmica) o artificial (vertidos contaminantes). Biodegradable por presencia de microorganismos aerobios en agua (se transforman en productos inocuos con repercusión ecológica) y de materia orgánica no oxidable por vía biológica que recibe el nombre de refractaria o persistente (permanecen en agua por largos periodos, siendo su acción química toxica un riesgo potencial).

SOLIDOS EN SUSPENSION:

Puede ser de naturaleza orgánica e inorgánica y de origen natural o artificial .

Su presencia denota turbiedad en las aguas y las inhabilita para aplicaciones corrientes. La capacidad de adsorción de algunos de los solidos constituye un factor importante en el transporte de contaminantes en los sistemas acuáticos naturales.

EVALUACION DE LAS CARACTERISTICAS DEL AGUA

Color: se mide a través de la absorbancia a una

longitud de onda previamente

seleccionada por barrido, dentro del

espectro visible.

La acidez o alcalinidad: se mide a

través del pH, para determinar

corrosividad del agua.

Solidos en suspensión: se

analiza por filtración pesada. Medidas de turbiedad mediante

técnicas fotoeléctricas.

Concentración de solidos disueltos totales: por gravimetría previa

evaporación. La fracción orgánica e inorgánica se evalúa

gravimétricamente después de quemar residuos de evaporación a una T que no cause volatilización.

Análisis de cationes: se realiza por absorción

catiónica.

La presencia de materia orgánica: a través de

distintos índices como COT, DQO, y DBO.

Análisis de compuestos específicos: Holometanos, policlorobifenilos y fenoles

por cromatografía.

La presencia de aniones y cationes como CN-, NO2-, NO3-,y fosfatos mediante electrodos específicos o

cromatografía iónica.

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CARACTERISTICAS DEL AGUA

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El volumen total de agua del planeta equivale a 1400 millones de km3. El 90% no es utilizable por los seres vivos por estar combinada en la

litosfera. El 10% restante se distribuye así: • 97.6% en los océanos • 1.9% en los casquetes polares y glaciares • 0.5% como agua dulce, la mayor parte (94% en los acuíferos). Por tanto,

sólo el 0.03% son aguas superficiales libres en la corteza terrestre. Cerca de 12000 km3 de agua, la mayor parte en forma de vapor, se

encuentra en cualquier momento en la atmósfera. Cada día se evaporan o transpiran 1120 km3 de agua dentro de la

atmósfera. Las aguas subterráneas representan el 0,47 % de los recursos totales. Los

acuíferos aportan el 30% del caudal de los ríos, mientras que los embalses sólo regulan el 15% de los caudales.

CARACTERISTICAS FISICO QUIMICAS DEL AGUA

Las aguas naturales, al estar en contacto con diferentes agentes (aire, suelo, vegetación, subsuelo, etc.), incorporan parte de los mismos por disolución o arrastre.

Esto hace que las aguas dulces presenten un elevado número de sustancias en su composición química natural.

Entre los compuestos más comunes que se pueden encontrar en las aguas dulces están:

• como constituyentes mayoritarios: los carbonatos, bicarbonatos, sulfatos, cloruros y nitratos.

• como constituyentes minoritarios: los fosfatos y silicatos, metales como elementos traza y gases disueltos como oxígeno, nitrógeno y dióxido de carbono.

El agua de lluvia presenta • los cationes: Na+, K+, Ca2+, Mg2+

• los aniones: HCO3−, Cl−, Br−, I−, SO4

2−, NO3−, PO4

3−

• y dióxido de carbono, oxígeno, ozono, nitrógeno, argón, etc. 10

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Físicos • Color • Olor • Turbidez • Sólidos en suspensión • Temperatura • Densidad • Sólidos • Conductividad • Radioactividad

