determinaciÒn quimica de la dureza en aguas de calderos
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TRATAMIENTO DE AGUAS
DETERMINACIÒN QUIMICA DE LA DUREZA DE LAS AGUAS
DE CALDERO
NOMBRE:
MILAGROS MERCEDES ESTELA GUTIÈRREZ
CODIGO:
072032-G
DOCENTE:
HERNANDEZ ORE JOSE
CHICLAYO-2012
DETERMINACIÒN QUIMICA DE LA DUREZA EN AGUAS DE CALDEROS13 de
diciembre de 2012
INTRODUCCIÒN
En el presente trabajo se analiza la importancia que el tratamiento de agua
tiene en la vida útil, eficiencia y seguridad en la operación de las calderas
industriales; se entregan además recomendaciones para la definición de
programas de tratamiento de agua y se explica cómo detectar los problemas
más frecuentes.
El tratamiento del agua de una caldera de vapor o agua caliente es
fundamental para asegurar una larga vida útil libre de problemas
operacionales, reparaciones de importancia y accidentes. El objetivo
principal del tratamiento de agua es evitar problemas de corrosión e
incrustaciones, asegurando la calidad del agua de alimentación y del agua
contenida en la caldera.
El aseguramiento de la calidad del agua de alimentación y agua de la
caldera se consigue cumpliendo con los requerimientos de las normas, que
definen los límites recomendados para los parámetros involucrados en el
tratamiento del agua.
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OPERACIÒN DE LA CALDERA
I.-PRODUCCION DE VAPOR
La mayoría de las Calderas o Generadores de Vapor tienen muchas cosas
en común. Normalmente en el fondo esta la cámara de combustión o el
horno en donde es más económico introducir el combustible a traves del
quemador en forma de flama. El quemador es controlado automáticamente
para pasar solamente el combustible necesario para mantener la presión en
el vapor deseada. La flama o el calor es dirigido o distribuido a las
superficies de calentamiento, que normalmente son tubos, fluxes o
serpentines en algunos diseños el agua fluye a través de los tubos o
serpentines y el calor es aplicado por fuera, este diseño es llamado
“Calderas de Tubo de Agua”. En otros diseños de calderas, los tubos o
fluxes están sumergidos en el agua y el calor pasa en el interior de los
tubos, estas son llamadas “Calderas de Tubos de Humo”. Si el agua es
sujeta también a contacto con el humo o gases calientes más de una vez, la
caldera es de doble, triple o múltiples pasos.
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El agua calentada o vapor se levanta de la superficie del agua se vaporiza y
es colectada en una o varias cámaras o tambores. El tamaño del tambor
determina la capacidad de producción de vapor. En la parte superior del
tambor de vapor se encuentra la salida o el llamado “Cabezal de vapor”,
desde donde el vapor es conducido por tuberías a los puntos de uso. En la
parte superior del hogar mecánico se encuentra una chimenea de metal o de
ladrillo, la cual conduce hacia fuera los productos de la combustión de
gases en el fondo de la caldera, normalmente opuesto del hogar mecánico,
se encuentra una válvula de salida llamada “purga de fondo”. Por esta
válvula salen del sistema la mayoría del polvo, lodos y otras sustancias no
deseadas, que son purgadas de la caldera. En conjunto a la caldera existen
múltiples controles de seguridad, para aliviar la presión si esta se
incrementa mucho, para apagar la flama si el nivel del agua es demasiado
bajo o para automatizar el control de nivel del agua. Un tubo de vidrio con
una columna de agua generalmente se incluye, para mostrarle al operador
el nivel interno del agua en la caldera.
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1.1.-AGUA DE ALIMENTACIÒN A CALDERA
El agua de alimentación a la caldera es comúnmente almacenado en un
tanque, con capacidad suficiente para atender la demanda de la caldera,
Una válvula de control de nivel mantiene el tanque con agua, una bomba de
alta presión empuja el agua hacia adentro de la caldera, se emplean bombas
de presión debido a que generalmente las calderas operan a presiones
mucho más elevadas que las que encontramos en los tanques
de agua. Vapor limpio es agua pura en forma de gas, cuando el vapor se
enfría se condensa es agua pura, normalmente conocida como
“condensados”. Normalmente estos condensados contienen una gran
cantidad de calor que puede ser empleada. Estos condensados son casi
perfectos como “make-up” o alimentación a la caldera una vez que
ha sido des gasificada para eliminar los gases disueltos como el oxigeno.
