Los gases mejoran la calidad del agua potable
El agua es el alimento más importante y con el control más estricto A partir de la incorporación de las directrices de la UE sobre el agua potable en la legislación nacional (RD140/2003), volvieron a aumentar los requisitos relativos a la calidad. Así, se redujeron los límites para algunos metales pesados y otras sustancias no deseadas, como son los compuestos halógenos.
Esto significa, entre otros, que la composición química del agua potable debe impedir la corrosión de las canalizaciones públicas y privadas. Los gases desempeñan un papel fundamental en los diversos procedimientos del tratamiento del agua potable (figura 2). Como componentes naturales del agua potable, permiten realizar procesos rentables y respetuosos con el medio ambiente que mejoran su calidad, sin productos derivados ni contaminantes no deseados. A continuación presentaremos los tratamientos más importantes en los que se utilizan gases. Un factor muy importancia: el valor pH adecuado
El agua potable de buena calidad no debe ser corrosiva ni formar incrustaciones. Además, el valor del pH del agua debe estar compensado con el grado de dureza (figura 3).
Figura 1: Al agua potable, nuestro alimento más impor- tante, se le imponen requisitos muy exigentes. Los gases ayudan a cumplirlos.
Otra novedad es que las empresas suministradoras de agua deben garantizar que estos límites se mantengan hasta el mismo grifo del consumidor (figura 1).
Denominación
Área de dureza
La dureza es una calidad natural del agua que se debe a los iones de calcio y magnesio contenidos en la misma. Si bien un grado de dureza concreto es sano, debido a que el agua contiene unos determinados minerales y protege contra la corrosión, un contenido demasiado alto en calcio puede resultar negativo para algunos consumidores. Cuando esto ocurre, los electrodomésticos que calientan agua deben descalcificarse con frecuencia. Además, cuando el agua contiene un alto grado de dureza, se requieren mayores cantidades de jabón y agentes tensioactivos en las tareas de lavado y limpieza en general. Por lo tanto, el agua con una dureza media es considerada la óptima para aguas potables. Si el agua es muy blanda, siempre será necesario que se endurezca, evitando de esta manera que se produzca corrosión en las tuberías.
Grado de dureza
Muy blanda
1
< 5 °F
Blanda
2
5- 10 °F
Media
3
10 - 20 °F
Dura
4
20 - 30 °F
Muy dura
5
> 30 ºF
Embalse
Río
Agua subterránea
O2
Filtración con arena
Ultrafiltración
CO2 Oxidación y Filtración
Ozono
CO2
Osmosis inversa
Floculador O2
Descarboniz.
Oxidación y Filtración
Filtración
CO2
CO2 Regeneración
Lechada de cal
Carbón activo
Filtración
Cal CARIX®
Cal CO2
CO2
Mineralización Control de PH
Abastecimiento Figura 2: Durante el acondicionamiento del agua potable se utilizan gases en procedimientos muy diversos
Cada vez son más las estaciones de tratamiento de agua potable (ETAP) que realizan procedimientos de descalcificación de aguas duras y muy duras para producir agua que cumpla lo mejor posible los requisitos necesarios en las aplicaciones domésticas. Los procedimientos de ablandamiento se realizan mediante la descarbonización rápida en reactores de lecho fluido. En la entrada del reactor se introduce sosa cáustica o lechada de cal para aumentar el valor del pH (figura 4). Curva de equilibrio
Como consecuencia, la dureza cálcica soluble se convierte en dureza insoluble que precipita sobre las partículas de arenas fluidizadas. Estas reacciones invierten la tendencia al incremento del pH. Sin embargo, a la salida del reactor, la dureza residual y el pH del agua no suelen encontrarse en equilibrio, y la precipitación de carbonato de calcio puede continuar fuera del reactor provocando la formación de incrustaciones en tuberías y válvulas, así como una reducción de la vida útil de los filtros. Curva de equilibrio
Formación de incrustaciones
1. Neutralización mecánica 2. Adición de sosa cáustica 3. Descalcificación en el reactor 4. Control del pH 5. Adición de CO2 6. Adición de lechada de cal
Descalcificación Mineralización
Agua corrosiva Dureza cálcica Figura 3: Influencia del valor del pH en la calidad del agua potable
dureza deseada
Dureza cálcica
Figura 4: Descalcificación y mineralización del agua potable con CO 2 y lechada de cal.