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Químicos • pH • Materia Orgánica (Carbono orgánico total ,COT) • DBO • DQO • Nutrientes • Nitrógeno y compuestos derivados (amoníaco, nitratos, nitritos, etc.) • Fósforo y compuestos derivados (fosfatos) • Aceites y grasas • Hidrocarburos • Detergentes • Cloro y cloruros • Fluoruros • Sulfatos y sulfuros • Fenoles • Cianuros • Haloformos • Metales • Pesticidas

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Biológicos

•Coliformes totales y fecales

• Estreptococos fecales

• Salmonellas

• Enterovirus

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Gases disueltos

• Oxígeno

• Nitrógeno

• Dióxido de carbono

• Metano

• Ácido sulfhídrico

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Parámetros físicos (I)

• Color Es el resultado de la presencia de materiales de origen vegetal tales como

ácidos húmicos, turba, plancton, y de ciertos metales como hierro, manganeso, cobre y cromo, disueltos o en suspensión.

Constituye un aspecto importante en términos de consideraciones estéticas.

Los efectos del color en la vida acuática se centran en la disminución de la transparencia, que provoca un efecto barrera a la luz solar, traducido en la reducción de los procesos fotosintéticos.

• Olor Es debido a cloro, fenoles, ácido sulfhídrico, etc. La percepción del olor no constituye una medida, sino una apreciación y

tiene, por tanto, un carácter subjetivo. El olor raramente es indicativo de la presencia de sustancias peligrosas en

el agua, pero sí puede indicar la existencia de una elevada actividad biológica. Por ello, en el caso de aguas potable, no debería apreciarse olor alguno, no sólo en el momento de tomar la muestra sino a posteriori (10 días en recipiente cerrado y a 20ºC).

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Parámetros físicos (II)

• Turbidez Es una medida de la dispersión de la luz por el agua por la presencia de

materiales suspendidos coloidales y/o particulados. La materia suspendida puede indicar un cambio en la calidad del agua

y/o la presencia de sustancias inorgánicas finamente divididas o de materiales orgánicos.

La turbidez es un factor ambiental importante ya que la actividad fotosintética depende en gran medida de la penetración de la luz.

La turbidez interfiere con los usos recreativos y el aspecto estético del agua.

La turbidez constituye un obstáculo para la eficacia de los tratamientos de desinfección.

La transparencia del agua es muy importante en las de aguas potables y en el caso de industrias que producen materiales destinados al consumo humano.

• Sólidos en suspensión Comprenden a todas aquellas sustancias que están suspendidas en el

seno del agua y no decantan de forma natural.

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Parámetros físicos (III)

• Temperatura La temperatura de las aguas residuales es importante a causa de sus

efectos sobre la solubilidad del oxígeno y, en consecuencia, sobre la velocidad en el metabolismo, difusión y reacciones químicas y bioquímicas.

El empleo de agua para refrigeración (por ejemplo en las centrales nucleares) conlleva un efecto de calentamiento sobre el medio receptor que se denomina contaminación térmica.

Temperaturas elevadas implican la aceleración de la putrefacción, con lo que aumenta la DBO y disminuye el oxígeno disuelto.

• Densidad Las medidas de densidad son necesarias en aguas de alta salinidad

para convertir medidas de volumen en peso. Es práctica común medir volumétricamente la cantidad de muestra

usada para un análisis y expresar los resultados como peso/volumen (por ejemplo, mg/L). Aunque ppm y mg/L sólo son medidas idénticas cuando la densidad de la muestra es 1, para muchas muestras se acepta el pequeño error que se introduce al considerar que 1 ppm es 1 mg/L.

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Parámetros físicos (IV)

• Sólidos Se denominan así a todos aquellos elementos o compuestos presentes en el

agua que no son agua ni gases. Atendiendo a esta definición se pueden clasificar en disueltos y en suspensión. En cada uno de ellos, a su vez, se pueden diferenciar los sólidos volátiles y los no volátiles.

La medida de sólidos totales disueltos (TDS) es un índice de la cantidad de sustancias disueltas en el agua que proporciona una indicación de la calidad química. Analíticamente se define como residuo filtrable total (en mg/L).