Esto siempre y cuando es posible si los condensados son retornados a la
caldera y colectados en un tanque conocido como “tanque de
condensados”. Cuando el condensado es recuperado en un tanque de este
tipo, generalmente se elimina del diseño el tanque del “make-up”.
En algunas instalaciones, el retorno de condensados puede llegar a ser del
99% casi supliendo el agua de make-up. A mayor porcentaje de
recuperación de condensados será menor el agua de alimentación a la
caldera o make-up. Hay otras instalaciones que probablemente requieran
emplear el 100% de make-up, esto puede ser por varias razones, como que
el condensado no se puede recuperar o que el condensado está contaminado
por alguna parte del proceso.
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1.1.1Presiones en la caldera
La temperatura y la presión en la operación de cada caldera definitivamente
están relacionadas, como se muestra en la siguiente tabla:
A presión atmosférica normal el agua tiene un punto de ebullición a 100ºC,
a mayor presión el punto de ebullición se incrementa, hasta alcanzar un
máximo punto de ebullición a 374oC a una presión de 3200 libras por
pulgada2 (220.63 bars). Por encima de esta temperatura el agua no existe
como liquido.
PUNTO DE EBULLICIÒN DEL AGUA A DIFERENTES PRESIONES
TEMPERATURA PRESIÒN
P.S.IºF ºC
212 100 0
300 149 52
400 204 232
500 260 666
600 316 1529
700 371 3080
705 374 3200
1.1.2.-Capacidades de Caldera
Las calderas son catalogadas en base a la cantidad de vapor que ellas
pueden producir en un cierto periodo de tiempo a una cierta temperatura.
Las calderas mas grandes producen 1´000,000 de libras por hora o son
catalogadas en base a 1 “caballo de fuerza” o “caballo vapor caldera” por
cada 34.5 libras de agua que pueden ser evaporadas por hora. Otra
definición es 1 “caballo de fuerza” por cada 10 pies2 de superficie de
calentamiento en una caldera de tubos de agua o 12 pies2 de superficie de
calentamiento en una caldera de tubos de humo.
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CONTROL DE CALIDAD DEL AGUA
Las calderas necesitan pre tratamiento externo en la alimentación del agua
o make-up dependiendo del tipo de caldera, la presión de operación, o del
sistema total. Tratamiento químico interno es necesario, dependiendo del
tratamiento externo del agua. El tratamiento externo del agua reduce la
dosificación de productos químicos y los costos totales de operación.
II.- REQUERIMIENTOS DEL AGUA DE ALIMENTACIÒN Y
CALDERA
Sobre la base de las recomendaciones de la Norma Británica BS – 2486, la
ABMA (American Boiler Manufacturing Association) y el TÜV, se han
preparado las siguientes tablas que muestran los requerimientos que deberá
satisfacer el agua de alimentación y el agua de una caldera para prevenir
incrustaciones y corrosión en calderas de baja presión (hasta 10 bar).
PARÁMETRO VALOR REQUERIDO
Dureza total < 2 ppm
Contenido de oxígeno < 8 ppb
Dióxido de carbono < 25 mg/l
Contenido total de hierro < 0,05 mg/l
Contenido total de cobre < 0,01 mg/l
Alcalinidad total < 25 ppm
Contenido de aceite < 1 mg/l
pH a 25 ºC 8.5 – 9.5
Condición general Incoloro, claro y libre de agentesIndisolubles.
Tabla n°1: Requerimientos agua alimentación calderas vapor según BS 2486.
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PARÁMETRO VALOR RECOMEDADO
pH a 25 ºC 10.5 - 11,8Alcalinidad Total CaCO3 < 700 ppmAlcalinidad Cáustica > 350 ppmSecuestrantes de Oxígeno:
Sulfito de Sodio Hidrazina Taninos Dietilhidroxilamina
30 – 70 ppm0.1 – 10 ppm
120 – 180 ppm0.1 – 1.0 ppm (en agua
alimentación)Fosfato Na3PO4 30 - 60 mg/lHierro < 3.0 ppmSílice 150 ppmSólidos disueltos < 3500 ppmSólidos en suspensión < 200 ppmConductividad < 7000 uS/cmCondición general Incoloro, claro y libre de agentes
Indisolubles.Tabla n°2: Requerimientos agua caldera según BS 2486.
2.1.- Problemas más Frecuentes
A continuación se describen los problemas, asociados al tratamiento de
agua, encontrados con mayor frecuencia en las calderas.
