Práctica No. 4 “Cloración del Agua Residual” Objetivo Obtener la demanda de cloro y el punto de quiebre para una muestra de agua residual cruda, y observar las variables que participan en la cloración. Introducción Desinfección es el proceso donde los microorganismos patógenos pero no sus esporas, son destruidos. El cloro es usado como desinfectante para el control de microorganismos en aguas de consumo humano, aguas residuales, piscinas, lodos, etc., para el control de olores y sabores, oxidación de sulfuros, hierro, cianuro y manganeso, remoción de amoniaco y color orgánico. La popularidad del cloro como desinfectante se debe a las siguientes razones:
Disponible como gas, líquido o en forma granular. Es relativamente barato. Es fácil de aplicar, debido a su alta solubilidad. Alta toxicidad para los microorganismos causantes de enfermedades hídricas. Deja un residual en solución.
Sus ventajas son:
Gas venenoso que requiere precaución en su manejo. Es altamente corrosivo en solución. En presencia de fenoles forma clorofenoles, los cuales dan origen a problemas de olores. Forma con algunas sustancias orgánicas trihalometanos, son agentes cancerígenos.
En potabilización y tratamiento de aguas el cloro se usa como gas (𝐶𝑙2 ) generando a partir de la vaporización de cloro líquido almacenado bajo presión en cilindros; como líquido, comúnmente hipoclorito de sodio, y como sólido, comúnmente hipoclorito de alto grado o hipoclorito de calcio. El cloro elemental gaseoso y el líquido reaccionan con el agua de la siguiente forma: 𝐶𝑙2 + 𝐻2 𝑂 = 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝐻 + + 𝐶𝑙 − Para concentraciones de cloro menores de 1000 𝑚𝑔⁄𝑙 , la hidrólisis es completa si el pH es mayor de 3. La adición de cloro gaseoso al gua bajará su alcalinidad y consecuentemente su pH debido a la producción del ácido fuerte,𝐻𝐶𝑙 y del ácido hipocloroso 𝐻𝑂𝐶𝑙.
El ácido hipocloroso se ioniza para formar ion hipoclorito: 𝐻𝑂𝐶𝑙 ↔ 𝑂𝐶𝑙 − + 𝐻 + La disociación del ácido hipocloroso depende de la concentración del ion hidrógeno, o sea del pH, como se muestra en la tabla: pH Residual predominante Menor de 6 𝐶𝑜𝑙 7.7 𝐻𝑂𝐶𝑙 𝑦 𝑂𝐶𝑙 Mayor de 9 𝑂𝐶𝑙 Las especies 𝐻𝑂𝐶𝑙 𝑦 𝑂𝐶𝑙 en el agua constituyen lo se denomina cloro libre disponible o residual libre. Si el cloro se dosifica como hipoclorito de sodio se tiene: 𝑁𝑎𝑂𝐶𝑙 ↔ 𝑁𝑎+ + 𝑂𝐶𝑙 − y 𝑂𝐶𝑙 − + 𝐻2 𝑂 ↔ 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝑂𝐻 − Si el cloro se agrega como hipoclorito de calcio: 𝐶𝑎 (𝑂𝐶𝑙 )2 ↔ 𝐶𝑎 ++ + 2𝑂𝐶𝑙 − y 2𝑂𝐶𝑙 − + 2𝐻2 𝑂 ↔ 2𝐻𝑂𝐶𝑙 + 2𝑂𝐻 − Si se mide el cloro aplicado en agua que contiene agentes reductores, amoniaco y aminas orgánicas, se puede construir una gráfica de la dosis contra los residuales obtenidos llamada curva de demanda de cloro, en la que se observa un incremento inicial en los residuales de cloro seguido de una declinación y de otro incremento a partir de un punto conocido como punto de quiebre. Inicialmente se satisface la demanda inmediata de cloro, y éste reacciona con los agentes reductores presentes y no forma un residual detectable, después ésta reacciona con todo el amoniaco y las aminas orgánicas presentes, a continuación se presenta la destrucción de las cloraminas, que reduce el cloro residual y es acompañada por la formación de óxido nitroso, nitrógeno y tricloruro de nitrógeno. Una vez completa la oxidación de los compuestos susceptibles de ser oxidados por cloro, todo el cloro agregado desarrolla un residual de cloro libre.