El término sólidos en suspensión describe a la materia orgánica e inorgánica particulada existente en el agua. Su presencia participa en el desarrollo de la turbidez y el color del agua, mientras que la de sólidos disueltos determina la salinidad del medio, y en consecuencia la conductividad del mismo.

• Conductividad Es la medida de la capacidad del agua para transportar la corriente eléctrica y

permite conocer la concentración de especies iónicas presentes en ella. La contribución de cada especie iónica a la conductividad es diferente por lo

que su medida da un valor que no está relacionado con el número total de iones en solución. Depende también de la temperatura.

Está relacionada con el residuo fijo por la expresión conductividad (S/cm) x f = residuo fijo (mg/L)

El valor de f varía entre 0.55 y 0.9.

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Parámetros físicos (V)

• Radiactividad La contaminación radiactiva se origina por los

radioelementos naturales (uranio, torio y actinio) y sus productos de descomposición, procedentes tanto de fuentes naturales, como por las actividades humanas: pruebas de armamento nuclear, operaciones relacionadas con la obtención de energía atómica, extracción de minerales, generación de energía, usos industriales o en medicina, etc.

La mayoría de los compuestos radioactivos tienen muy baja

solubilidad en agua y son adsorbidos en las superficies de las partículas, por lo que los niveles de radiactividad en aguas naturales son normalmente bajos.

Las aguas superficiales presentan unas concentraciones más

bajas que las aguas subterráneas.

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Parámetros químicos (I)

• pH Se define como

pH = log 1/[H+] = −log [H+]

Su medida tiene amplia aplicación en el campo de las aguas naturales y residuales. Es una propiedad que afecta a muchas reacciones químicas y biológicas.

El valor del pH compatible con la vida piscícola está comprendido entre 5 y 9. Para la mayoría de las especies acuáticas, la zona de pH favorable se sitúa entre 6.0 y 7.2. Fuera de este rango no es posible la vida como consecuencia de la desnaturalización de las proteínas.

La alcalinidad es la suma total de los componentes en el agua que tienden a elevar el pH (bases fuertes y sales de bases fuertes y ácidos débiles).

La acidez es la suma de componentes que implican un descenso de pH (dióxido de carbono, ácidos minerales, ácidos poco disociados, sales de ácidos fuertes y bases débiles).

Ambas, controlan la capacidad de tamponamiento del agua (para neutralizar variaciones de pH provocadas por la adición de ácidos o bases).

El principal sistema regulador del pH en aguas naturales es el sistema carbonato (dióxido de carbono, ion bicarbonato y ácido carbónico).

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Parámetros químicos (II)

• Materia orgánica La materia orgánica existente en el agua, tanto la disuelta como la

particulada, se valora mediante el parámetro carbono orgánico total (TOC, total organic carbon).

Los compuestos orgánicos existentes en el medio acuático se pueden clasificar atendiendo a su biodegradabilidad (posibilidad de ser utilizados por microorganismos como fuente de alimentación) y para su medida se utilizan los parámetros DQO y DBO.

• Demanda química de oxígeno DQO Es la cantidad de oxígeno consumido por los cuerpos reductores

presentes en el agua sin la intervención de los organismos vivos. Efectúa la determinación del contenido total de materia orgánica oxidable, sea biodegradable o no.

• Demanda bioquímica de oxígeno DBO Permite determinar la materia orgánica biodegradable. Es la cantidad

de oxígeno necesaria para descomponer la materia orgánica por la acción bioquímica aerobia.

Esta transformación biológica precisa un tiempo superior a los 20 días, por lo que se ha aceptado, como norma, realizar una incubación durante 5 días, a 20ºC, en la oscuridad y fuera del contacto del aire, a un pH de 7-7.5 y en presencia de nutrientes y oligoelementos que permitan el crecimiento de los microorganismos. A este parámetro se le denomina DBO5.