2.1.1.-Corrosiòn
Las principales fuentes de corrosión en calderas son la Corrosión por
Oxígeno o “Pitting” y la Corrosión Cáustica. A continuación se describe en
qué consiste cada uno de estos tipos de corrosión, cuáles son los factores
que la favorecen, que aspecto tiene y de qué manera pueden ser prevenidas.
A) Corrosión por Oxígeno o “Pitting”
La corrosión por oxígeno consiste en la reacción del oxígeno
disuelto en el agua con los componentes metálicos de la caldera
(en contacto con el agua), provocando su disolución o conversión
en óxidos insolubles. Los resultados de este tipo de corrosión son
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tubérculos de color negro, los que se forman sobre la zona de
corrosión, tal como lo muestra la figura.
Dado que la corrosión por oxígeno se produce por la acción del
oxígeno disuelto en el agua, esta puede producirse también cuando
la caldera se encuentra fuera de servicio e ingresa aire (oxígeno).
La prevención de la corrosión por oxígeno se consigue mediante
una adecuada desgasificación del agua de alimentación y la
mantención de un exceso de secuestrantes de oxígeno en el agua
de la caldera.
B) Corrosión Cáustica
La corrosión cáustica se produce por una sobre concentración local
en zonas de elevadas cargas térmicas (fogón, cámara trasera, etc.)
de sales alcalinas como la soda cáustica. Este tipo de corrosión se
manifiesta en forma de cavidades profundas, semejantes al
“Pitting” por oxígeno, rellenas de óxidos de color negro, presentes
solamente en las zonas de elevada liberación térmica (fogón, placa
trasera y cámara trasera) de una caldera. La corrosión cáustica
puede ser prevenida manteniendo la alcalinidad, OH libre y pH del
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agua de la caldera dentro de los límites recomendados en el punto
2.
C) Corrosión Líneas Retorno CondensadoLas líneas de retorno de condensado, lógicamente no forman
parte de una caldera, sin embargo, su corrosión tiene efectos
sobre las calderas y puede ser prevenida con el tratamiento de
agua.
La corrosión de la las líneas de retorno de condensado tiene
efectos sobre una caldera, ya que, los óxidos (hematita)
producidos son arrastrados a la caldera con el agua de
alimentación. Toda caldera cuyo lado agua tiene un color rojizo
presenta problemas de corrosión en las líneas de retorno de
condensado. La corrosión en las líneas de retorno de condensado
se produce por la acción del Ácido carbónico que en éstas se
forma.
La prevención de la corrosión en las líneas de retorno de
condensado, puede ser conseguida mediante aminas
neutralizantes que neutralizan la acción del ácido carbónica y
aminas fílmicas que protegen las líneas. Estas aminas son
volátiles por lo que al ser dosificadas a las líneas de
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alimentación de agua, son arrastradas por el vapor producido en
la caldera.
2.1.2.- Incrustaciones
Las incrustaciones corresponden a depósitos de carbonatos y silicatos de
calcio y magnesio, formados debido una excesiva concentración de estos
componentes en el agua de alimentación y/o regímenes de purga
insuficientes.
En la figura anterior es posible observar la corrida superior de los tubos de
humo de una caldera con incrustaciones de espesores superiores a los 8
mm. La acción de dispersantes, lavados químicos o las dilataciones y
contracciones de una caldera pueden soltar las incrustaciones, por lo que
deben ser eliminadas de una caldera muy incrustada para prevenir su
acumulación en el fondo del cuerpo de presión, tal como lo muestra la
siguiente figura. En el caso de que estas incrustaciones no sean removidas,
se corre el riesgo de embancar la caldera y obstruir las líneas de purga de
fondo, con lo que el problema puede tornarse aun más grave.
Incrustaciones en tubos de humo
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La presencia de incrustaciones en una caldera es especialmente grave
debido a su baja conductividad térmica actúa como aislante térmico,
provocando problemas de refrigeración de las superficies metálicas y puede
llegar a causar daños por sobrecalentamiento. En la figura n°6 se muestra el
efecto del espesor de la capa de incrustaciones de una caldera, en la
temperatura del metal. A medida que aumenta el espesor de la capa de
incrustaciones, para un mismo flujo de calor, aumenta la temperatura del
metal.
Acumulación incrustaciones en fondo cuerpo presión caldera
La formación de incrustaciones en una caldera puede ser prevenida,
satisfaciendo los requerimientos del agua de alimentación y agua de la
caldera incluidos en el punto 2, tratando el agua de alimentación y
manteniendo adecuados regímenes de purga.
