3.3.1 Alcalinidad y Dureza del Agua (Tratamiento)

ALCALINIDAD DEL AGUA.

La alcalinidad del agua es la medida de su capacidad para neutralizar ácidos. También se utiliza el término capacidad de neutralización de ácidos (CNA), y representa la suma de las bases que pueden ser valoradas. Esta alcalinidad de las agua naturales se debe principalmente a las sales de ácidos débiles, aunque las bases débiles o fuertes también puede contribuir.

• Los bicarbonatos son los compuestos que más contribuyen a la alcalinidad, puesto que se forman en cantidades considerables por la acción del CO2 sobre la materia básica del suelo como podemos ver en la reacción:

Otras sales como boratos, silicatos y fosfatos también pueden contribuir.

• Además de estas sales se puede considerar ácidos orgánicos que son resistentes a la oxidación biológica como es el caso del ácido húmico que forman sales que se adicionan a la alcalinidad.

• Las agua naturales pueden ser alcalinas por cantidades apreciables de hidróxido y carbonatos, esto sucede mucho en agua superficiales con algas. Estas toman el CO2 que está en forma libre y lo combinan de tal forma que el pH puede aumentar a 9 y 10 debido a la siguiente reacción:

(Reacción que aumenta el pH por la producción de bicarbonatos, llevada a cabo por el proceso de fotosíntesis de las algas).

• Aunque muchos compuestos pueden contribuir a la alcalinidad del agua natural, la mayor parte es causada por tres grandes grupos que se clasifican por sus altos valores de pH, las otras especies son despreciables. Estos tres grupos son:

Compuestos que contribuyen en la alcalinidad

La alcalinidad del agua se debe entonces principalmente a sales de ácidos débiles y bases fuertes y, estas sustancias actúan como amortiguadoras para resistir la caída de pH resultante a la adición de ácidos. Este concepto se utiliza mucho en la práctica del tratamiento de aguas residuales.

Internacionalmente es aceptada una alcalinidad mínima de 20 mg de CaCO3/L para mantener la vida acuática. Cuando tiene alcalinidades inferiores se vuelve muy sensible a la contaminación, ya que no posee la capacidad de oponerse a las modificaciones que generan disminuciones de pH (Acidificación).

IMPORTANCIA DE LA ALCALINIDAD.

• Se han propuesto clasificaciones de las aguas según su capacidad amortiguadora (alcalinidad), lo que permite manejar descriptores categóricos sencillos a ser utilizados en el análisis de calidad de agua.

Clasificación de los cuerpos de agua según su alcalinidad total:

• En resumen podríamos decir que las concentraciones de estas especies (hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos) producen en el agua un efecto tampón ya que absorben protones manteniendo el pH a un valor estable. Esto es muy importante en los seres vivos y en determinados medios como el flujo sanguíneo.

• También es conveniente destacar que las agua con alcalinidades elevadas no son necesariamente perjudiciales para el consumo humano, como por ejemplo las aguas carbonatas conocida también como soda.

• La alcalinidad se determina por la valoración de la muestra de agua con una solución previamente normalizada de un ácido fuerte (en nuestro caso HCl), mediante dos puntos sucesivos de equivalencia, observados a través de:-medios potenciométricos.-indicadores ácido-base adecuados (Nuestro caso).

• Para muestras con pH inicial superior a 8,3 la valoración se va a llevar a cabo en dos fases:

METODOLOGIA DE ANALISIS.

• 1ª fase Añadimos unas gotas de fenolftaleína a la muestra y empezamos a valorar, cuando el pH baje a 8,3 el indicador pasará de violeta a incoloro. Anotamos el volumen consumido del acido.

2ª faseDespués de que vire la fenolftaleína añadimos unas gotas del indicador anaranjado de metilo y en el momento en que el pH baje a 4,4 el indicador pasará de color naranja a rojo (Si se observa que el indicador vira de una manera excesivamente gradual difícil de identificar con el ojo humano podemos calentar la muestra para aumentar la vistosidad del cambio de color). Anotamos el volumen consumido del acido.

Si graficamos el volumen del ácido consumido frente al pH podemos observar con mayor claridad el proceso de la valoración.

CALCULOS.

• El primer punto de inflexión o punto de equivalencia nos representara las concentraciones que había presentes tanto de los hidróxidos (OH- ) como de Carbonatos ( CO32-) en la muestra de agua y el segundo punto nos representara las concentraciones de bicarbonatos que había presentes en la misma (Cabe destacar que para ello hay que restar los bicarbonatos formados por la transformación de carbonatos a bicarbonatos producida hasta el primer punto de inflexión).