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Parámetros químicos (III)

• Nutrientes Los nutrientes promueven respuestas biológicas como el florecimiento del plancton y un

excesivo desarrollo de ciertas algas que pueden impedir el empleo del agua con algunos fines.

Los más importantes son los compuestos de nitrógeno y fósforo, contaminantes comunes en residuos industriales y municipales y en las aguas de lavado de campos.

• Nitrógeno y derivados Las formas inorgánicas del nitrógeno incluyen nitratos (NO3

−) y nitritos (NO2−), amoníaco

(NH3) y nitrógeno molecular (N2). El amoníaco es un gas incoloro a presión y temperatura ambiente altamente soluble en agua.

Cuando se disuelve en agua se forman iones amonio (NH4+), estableciéndose un equilibrio

químico entre ambas formas. La presencia de nitratos proviene de la disolución de rocas y minerales, de la descomposición

de materias vegetales y animales y de efluentes industriales. También hay contaminación proveniente de su uso como abonos y fertilizante.

En aguas residuales, su presencia es mínima debido al estado reductor de este medio. En depuradoras de aguas residuales la producción de NO3

− debe tenerse en cuenta pues se convierte en factor limitante del crecimiento en sistemas hídricos en presencia de fósforo: eutrofización.

El nitrógeno Kjeldahl (NTK) mide la cantidad de nitrógeno amoniacal y de nitrógeno orgánico. Indica el contenido proteínico del agua.

• Fósforo y derivados El fósforo elemental no se encuentra habitualmente en el medio natural, pero los

ortofosfatos, pirofosfatos, metafosfatos, polifosfatos y fosfatos orgánicamente unidos sí se detectan en aguas naturales y residuales.

Se le considera un macronutriente esencial, siendo acumulado por una gran variedad de organismos vivos.

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Parámetros químicos (IV)

• Aceites y grasas En este grupo se incluyen los aceites y las grasas que se encuentren en

estado libre, ya sean de origen animal, vegetal o mineral (fundamentalmente, los derivados del petróleo).

La mayoría de estos productos son insolubles en el agua, pero pueden existir en forma emulsionada o saponificada.

• Hidrocarburos Bajo esta denominación se encuentran agrupados una serie de

compuestos cuya característica común es presentar en su estructura átomos de carbono y de hidrógeno.

Se pueden diferenciar dos grupos: los hidrocarburos derivados del petróleo y los hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs). Estos últimos son cancerígenos.

• Detergentes Son las sustancias que poseen unas importantes propiedades limpiadoras. Son productos complejos constituidos por uno o varios agentes

surfactantes y compuestos minerales asociados a materias orgánicas mejorantes, a enzimas y a secuestrantes.

Los más característicos son los surfactantes, productos químicos orgánicos que reducen la tensión superficial del agua.

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Parámetros químicos (V)

• Cloro y cloruros El cloro elemental es un gas amarillo-verdoso altamente soluble en agua

que dismuta hidrolizándose a ácido hipocloroso (HOCl) y ácido clorhídrico (HCl). A su vez, el ácido clorhídrico se disocia a iones hidrógeno y cloruro, mientras que el ácido hipocloroso, que es un ácido débil, se disocia parcialmente en iones hidrógeno e iones hipoclorito (OCl−). Las proporciones relativas de Cl2, HOCl y OCl− en equilibrio (cloro libre disponible) se encuentran controladas por el pH, la temperatura y la fuerza iónica.

El cloro en agua reacciona fácilmente con las sustancias nitrogenadas para producir compuestos clorados (cloro disponible combinado).

El cloro que permanece en agua después de un tratamiento se denomina cloro residual. El conjunto de cloro libre y cloro combinado se nombra como cloro residual total (TRC, total residual chlorine). La medida de TRC se considera suficiente para definir las toxicidad sobre los organismos acuáticos de agua dulce.