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Efecto de incrustaciones y flujo de calor en la temperatura del metal
2.1.3.- Arrastre de Condensado
El arrastre de condensado en una caldera tiene relación con el suministro de
vapor húmedo (con gotas de agua). El suministro de vapor húmedo puede
tener relación con deficiencias mecánicas y químicas.
Las deficiencias mecánicas tienen relación con la operación con elevados
niveles de agua, deficiencias de los separadores de gota, sobrecargas
térmicas, variaciones bruscas en los consumos, etc. Por otro lado las
deficiencias químicas tienen relación con el tratamiento de agua de la
caldera, específicamente con excesivos contenidos de alcalinidad, sólidos
totales (disueltos y en suspensión) y sílice, que favorecen la formación de
espuma.
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Arrastre de condensado por excesiva concentración de sólidos
Para prevenir el arrastre debido a deficiencias en el tratamiento de agua, se
recomienda mantener los siguientes límites de los contenidos de
alcalinidad,
sólidos totales y sílice:
Alcalinidad total (CaCO3) < 700 ppm
Contenido de sílice (SiO2) < 150 ppm
Sólidos disueltos < 3500 ppm
En la figura se muestran una vista interior de la cámara de vapor de una
caldera, en cuyas paredes se nota la irregularidad del nivel de agua
provocada por un excesivo contenido de sólidos en el agua.
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DUREZA DEL AGUA
La dureza del agua se reconoció originalmente por la capacidad que tiene el
agua para precipitar el jabón, esto es, las aguas requieren de grandes
cantidades de jabón para producir espuma. La dureza de las aguas naturales
es producida sobre todo por las sales de calcio y magnesio. También
llamada grado hidrotimétrico, la dureza corresponde a la suma de las
concentraciones de cationes metálicos excepto los metales alcalinos y el
ion hidrogeno.
En la mayoría de los casos se debe principalmente a la presencia de iones
calcio y magnesio, y algunas veces otros cationes divalentes también
contribuyen a la dureza como son, estroncio, hierro y manganeso, pero en
menor grado ya que generalmente están contenidos en pequeñas
cantidades. Para las aguas subterráneas la dureza depende en gran medida
del tipo de depósito geológico que el agua ha atravesado en su camino al
acuífero. En depósitos de lecho de roca el agua es generalmente blanda
(sódica) a pesar del grado de mineralización. Entonces, como regla general
los acuíferos glaciales producen agua dura mientras que los acuíferos de
lecho de roca producen agua blanda.
Algunas aguas subterráneas de la región semiárida pampeana contienen
relativamente altos niveles de iones bicarbonatos los cuales aparecen
generalmente asociados con iones sodio.
3.2.- ¿Cómo el agua adquiere la dureza?
El agua adquiere la dureza cuando pasa a traves de las formaciones
geológicas que contienen los elementos minerales que la producen y por su
poder solvente los disuelve e incorpora. El agua adquiere el poder solvente,
debido a las condiciones acidas que se desarrollan a su paso por la capa de
suelo, donde la acción de las bacterias genera CO2, el cual existe en
equilibrio con el acido carbónico. En estas condiciones de pH bajo, el agua
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ataca las rocas, particularmente a la calcita (CaCO3), entrando los
compuestos en solución.
El carbonato cálcico (CaCO3) es el carbonato más importante, que se
presenta en la naturaleza como caliza, mármol y, en estado puro, como
calcita. El CaCO3 se produce como precipitado difícilmente soluble al
pasar CO2 a traves de una disolución de hidróxido cálcico, asi como
durante el fraguado del mortero de cal, que es una mezcla de arena, cal
apagada [Ca (OH)2] y agua:
Ca2+ + 2OH- + CO2 CaCO3 (Precipitado) + H2O
Otros minerales importantes del tipo de los carbonatos son la dolomita (Ca,
Mg)CO3, en el que la mitad de los iones Ca2+ han sido sustituido por iones
Mg2+ y además el carbonato de zinc, el carbonato de manganeso y el
carbonato de hierro. Los últimos constituyen minerales valiosos.
La calcita es un mineral que puede cristalizar en varias formas dando lugar
a cristales generalmente blancos o incoloros, pero que a veces están tenidas
de otras coloraciones. Su nombre viene del latín Calx, que significa cal
viva. Es el mineral más estable que existe de carbonato de calcio, frente a
los otros dos polimorfos con la misma formula química aunque distinta
estructura cristalina: el aragonito y la vaterita, más inestables y solubles.