Figura 5: Descarbonización rápida en el lecho f luidizado con adición de CO 2 en la salida del reactor
Para evitar esto, es preciso ajustar el valor del pH con un ácido, como puede ser el ácido carbónico. El ácido carbónico se forma al introducir dióxido de carbono en el agua, por lo que se logra el equilibrio entre el dióxido de carbono disuelto físicamente y los productos representados por el ácido carbónico, el carbonato de hidrógeno y el carbonato.
Todas estas formas de ácido carbónico son componentes naturales del agua, por lo que no alteran en modo alguno la calidad del agua potable. Messer instala sistemas de dosificación e introducción de CO2 que disuelven el CO2 en el agua a la salida del reactor de lecho fluidizado o poco antes, con lo que se evita una precipitación posterior de sales insolubles y se logra una protección eficaz contra la formación de incrustaciones de cal (figura 5).
• La adición de CO2 tiene mejores resultados en la calidad del agua potable que la adición de ácidos minerales. • El almacenamiento y el uso son procesos sencillos y seguros. No se produce corrosión en ninguna parte de la instalación. • El valor del pH se regula con más precisión, aun sin realizar una gran inversión (figura 6).
Fase I
Fase II
Fase III
Ácido Mineral
Rango de pH deseado
El dióxido de carbono es la elección adecuada
El dióxido de carbono presenta varias ventajas respecto a los ácidos minerales a la hora de ajustar el pH: • No se produce una salinización del agua, ya que las concentraciones de sulfatos y cloruros se mantienen, lo que resulta extremadamente importante para las propiedades químicocorrosivas del agua.
Adición de CO2 Figura 6: Comparación de las curvas de neutralización del CO 2 y de un ácido mineral
El curso menos pronunciado de la curva que se observa en el caso del CO2 indica que, incluso cerca de la neutralidad, la adición de dióxido de carbono sólo provoca un leve cambio en el valor del pH, lo que excluye prácticamente la posibilidad de que se produzca una sobreacidificación. Por lo tanto, aquí tampoco se precisa de una técnica de control compleja y complicada. Además, la dosificación continua de cantidades pequeñas y variables resulta más fácil en el caso de un gas que en el caso de un líquido y esto es especialmente importante en la regulación del valor del pH en tuberías con corrientes intensas. Mineralización y remineralización: un clásico en las aplicaciones de CO2
Las aguas sin depurar procedentes, por ejemplo, de embalses o pozos situados en regiones ricas en granito, sílice o basalto, pueden ser muy blandas y, por lo tanto, también corrosivas. Por otra parte, aumentan las cantidades de agua potable obtenida a través de procesos de desalación como la ósmosis inversa o la destilación. Estas aguas poseen una reducida alcalinidad y, por lo tanto, resultan corrosivas si no se someten a un acondicionamiento adecuado. Si se endurece ligeramente el agua a como mínimo 5 °F, puede evitarse la corrosión en la red de distribución y en las tuberías del consumidor. En la práctica, el grado de dureza se ajusta frecuentemente hasta 15ºF de modo que en la red de distribución pueda mezclarse agua potable procedente de varias estaciones de abastecimiento. El procedimiento más rentable para endurecer el agua es la disolución de lechada de cal con cantidades de CO2 que se encuentren en equilibrio con dicha lechada, con lo que se garantiza que toda la cal añadida pueda reaccionar para formar bicarbonato de calcio (figura 4).