El ión cloruro se encuentra ampliamente distribuido en forma de cloruro sódico, potásico o cálcico. El gran inconveniente es el sabor desagradable que comunica al agua. Es también susceptible de ocasionar corrosión en las canalizaciones y en los depósitos.

• Fluoruros La mayoría de los fluoruros asociados con cationes monovalentes son

solubles en agua y los formados con cationes divalentes son insolubles normalmente.

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Parámetros químicos (VI)

• Sulfatos El ión sulfato (SO4

2−), muy soluble en agua, es la forma oxidada estable del azufre. Los sulfatos de plomo, bario y estroncio son insolubles.

El sulfato disuelto puede: a) ser reducido a sulfito y volatilizado a la atmósfera como H2S b) precipitado como sales insolubles c) incorporado a organismos vivos. Los sulfatos, en condiciones anaeróbicas, son fuente de oxígeno para

las bacterias, convirtiéndose en H2S. Se pueden producir por oxidación bacteriana de los compuestos

azufrados reducidos. • Cianuros Como cianuros se incluyen una serie de diversos compuestos orgánicos

caracterizados por el grupo −C≡N. Los gérmenes aerobios responsables de la depuración y los peces son sensibles a un contenido de 0.1 mg/L de HCN.

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Parámetros químicos (VII)

• Fenoles Los compuestos fenólicos afectan a las especies

piscícolas de diversas formas: por toxicidad directa tanto a los peces como a los organismos que les sirven como alimento y por disminución de la cantidad de oxígeno disponible por la elevada demanda de oxígeno de estos compuestos.

• Haloformos Son derivados orgánicos de los halógenos (F, C1,

Br, I). Los más abundantes en el agua son los trihalometanos, el tetracloruro de carbono y el dicloroetano.

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Parámetros químicos (VIII)

• Metales Compuestos constituidos por los diferentes elementos metálicos. Sus características dependen, entre otros factores, del metal que

esté incorporado. Desde la perspectiva de los potenciales efectos perjudiciales que

puedan generar los metales más importantes son mercurio y cadmio.

El mercurio puede formar numerosas especies, unas bastante solubles y otras muy insolubles. La concentración de mercurio en medios acuosos es relativamente pequeña pero de una elevada toxicidad potencial como consecuencia de los procesos de bioacumulación.

El cadmio se encuentra en las aguas como ion divalente, formando compuestos orgánicos e inorgánicos, principalmente cloruros y carbonatos.

Los carbonatos, sulfuros, e hidróxidos presentan una baja solubilidad en agua.

La solubilidad del ion cadmio disminuye con el incremento de pH (se favorece la formación del hidróxido).

El cadmio presenta una toxicidad elevada con efecto acumulativo.

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Parámetros químicos (IX)

• Pesticidas Según sus usos, se clasifican en insecticidas, fungicidas, herbicidas,

acaricidas, nematocidas, rodenticidas, etc. También pueden clasificarse atendiendo a sus características químicas: se

usan sustancias minerales como azufre, sulfato de cobre, arseniato de plomo y, sobre todo, compuestos orgánicos clorados como son los insecticidas (DDT, lindano, aldrín, dieldrín, etc.) y los herbicidas derivados de fenoxiácidos.

Hay también ésteres fosforados (insecticidas: paratión, malatión, etc) y compuestos orgánicos u organometálicos, cuyas moléculas llevan incorporadas grupos funcionales muy variados: derivados de la urea, de las triacinas, carbamatos y ditiocarbamatos, etc.

En el medio acuático, la toxicidad de los pesticidas varía en función de su naturaleza y según las especies y su estado de desarrollo (huevo, alevín, adulto).

Para los peces, los insecticidas clorados son 100 veces más tóxicos que los derivados organofosforados. Los herbicidas son mucho menos tóxicos que los insecticidas (2000 a 3000 veces menos).

Los pesticidas fosforados son mucho más tóxicos para el hombre y los mamíferos que los pesticidas clorados.