Fragmento de calcita
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Se caracteriza por su relativamente baja dureza (3 en la escala de Mohs) y
por su elevada reactividad incluso con ácidos débiles, tales como el
vinagre. Los cristales de calcita se encuentran frecuentemente en las grietas
de las rocas ricas en CaCO3 y en las cuevas.
La calcita es el componente mayoritario de las rocas calcáreas, las cuales se
utilizan para la fabricación de cemento y cal. Habitualmente cementa con
rocas de piedra Caliza, Mármol y Tiza. La calcita es muy común y tiene
una amplia distribución por todo el planeta, se calcula que
aproximadamente el 4% en peso de la corteza terrestre es de calcita.
También es el mineral que recubre el interior de las cuevas y el
componente principal de la piedra Caliza, el Mármol, la Creta y las
Conchas Marinas. La mejor propiedad para identificar a la calcita es el test
del acido, pues este mineral siempre produce efervescencia con los ácidos.
Fragmento de calcita de diferentes formas y
colores
El agua que contenga CO2 al tomar contacto con las formaciones de
calcita, se transformara paulatinamente en hidrogeno carbonato, con lo que
se disolverá:
CaCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2
El proceso real es:
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CO-23 + CO2 +H2O→ 2HCO-3
El CaCO3 se disuelve tanto más, cuanto mayor sea la cantidad de CO2 que
contiene el agua.
De esta forma se produce la “dureza debida a los carbonatos” de las aguas
naturales, es decir, debida a su contenido en iones HCO3-. Las aguas
subterráneas y que discurren por campos con formaciones de calcita son
particularmente duras. Por el contrario, el agua de los grandes lagos suele
ser relativamente blanda, puesto que las algas y las plantas superiores
durante los procesos de asimilación (verano) substraen CO2 a los iones
HCO3 - y con ello se puede producir la precipitación del carbonato cálcico
(por inversión de la reacción anterior).
3.2.1.- Dureza permanente y temporal
La dureza del agua tiene una distinción compartida entre dureza temporal
(o de carbonatos) y dureza permanente (o de no-carbonatos).
a) Dureza temporal
La dureza que se debe a los bicarbonatos y carbonatos de calcio y
magnesio se denomina dureza temporal y puede eliminarse por
ebullición, que al mismo tiempo esteriliza el agua.
Otra forma de explicarlo, cuando la dureza es numéricamente mayor
que la suma de las alcalinidades de carbonatos y bicarbonatos, la
cantidad de dureza que es su equivalente a esta suma se le llama
dureza carbonatada, también llamada temporal, ya que al elevarse la
temperatura del agua hasta el punto de ebullición, el calcio y el
Magnesio se precipitan en forma de carbonato de calcio e hidróxido
de magnesio respectivamente. La dureza temporal también puede ser
eliminada por la adición del hidróxido de calcio (Ca (OH)2).
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El carbonato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua
fría, asi que al hervir (que contribuye a la formación de carbonato) se
precipitara el bicarbonato de calcio fuera de la solución, dejando el
agua menos dura.
Los carbonatos pueden precipitar cuando la concentración de acido
carbónico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye, y si
el acido 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.
b) Dureza permanente
La dureza residual se conoce como dureza no carbónica o
permanente. La dureza permanente 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 mas solubles mientras
sube la temperatura hasta cierto valor, luego la solubilidad disminuye
conforme aumenta la temperatura. Puede ser eliminada utilizando el
metodo SODA (sulfato de sodio).
Otra explicación es que la cantidad de dureza en exceso de la
carbonatada se le llama dureza de no carbonatos y se distingue como
permanente, es decir, no puede eliminarse por agitación térmica, sino
que son necesarios procesos químicos para eliminarla del agua.
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Las aguas que poseen esta dureza pueden ablandarse añadiendo
carbonato de sodio y cal, o filtrándolas a traves de ceolitas naturales
o artificiales que absorben los iones metálicos que producen la
dureza, y liberan iones sodio en el agua. Los detergentes contienen
ciertos agentes separadores que inactivan las sustancias causantes de
la dureza del agua.
El hierro, que produce un sabor desagradable en el agua potable,
puede extraerse por medio de la ventilación y sedimentación, o
pasando el agua a traves de filtros de ceolita. También se puede
estabilizar el hierro añadiendo ciertas sales, como los poli fosfatos.