• Aplicando la idea de que el volumen del ácido por concentración del ácido va a ser igual al volumen de la base por la concentración de la base (VaCa=VbCb) en estos puntos de equivalencia podemos así obtener sus respectivas concentraciones para hallar la alcalinidad.

• Resolviendo esto nos quedarían entonces las siguientes ecuaciones para el cálculo de la alcalinidad para los sucesivos casos posibles:

Variables de las ecuaciones para el método de cálculo: a = mL de la alícuota de la solución problema. X= mL de la lectura de la bureta en el punto de viraje de

la fenolftaleína. (INDICADOR) Z = mL de la lectura de la bureta en el punto de viraje

del anaranjado de metilo. N = normalidad del ácido.

1º caso:Si X < ½ Z la aportación en la alcalinidad de los hidróxidos es despreciables:

• 2º caso:Si X > ½ Z la aportación en la alcalinidad de los bicarbonatos es despreciable:

• 3º caso:Si X = ½ Z la aportación en la alcalinidad de los hidróxidos y bicarbonatos es despreciables y para el cálculo de las carbonatos utilizamos cualesquiera de las dos expresiones utilizadas para su cálculo en los casos anteriores.

• Finalmente para el cálculo de la alcalinidad total sumamos las concentraciones de las especies obtenidas que va a ser igual al volumen del ácido consumido hasta el segundo punto de equivalencia (Z) por su normalidad dividido entre el volumen de la muestra de agua problema.

• El número 1000 que encontramos en las ecuaciones no es más que un factor de conversión para obtener nuestros resultados en mili moles que posteriormente es conveniente pasar a mg de CaCO3/L que es la unidad en la que se expresa comúnmente la alcalinidad.

• Podemos ver como evoluciona las concentraciones de estas especies con respecto al pH en el siguiente gráfico:

Con el fin de llevar a la práctica lo antes descrito hemos de calcular la alcalinidad del agua de grifo de Madrid.

La cantidad de volumen consumido de fenolftaleína es 0 ml, menor a la mitad del volumen consumido de anaranjado de metilo que es de 1,7 ml , la alícuota de la solución es de 200 ml y la Normalidad del Acido Clorhídrico es de 0,09023 N

Calcule la alcalidad…

Nos encontramos entonces por los datos calculados en el primer caso:

X< ½ Z [OH-] es despreciable a = 200 mL X= 0 mL Z=1,7 mL HCL 0,09023 N Aplicando las ecuaciones obtenemos

• Expresándolo en mg CaCO3 /LAlcalinidad Total =38,34775 mg CaCO3 /L lo que nos indica que es un agua moderadamente amortiguadora como era de esperarse.

DUREZA DEL AGUA

• La Dureza del agua se define como la concentración de todos los cationes metálicos no alcalinos presentes (iones de calcio, estroncio, bario y magnesio en forma de carbonatos o bicarbonatos) y se expresa en equivalentes de carbonato de calcio y constituye un parámetro muy significativo en la calidad del agua.

•En general las aguas de origen natural contienen cierta contaminación por compuestos en forma de sedimentos en su mayoría.

Agua Dura en un pozo petrolero o geotérmico.

Ca C O3

(CO3)2CaMg

ArenasCalizas DetríticasCalizas porosas cristalinasCalizas Fracturadas Calizas OolíticasAreniscas

Índice (ppm) para clasificar el agua por su dureza

TIPOS DE DUREZA

Las aguas duras se pueden clasificar en dos tipos:

• Dureza Temporal (carbonática): Este tipo de dureza se debe a la presencia de carbonatos y bicarbonato cálcico y magnésico. Se puede remover por ebullición si bien se suprime agregando la cantidad equivalente de hidróxido cálcico (cal apagada) o sosa cáustica.

• Dureza Permanente (no carbonática): es la que no se debe a los carbonatos y no desaparece al hervir el agua, y debe ser atribuida por la presencia en el agua de sulfatos, cloruros, nitratos y silicatos alcalinotérreos. Se suprime mediante el carbonato sódico.

METODOS PARA ELIMINAR LA DUREZA

Existen diversos métodos generales para la eliminación de las aguas duras entre algunos de ellos están:

• Con intercambiadores iónicos• Por formación de complejos estables• Por precipitación (ablandamiento o

suavizamiento del agua) • Además de estas existen otros métodos

tomando en cuenta su clasificación.

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