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Parámetros químicos (X)

• Oxígeno disuelto

Es necesario para la vida de los peces y otros organismos acuáticos. El oxígeno es moderadamente soluble en agua. Su solubilidad depende de la temperatura, salinidad, turbulencia del agua y presión atmosférica

La solubilidad disminuye cuando aumenta la temperatura y la salinidad y cuando disminuye la presión atmosférica.

La solubilidad del oxígeno atmosférico en aguas dulces, a saturación y al nivel del mar, oscila aproximadamente entre 15 mg/L a 0ºC y 8 mg/L a 25ºC.

CARACTERISTICAS DEL AGUA DE MAR

El agua de mar constituye el 97.6 % de los recursos de agua pero su uso está muy restringido para la actividad humana dada su elevada concentración en sales: 3.5%. Los porcentajes de los compuestos más abundantes son

• 2.7% de cloruro sódico

• 0.3% de cloruro magnésico

• 0.2% de sulfato magnésico

• 0.1% de sulfato cálcico

• 0.2% de otras sales.

Ausencia de sales de potasio

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SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

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1

• Conocidas las características de un agua y las exigencias de calidad para su utilización o vertido, se establece la secuencia de operaciones necesarias para su acondicionamiento o depuración.

2

• Aguas blandas: para empleo domestico o industrial y la depuración e aguas residuales previo vertido o reutilización: diferencia campo de tecnología de tratamiento de aguas.

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• Técnicas de tratamiento de aguas blandas: coagulación-floculación, sedimentación y filtración a través de arena para la eliminación de solidos en suspensión, precipitación mediante Ca(OH)2 y Na2CO3 o intercambio iónico para reducción de la dureza. Corrección del pH y empleo de agentes químicos para el control de la corrosión y la oxidación química mediante Cl2, ClO2 o NaClO, para evitar riesgos con MO, Materia orgánica, nitrógeno amoniacal y nitritos entre otros.

4 • Los sistemas basados en membranas , ultrafiltración y osmosis inversa,

están adquiriendo en los últimos años significado como técnicas de eliminación de compuestos orgánicos e inorgánicos no deseables.

SISTEMAS DE TRATAMIENTO DE AGUAS

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5

• En cuanto a la depuración de aguas residuales, existen numerosas operaciones que tienen como criterio el tipo de contaminante a eliminar. Tres bloques de tratamiento: dirigidos hacia materia en suspensión: contaminantes orgánicos biodegradables y y comp. específicos.

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• TRATAMIENTOS PREVIOS: CRIBADO, DISLACERACION y DESARENADO, se emplean para eliminación de solidos gruesos, arenas.

• TRATAMIENTO DE DESINFECCION: Cloración y ozonización fundamentalmente, para control de patógenos.

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• TRATAMIENTO PRIMARIO: sedimentación con agentes floculantes cuando se requiere provocar coagulación y floculación de las materias solidas. Se emplean sales de Hierro, Aluminio y polímeros orgánicos anionicos y catiónicos o no iónicos. Filtración y flotación, el ultimo muy costoso.

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• TRATAMIENTOS SECUNDARIOS: 1). Sistemas de lodos activos en los que la biomasa (micoorganismos aerobios), se ponen en contacto con aguas a tratar. 2). Filtros biológicos. 3). Discos rotatorios: de película fija. 3). Lagunas de estabilización: áreas de clima suave, reutilización riego agrícola.

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• TRATAMIENTOS TERCIARIOS: eliminación de contaminantes específicos. Adsorción mediante carbono activo, osmosis inversa. Eliminación de iones metálicos pesados, técnicas de adsorción coloidal, oxidación química. Eliminación de nutrientes (N y P), nitrificación y desnitrificación.

EL AGUA COMO MATERIA PRIMA: PRODUCCION DE HIDROGENO

La descomposición del agua por reacción con los constituyentes de otras materias primas con duce a la obtención de H2 como producto mas noble.