El agua que se utiliza en los laboratorios, se destila o se
desmineraliza pasándola a traves de compuestos que absorben los
iones.
3.2.2.- Grados de la dureza del agua
El grado de dureza es una medida de la concentración total, en peso, del
contenido de iones Ca2+ y Mg2+, expresada como equivalente de
carbonato de calcio y usualmente medida en partes por millón o miligramos
por litro. El siguiente ejemplo ilustra como la dureza expresada como
equivalente de carbonato de calcio es calculada para un agua que contiene
285 ppm de Ca y 131 ppm de Mg. Existen grados de dureza del agua
americanos, franceses, alemanes e ingleses que a continuación se
mencionan con sus equivalencias en mg CaCO3/l de agua.
Grado americano (a°): Equivale a 17,2 mg CaCO3/l de agua.
Grado francés (°f): Equivale a 10,0 mg CaCO3/l de agua.
Grado alemán (Deutsche Harte, °dH): Equivale a 17,9 mg CaCO3/l
de agua.
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Grado ingles (°e) o grado Clark: Equivale a 14,3 mg CaCO3/l de
agua.
3.2.3.- Clasificación de la dureza del agua
La clasificación de la dureza del agua según los diferentes grados
hidrotimétricos y su equivalencia en mg CaCO3/l de agua: Grado
americano (a°), Grado francés (°f), Grado alemán (Deutsche Harte, °dH) y
Grado ingles (°e) o grado Clark; es la siguiente:
TIPOS DE
AGUA
aº ºf ºdH ºe
Agua blanda ≤ 17 ≤1.7 ≤0.98 ≤1.19
Agua levemente
dura
≤ 60 ≤6 ≤3.35 ≤4.20
Agua
moderadamente
dura
≤ 120 ≤12 ≤6.70 ≤8.39
Agua dura ≤180 ≤18 ≤10.05 ≤12.59
Agua muy dura >180 >18 >10.05 >12.59
En muchos países se clasifica la dureza del agua en mg/l CaCO3 según los
Siguientes valores:
Dureza (mg/l CaCO3) Tipos de agua
0 – 75 Agua blanda
75 – 150 Agua semi-dura Agua semi-dura
150 – 300 Agua dura
mas de 300 Agua muy dura
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CONCECUENCIAS DEL AGUA DURA
Ahora sabemos que el agua dura es aquella que contiene una elevada
Concentración de variados compuestos minerales, principalmente
carbonatos de calcio y magnesio. La precipitación de estas sales se observa
generalmente cuando el agua es calentada, aunque también se da en agua
fría, generando una incrustación dura que se conoce comúnmente como
SARRO.
La dureza es indeseable en algunos procesos, tales como el lavado
domestico e industrial, provocando que se consuma mas jabón, al
producirse sales insolubles e incrustaciones en los tanques de caldera.
Cuando se lava con jabón empleando aguas naturales, se forma un
precipitado debido a la presencia de calcio, magnesio y hierro. Los iones de
calcio de esta agua dura se unen con los iones estearato y oleato del jabón
disuelto, para formar sales insolubles, este proceso gasta el jabón y produce
un sólido grumoso indeseable que permanece en la ropa. En consecuencia
es conveniente eliminar los iones calcio del agua, para usarse en
lavanderías cuando el agua dura es usada en calentadores de agua se
presenta una acción indeseable similar, el dióxido de carbono se desprende
a altas temperaturas, y produce un deposito de sales de calcio o magnesio
en el interior del calentador. Esto puede obstruir los tubos y también
reducir la conductividad térmica.
Asimismo, el agua dura empleada como vehículo en la aplicación de
herbicidas puede afectar adversamente la emulsibilidad y dispersión del
herbicida en el vehículo y en consecuencia en su fitotoxicidad.
El verdadero problema del agua dura con respecto al uso y efectividad de
herbicidas radica en que los iones, en especial Ca++ , Mg++ y Fe+++
reaccionan con las sales de los herbicidas y con algunos surfactantes para
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formar sales insolubles, las cuales precipitan, removiendo el herbicida o
surfactante de la solución (casos de glifosato, 2,4-D sal, 2,4-DB sal). La
mayor ventaja sobre los jabones, derivada de los detergentes anicónicos
sintéticos, es la elevada solubilidad de las sales que ellos forman con los
iones del agua dura. Los jabones reaccionan con estos iones formando sales
insolubles que precipitan.