Además, la regulación del valor del pH mediante la adición de CO2 ofrece ventajas en las ETAP en otros procedimientos de acondicionamiento: • En los procedimientos de separación mediante membrana, como la nanofiltración o la ósmosis inversa, la acidificación con CO2 evita el enclavamiento de las membranas por incrustaciones (es decir, la precipitación de sales insolubles no deseadas), incluso en el caso de aguas muy duras con 75 ºF, por lo que se mantiene un rendimiento constante. Como las membranas de ósmosis inversa no retienen el CO2, el agua tratada contiene ya buena parte del dióxido de carbono necesario para realizar el endurecimiento. • El CO2 sirve para regular el valor del pH previo a la etapa de coagulación-floculación. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH ligeramente básico. En la mayor parte de los casos, el agua sin depurar de ríos y pantanos se acondiciona primero con aluminatos y otros agentes para eliminar las partículas pequeñas y coloidales. El pH es un factor crítico en el proceso de coagulación. Siempre existe un intervalo de pH en el que el coagulante específico trabaja mejor, que coincide con el mínimo de solubilidad de los iones metálicos del coagulante utilizado. En caso de no alcanzarse un valor óptimo de pH, el aluminio de los aluminatos queda parcialmente disuelto, lo que puede evitarse si el valor del pH se regula con CO2. Además, en la etapa de floculación, las cada vez más restringidas adiciones de poliacrilamidas han hecho que las ETAP necesiten nuevos floculantes, tales como el POLIDADMAC o almidones modificados, que requieren un pH controlado.
Figura 9: Introducción de oxígeno a través de un agente oxidante antes de la desferrización/desmanganización
Oxidación
Las reacciones de oxidación se utilizan en varias etapas de purificación. La más extendida es la eliminación de hierro y manganeso. Las ETAP que acondicionan aguas subterráneas tienen que eliminar el hierro y manganeso para evitar que se produzcan incrustaciones en las tuberías. Como estas aguas subterráneas son pobres en oxígeno, contienen hierro y manganeso en una forma reducida y soluble. Tras enriquecer el agua con oxígeno, el hierro se oxida fácilmente en partículas de óxido de hierro que quedan retenidas en los filtros. Aquí, el manganeso reacciona también con oxígeno formando óxido de manganeso no soluble en el agua que queda retenido igualmente. Desde el punto de vista estequiométrico, la oxidación de hierro y manganeso sólo necesita cantidades reducidas de oxígeno, por lo que también podría realizarse con oxígeno atmosférico. No obstante, el procedimiento Oxysolv® de Messer, que utiliza oxígeno puro, resulta más rentable y presenta varias ventajas respecto al procedimiento con aire:
• La utilización de oxígeno en lugar de aire aumenta considerablemente el rendimiento del filtro entre dos regeneraciones. Esto significa que se realizan menos regeneraciones, lo que se traduce en un menor consumo de agua de regeneración y en una reducción de los costes de tratamiento y eliminación. En la aireación a presión con aire ambiental, el agua se satura de nitrógeno. El descenso de presión que se produce en el filtro provoca una exhalación del gas de nitrógeno. Las burbujas de gas se acumulan en el lecho del filtro y lo bloquean, lo que puede hacer necesaria una regeneración prematura. Frente a esto, el funcionamiento con oxígeno puro no se ve impedido por la presencia de nitrógeno. • El oxígeno evita que se produzca agua "blanca". Si se realiza una aireación a presión con oxígeno atmosférico, el nitrógeno se desgasea incluso en el grifo, lo que da lugar a un agua turbia en el domicilio del consumidor final. • Con oxígeno puro resulta fácil lograr un alto enriquecimiento de oxígeno de 20 mg/l o más. Esto resulta importante cuando el agua sin depurar contiene, además de hierro y manganeso, también amoníaco, metano o sulfuro de hidrógeno, puesto que su degeneración requiere una cantidad relativamente grande de oxígeno. • El oxígeno es limpio y de olor neutro, mientras que el aire, sobre todo en las inmediaciones de fábricas industriales o agrícolas, también provoca problemas higiénicos y olfativos. • Se reduce la pérdida de CO2 del agua blanda, puesto que se inyecta exactamente la cantidad de oxígeno necesaria y no puede producirse un escape de otros gases a través de grandes cantidades de aire. El CO2 existente puede utilizarse, por lo tanto, para realizar el endurecimiento consiguiente. La aireación con oxígeno puro resulta, pues, más rentable que la realizada con aire. La reducción en los costes de inversión y explotación, así como la eliminación o, al menos, la reducción significativa de los trabajos de limpieza y mantenimiento en los compactadores y desaireadores, hablan claramente a favor del uso del oxígeno. Ozono, el remedio universal
Cuando los métodos de limpieza tradicionales, como la floculación, la filtración y la cloración no resultan suficientes la oxidación con ozono (O3), agente fuertemente oxidante, es un remedio universal que además es respetuoso con el medio ambiente.