La producción industrial de H2. se lleva a cabo por:

REFORMADO: mediante vapor de agua o gas natural.

COMBUSTION PARCIAL: de fracciones petroliferas pesadas.

GASIFICACION: de carbones.

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En el reformado y la gasificación el agua participa en la reacción, el H2. derivado es económicamente muy rentable.

Es necesario independizar la producción de H2. de los combustibles fósiles cuya sustitución se pretende . La

electrolisis es el mejor procedimiento.

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EL AGUA COMO MATERIA PRIMA PARA LA PRODUCCION DE HIDROGENO:

LA ELECTROLISIS DEL AGUA • La palabra electrolisis provienen de las raíces electro, electricidad y lisis, separación. • La electrolisis es un proceso que consiste en la descomposición de una sustancia

mediante una corriente eléctrica de electrolitos la cual separa el Hidrogeno del Oxigeno.

• Básicamente se trata de una reacción química de oxido reducción, durante el transcurso de la cual se transfieren electrones de una especie química a otra.

• Como se trata de un proceso químico no espontaneo es necesario utilizar energía eléctrica para que la reacción en cuestión se lleve a cabo.

• En la historia diversos autores modificaron el procedimiento mediante experimentos, perfeccionando la electrolisis del agua.

• Jan Rudolph Deiman y Paets Adriaan van Troostwijk utilizo en 1789 una maquina electrostática para producir electricidad.

• En 1800, Alessandro Volta invento la pila voltaica. • William Nicholson y Althony Carlisle la utilizaron para la electrolisis del agua. • Zenobe Gramme invento la maquina de Gramme en 1869. • Dmitry Lachinov en 1888 desarrollo un método de síntesis industrial del hidrogeno y

oxigeno mediante electrolisis.


LA ELECTROLISIS DEL AGUA

• Muchas celdas electrolíticas pueden carecer de electro catalizadores. Por ejemplo: el agua destilada por si sola no permite que la electrolisis se producida al conectar corriente, debido a que esta no conduce la corriente eléctrica, no posee electrolitos.

• Los que se emplean para facilitar la reacción sin alteración del producto se denominan CATALIZADORES.

• La eficacia de la electrolisis se incrementa a través de la adición de un electrolito (sal, acido o base) y el uso de electro catalizadores.

• Un proceso de electrolisis es capaz de transformar materias primas tan económicas como la sal y el agua, en productos industrialmente valiosos como NaOH (soda caustica), Cl (Cloro), e Hidrogeno. Este método conocido como Cloro-alcali, consume un 0.5% de toda la energía eléctrica de EU.

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41 La hidrolisis del agua pura requiere el exceso de energía en forma de sobretensión para

superar la activación de diversas barreras. Sin el exceso de energía de la electrolisis del agua pura se produce muy lentamente o nada, debido en parte a la limitada auto-ionización del agua. El agua pura tiene una conductividad eléctrica de una millonésima de agua de mar.



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Cátodo ducción H e H

Ánodo Oxidación OH O H O e

acción global H O H Ol g g

( ):Re

( ):

Re : ( ) ( ) ( )

2 2

2 12 2

12

2

2 2

2 2 2

La descomposición del agua en Hidrogeno y Oxigeno requiere el empleo de aporte energético equivalente a la entalpia de

formación que es de 68,3 Kcal/mol a 25°C. Solo 56,7 Kcal/mol a 25°C se suministra en

forma de trabajo útil. El CONSUMO ENERGETICO es la cantidad de

energía consumida por el aparato para producir una unidad de producto.

RENDIMIENTO ENERGÉTICO: Cantidad de producto que se obtiene con 1kWh de

energía. Mide la relación entre el trabajo útil (energía libre) y energía eléctrica.



43 La electrolisis del agua contribuye en la actualidad con menos del 2% de H2. total producido en el mundo. Se realiza por ser de bajo costo especialmente donde se

dispone de energia hidroelectrica. .