Como se explico el término agua dura proviene del hecho de que no
produce espuma con el jabón por lo que dificulta la limpieza, formando un
residuo duro y grisáceo en las superficies, telas, piel y cabello cuando se
realiza el lavado. Otra forma de evidenciar los problemas con el agua dura
es la formación de SARRO en todas las superficies en contacto con el
líquido.
El Código Alimentario Argentino establece una dureza máxima de 400
ppm medidas como miligramos de Carbonato de Calcio por litro de agua,
para que el agua sea potable. Sin embargo, los problemas relacionados con
el sarro se observan con valores muy inferiores al mencionado.
El sarro genera grandes pérdidas económicas porque obstruye y deteriora
cañerías, calderas, calefones, termotanques, lavarropas, lavavajillas,
cafeteras, torres de refrigeración y cualquier otro sistema o
electrodomestico que utilice agua caliente y mancha y dificulta la limpieza
de Griferia, vajilla, utensilios, vidrios, ropa, bachas, piscinas, jacuzzis,
cerámicas, bañeras, etc. En calderas y sistemas enfriados por agua, se
producen incrustaciones en las tuberías y una perdida en la eficiencia de la
transferencia de calor.
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En muchos casos la dureza también le da un sabor indeseable al agua
potable. Grandes cantidades de dureza son indeseables por las razones
antes expuestas y debe ser removida antes de que el agua tenga uso
apropiado, en particular para las industrias de bebidas, lavanderías,
acabados metálicos, tenidos y textiles entre otras.
La mayoría de los suministros de agua potable tienen un promedio de 250
mg/l de dureza. Niveles superiores a 500 mg/l son indeseables para uso
domestico.
4.1.- Eliminación de la dureza
Si ya se ha formado la dureza hay productos antical, aunque un método
muy válido para diluir los carbonatos es aplicar un acido débil (acético,
cítrico, etc.) en los depósitos. El proceso de reducción de la dureza del agua
se denomina ablandamiento del agua.
El ablandamiento más usado es la de “adición de carbonato sódico”, que
conlleva la eliminacion de Ca2+ mediante la reacción:
Ca2+ (aq) + CO-23 (aq)→ CaCO3 (precipitado)
Un proceso para la eliminación de la dureza del agua, es la descalcificación
de esta mediante resinas de intercambio iónico. Lo más habitual es utilizar
resinas de intercambio cationico que intercambian iones sodio por los iones
calcio y magnesio presentes en el agua.
Cuando se utiliza el intercambio iónico para recuperar plata, el complejo de
tiosulfato de plata, de carga negativa, que se encuentra en el agua de lavado
o en una mezcla de aguas de lavados residuales, se intercambia con el
anión de la resina. A esto se le llama paso de agotamiento, y se realiza
haciendo fluir la solución a traves de una columna que contiene la resina.
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La cantidad de dureza en exceso de la carbonatada, conocida como dureza
de no carbonatos que se distingue como permanente, es decir, no puede
eliminarse por agitación térmica, sino que son necesarios procesos
químicos para eliminarla del agua.
Entre estos procesos se pueden mencionar el ablandamiento con cal, cal-
soda e intercambiadores iónicos como ciertas resinas.
4.1.2.- 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
4.1.3.- Intercambio iónico convencional
La unidad de intercambio iónico colecta la plata del blanqueador-fijador.
Después se relava con tiosulfato de amonio [(NH4) 2S2O3)] y, luego se
desplata electrolíticamente. El efluente que sale de la unidad de desplatado
se usa entonces para la siguiente etapa de relavado.
4.14.- Intercambio iónico con precipitación in situ
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Se utiliza acido sulfúrico diluido para que la plata se precipite en los trozos
de resina como sulfuro de plata, en vez de extraerla con un regenerador. La
resina puede usarse en muchos ciclos sin que pierda su capacidad de
recuperar plata. Cuando finalmente la pierde (al cabo de seis meses a un
ano), o cuando la plata es insuficiente para que la recuperación sea
rentable, la resina se envía a un refinador de plata, que la incinera para
extraer el metal.
4.1.5.- Sistema electrolítico e intercambio iónico combinados
Este método usa un sistema electrolítico para la recuperación primaria, y un
sistema de intercambio iónico con precipitación in situ para desplatar aun
más el efluente.