• El ozono oxida productos orgánicos que se degradan muy difícilmente y, con ello, mejora el color, la claridad, el olor y el sabor del agua. Con frecuencia se utiliza en combinación con carbono activo granulado para eliminar los pesticidas. El ozono "rompe" también los precursores del trihalometano, lo que resulta importante cuando se produce una cloración en la entrada al sistema de tuberías. • El ozono mejora la floculación. • El ozono, la forma triatómica del oxígeno, es inestable y, por lo tanto, debe generarse in situ (figura 10). En particular para instalaciones grandes y medianas, el oxígeno como producto de partida es más rentable que el aire, puesto que no se necesitan instalaciones de tratamiento costosas para secar y limpiar el aire. Además, con el oxígeno pueden conseguirse concentraciones de ozono mucho más altas en el producto (10-15 % en peso). En consecuencia, estos generadores e inyectores de ozono son más compactos, consumen menos energía y, por lo tanto, resultan mucho más rentables. De hecho, ésta es la razón por la que los modernos generadores de ozono trabajan siempre con oxígeno puro y los antiguos se han remodelado para funcionar igualmente con oxígeno puro. Figura 10: Los modernos generadores de ozono, como esta instalación de 3 kg, utilizan oxígeno puro.
El ozono reacciona dando oxígeno y productos de oxidación inocuos. Además, no se producen subproductos derivados ni cambios de sabor no deseados. El tratamiento con ozono puede mejorar la calidad del agua en muchos aspectos: • El ozono se utiliza para la desinfección, con frecuencia en combinación con luz UV. Es eficaz contra los virus y también mata a las bacterias. • El ozono se utiliza en la oxidación de hierro y manganeso cuando estos elementos están presentes en complejos de ácido húmico y, por lo tanto, ya no pueden ser oxidados por el oxígeno. • El ozono inhibe el crecimiento de las algas e impide la formación de lodos biológicos en las superficies.
Conclusión
A lo largo de toda la cadena de acondicionamiento (desde el pozo hasta el consumidor) se utilizan, en función de la calidad de partida del agua sin depurar, dióxido de carbono (regulación del valor del pH, descalcificación, endurecimiento) y oxígeno u ozono para procedimientos de oxidación y desinfección. Los científicos, ingenieros y técnicos de Messer disponen de una amplia experiencia en los procedimientos aquí presentados, así como de los conocimientos técnicos necesarios para aprovechar los gases de forma eficiente. Le asesoramos in situ y ofrecemos soluciones que abarcan la ingeniería, el hardware y el abastecimiento de gases. Nos avalan las más de 200 plantas de referencia que hemos instalado en las ETAP de toda Europa durante los últimos años.
Messer Ibérica de Gases, S.A. Autovía Tarragona-Salou, km.3,8 E-43480 Vilaseca (Tarragona) Tel. +34 977 309 500 Fax +34 977 309 501
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