• La producción total de Hidrogeno en el mundo, actualmente se sitúa por encima de 25 Toneladas/año, que se consumen en mas de un 98%, para usos de la propia instalación, de la que la planta de hidrogeno representa un componente.

• La principal aplicación del H2. (50%), es su empleo como materia prima en la producción de NH3.

• Entre un 35 a 40% del consumo de H2. se emplea en procesos de refinería de petróleo, hidrosesulfuración y refinería de lubricantes.

• El 10 a 15% restante en la fabricación de metanol (en mayor parte), ciclohexano, oxoalcoholes y anilinas.

• La electrolisis no tiene ninguna representación, son los hidrocarburos la materia prima utilizada.

• Otras aplicaciones menores en la industria metalurgica, electrónica y de alimentación (hidrogenación de grasa vegetales) constituyen mercados mas importantes del H2. electrolítico.


DESCOMPOSICION DEL AGUA EN CICLOS TERMOQUIMICOS

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El concepto de economía del hidrógeno se lleva tratando durante varias décadas y ha recibido especial atención durante los últimos

años. Algunas valoraciones del potencial de una economía del hidrógeno han centrado su atención en su producción, al ser un

aspecto crucial en el desarrollo de un sistema viable. Existen diferentes procesos para obtener hidrógeno, entre los que pueden citarse el reformado de gas natural, la gasificación de carbón y la

electrolisis de agua. Aunque estos procesos se encuentran comercialmente disponibles, se está investigando en el desarrollo de

otros procesos alternativos, cuyo interés reside en su carácter sostenible. Uno de ellos es la descomposición termoquímica de agua.

La producción de hidrógeno mediante descomposición de agua empleando ciclos termoquímicos consiste en descomponer la molécula de agua en los

átomos de hidrógeno y oxígeno de los que está constituida, mediante una serie de reacciones químicas que permiten su liberación en etapas diferenciadas.

El proceso de descomposición termoquímica de agua requiere emplear sistemas adicionales, implicados generalmente en tres etapas:

1. Producción de oxígeno

2. Producción de hidrógeno

3. Regeneración de materiales.

Estos sistemas se caracterizan por proporcionar cantidades apreciables de hidrógeno y oxígeno, y por requerir temperaturas inferiores a la necesaria para la disociación térmica del agua. No obstante, los elevados niveles térmicos aún requeridos para estos procesos hacen necesario su integración con otros procesos que proporcionen un foco caliente a la temperatura necesaria.

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• Durante los últimos años la producción hidrógeno mediante ciclos termoquímicos ha recibido especial atención debido a la creciente preocupación sobre las fuentes de energía y el impacto ambiental asociado a su uso. Este es el motivo de la realización/recopilación de diversos estudios sobre la producción de hidrógeno mediante diferentes ciclos (como p.e.: Zn/ZnO, Fe3O4/FeO, Mn3O4/MnO). Muchos de estos ciclos se estudian acoplados a procesos de concentración de energía solar o generación de energía nuclear, y están relacionados con estudios realizados de forma paralela en reactores de energía solar concentrada y en reactores nucleares.

• Actualmente se está trabajando en la disminución de las temperaturas requeridas por los diferentes ciclos, al aumentar sus ventajas y el rendimiento del proceso de concentración de la energía solar a medida que disminuye la temperatura requerida para llevar a cabo el proceso. Para ello se están introduciendo modificaciones en ciclos ya conocidos, y se continúa con la búsqueda de nuevos ciclos alternativos.

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HIDROSFERA: EL AGUA DE MAR COMO

MATERIA PRIMA

SILVIA ARACELY PARDO SANCHEZ

QUIMICA INDUSTRIAL- PROGRAMA DE ING. INDUSTRIAL

UNIVERSIDAD DE CUNDINAMARCA – EXTENSION SOACHA

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QUIMICA INDUSTRIAL

Hidrosfera Como Materia Prima

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