4.1.6.- Procesos catiónicos y aniónicos en intercambiadores iónicos
Las formas de suavizado del agua basadas en la utilización de
“intercambiadores iónicos” o “resinas de intercambio iónico” que son
resinas artificiales que están formadas por una red orgánica gigante con
numerosos grupos ácidos o básicos. Los intercambiadores iónicos han sido
ampliamente utilizados en la industria para la eliminación de iones que por
su presencia pudieran provocar fenómenos o reacciones perjudiciales, ya
sea por formación de precipitados, sabores, coloraciones y obstrucción de
tuberías, roturas por calentamiento, corrosión, etc. Estos intercambiadores
también se han utilizado en aplicaciones domesticas, descalcificaciones de
aguas potables utilizadas en planchas o deionización de aguas de la red
pública y de hecho se conocen múltiples cartuchos y aparatos que se
venden en el mercado cuyo fin es “ablandar” el agua.
En las resinas existen iones unidos a los grupos funcionales, que no se
encuentran químicamente enlazados, sino que están unidos por atracción
electrostática.
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Estos iones pueden ser reemplazados por otros del mismo signo que
presenten una mayor atracción electrostática. En función del signo de estos
iones, positivo o negativo, se habla de resinas cationicas o anionicas,
respectivamente.
Si se deja que un intercambiador de iones acido se hinche en el seno del
agua se forman iones H3O+, los cuales quedan enlazados al resto o red
cargada negativa. En los cargadores de iones de tipo básico se producen
iones OH- de forma correspondiente.
Si se deja pasar una disolución con diferentes cationes y aniones, primero a
traves de un cambiador de tipo acido y después a traves de uno básico, se
quedaran los cationes, en lugar de los iones H3O+ (“resina catiònica”),
mientras que en los cambiadores de tipo básico (“resina aniònica”) son
intercambiados los aniones por iones OH-. Como los iones H3O+ se
combinan con los iones OH- de acuerdo con el producto iónico del agua,
esta llega a quedar completamente libre de electrolitos, como consecuencia
de tal intercambio.
_ Proceso de una resina catiònica:
2RZ-SO3-H+ + Ca2+ == (RZ-SO3-)2Ca2+ + 2H+
_ Proceso de una resina aniònica:
RZ-N+(CH3)3OH- + Cl- == RZ- N+(CH3)3Cl- + OH-
_ Si sumamos los procesos obtenemos:
2H+ + 2OH- == 2H2O
Asi pues lo que se obtiene es una des ionización. Sin embargo las resinas
pueden actuar de forma independiente. En el caso de aguas duras, el
objetivo es la eliminación de cationes, por lo que se debe aplicar una resina
catiònica. Para este caso las resinas más usadas son las que cuentan con
iones Na+ y el proceso correspondiente es:
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2RZ- SO3-Na+ + Ca2+ == (RZ-SO3-) 2Ca2+ + 2Na+
Estas resinas pueden ser regeneradas colocándolas en una solución de NaCl
concentrada para desplazar el equilibrio hacia la izquierda. O bien se
pueden usar resinas cationicas donde el catión que se intercambia es el
protón. La regeneración de estas resinas se debe hacer colocándolas en un
medio acido fuerte, normalmente HCl, que desplazan el equilibrio en
sentido inverso.
Detalle de las esferas de resina de intercambio iónico y aniònica.
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BIBLIOGRAFÌA
1.- TRATAMIENTO DE AGUA PARA CALDERAS, THERMAL
ENGINEERING LTDA, Providencia 2133, Of. 207, Santiago, Chile.
2.-LA DUREZA DEL AGUA, Sergio Alejandro Rodríguez, Editorial de la
Universidad Tecnológica Nacional, 2010.
3.- CALIDAD DE AGUA PARA GENERADORES DE VAPOR
TABLA DE CONTENIDOS, SisteAgua, Monterrey: Físicos #207,
Tecnológico, Monterrey.
4.- YANEZ Enrique. “Tratamiento de Aguas en Calderas de Vapor”.
Quimicamp del Ecuador Cía. Ltda. Compuestos Químicos Industriales. Pg.
4-50.
5.- TRATAMIENTO QUÍMICO INTEGRAL PARA
CALDERAS Y CALDERETAS, Ing. Martin Cervantes Lima, PROY-
NRF-277-PEMEX-2011.
6.- TRATAMIENTO DE AGUAS PARA USO INDUSTRIAL, Prof.
Yoana Castillo, Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Escuela
de Ingeniería Química Dpto. de Operaciones Unitarias y Proyectos.