Cálculos y Resultados
Muestra
𝒕 (𝒎𝒊𝒏)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
𝒎𝒍 𝒔𝒐𝒍𝒖𝒄𝒊ó𝒏 𝒄𝒍𝒐𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓𝒂 𝟏𝟖𝟒 (𝒎𝒈⁄𝒍) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Equipo 1 𝒎𝒍 𝒅𝒆 𝒕𝒊𝒐𝒔𝒖𝒍𝒇𝒂𝒕𝒐 𝟎. 𝟎𝟏 𝑵 ------------0.4 0.9 1.5 1.7 2.2 2.8 3.4 4.2 4.4
Equipo 2 𝒎𝒍 𝒅𝒆 𝒕𝒊𝒐𝒔𝒖𝒍𝒇𝒂𝒕𝒐 𝟎. 𝟎𝟏 𝑵 0.5 0.7 2.2 1.5 2.3 2.9 3.0 3.6 4.5 4.7
Cloro inicial Donde: 𝐶: Concentración normal de la solución cloradora 𝑣: Volumen de la solución cloradora en 𝑚𝑙
𝐶×𝑣 𝐶𝑙𝑖 = 100 + 𝑣
Cloro final
𝐶𝑙𝑓 =
Donde: 𝑁: Concentración normal del tiosulfato de sodio 𝑁𝑎2 𝑆2 𝑂3 𝑣: Volumen utilizado de tiosulfato en 𝑚𝑙 35 450: Factor de conversión de unidades a 𝑚𝑔⁄𝑙
𝑁 × 𝑉 × 35 450 100
Justificación de resultados de la tabla, realizando los cálculos respectivos para la muestra número 3. Cloro inicial 𝐶𝑙𝑖 =
𝐶×𝑣 184 × 3 = 100 + 𝑣 100 + 3
𝑪𝒍𝒊 = 𝟓. 𝟑𝟓𝟗 (𝒎𝒈⁄𝒍) Cloro final Equipo 1 𝐶𝑙𝑓 =
Equipo 2
𝑁 × 𝑉 × 35 450 0.01 × 0.9 × 35 450 = 100 100
𝐶𝑙𝑓 =
𝑁 × 𝑉 × 35 450 0.01 × 2.2 × 35 450 = 100 100
𝑪𝒍𝒇 = 𝟑. 𝟏𝟗𝟏 (𝒎𝒈⁄𝒍)
𝑪𝒍𝒇 = 𝟕. 𝟕𝟗𝟗 (𝒎𝒈⁄𝒍)
Equipo 1 Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Solución Cloradora (ml) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tiosulfato (ml) ------------0.4 0.9 1.5 1.7 2.2 2.8 3.4 4.2 4.4
Cloro inicial (mg/l) 1.822 3.608 5.359 7.077 8.762 10.415 12.037 13.630 15.193 16.727
Cloro final (mg/l) -------1.418 3.191 5.318 6.027 7.799 9.926 12.053 14.889 15.598
Demanda de cloro (mg/l) ----------2.190 2.169 1.759 2.735 2.616 2.111 1.577 0.304 1.129
Solución Cloradora (ml) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tiosulfato (ml) 0.5 0.7 2.2 1.5 2.3 2.9 3 3.6 4.5 4.7
Cloro inicial (mg/l) 1.822 3.608 5.359 7.077 8.762 10.415 12.037 13.630 15.193 16.727
Cloro final (mg/l) 1.773 2.482 7.799 5.318 8.154 10.281 10.635 12.408 15.953 16.662
Demanda de cloro (mg/l) 0.049 1.126 -2.440 1.759 0.608 0.135 1.402 1.222 -0.760 0.066
Equipo 2 Muestra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Demanda de Cloro 18 16
Cloro final (mg/l)
14 12 10 Equipo 1
8
Equipo 2
6 4 2 0 0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
18.000
Cloro inicial (mg/l)
Punto de Quiebre Equipo 1 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑙𝑜𝑟𝑜 = 𝐶𝑙𝑜𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝐶𝑙𝑜𝑟𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 8.762 − 6.027 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑙𝑜𝑟𝑜 = 2.735 (𝑚𝑔⁄𝑙 ) Muestra 5
Solución Cloradora (ml) 5
Tiosulfato (ml) 1.7
Cloro inicial (mg/l) 8.762
Cloro final (mg/l) 6.027
Demanda de cloro (mg/l) 2.735
Equipo 2 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑙𝑜𝑟𝑜 = 𝐶𝑙𝑜𝑟𝑜 𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝐶𝑙𝑜𝑟𝑜 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙 = 7.077 − 5.318 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑙𝑜𝑟𝑜 = 1.759 (𝑚𝑔⁄𝑙 ) Muestra 4
Solución Cloradora (ml) 4
Tiosulfato (ml) 1.5
Cloro inicial (mg/l) 7.077
Cloro final (mg/l) 5.318
Demanda de cloro (mg/l) 1.759
Análisis de Resultados Con los datos obtenidos se observa que al inicio e la gráfica el cloro residual es de 1.773 mg/l (valor obtenido de la muestra del equipo 2), por lo cual se puede deducir que el cloro está reaccionando con los componentes del agua residual. En la gráfica se observa que el comportamiento de la demanda de cloro para las muestras de los equipos tiende a ser diferentes en algunos puntos. En cuanto a la muestra del equipo 2 se presentan dos picos y en la muestra del equipo 1 difícilmente se puede apreciar un pico. Esto se debe a la diferencia de titulación entre ambos equipos. Al final se presenta una formación de cloro libre y esto puede verse en la gráfica de demanda de cloro, a partir del valor 7 mg/l de cloro inicial, comienza a formarse cloro residual libre para las muestras de los dos equipos, esto quiere decir se han completado las reacciones de oxidación de las sustancias orgánicas y el cloro sobrante, al no tener materias orgánicas con las que combinarse este queda libre.
Conclusiones Es importante realizar los cálculos con una considerable precisión para la dosis de cloro necesaria que se requiere para el tratamiento de aguas residuales, de acuerdo al volumen de agua que se trata, las concentraciones con las que llega a la etapa de cloración. Esto tiene como finalidad de hacer eficiente y optimizar el proceso y los recursos económicos con los que se desarrollará un proyecto de tratamiento de aguas y de mejor forma en la operación de la planta. Cabe destacar que la variación de la curva depende de las características del agua residual que se analiza. De esta manera podemos constatar que ninguna muestra será igual y por lo tanto difícilmente se presentará el mismo comportamiento.
Actividades y problemas propuestos 1.- Investigue sobre tres desinfectantes empleados y describa las ventajas y desventajas de cada uno. Entre los agentes químicos de desinfección más utilizados, se destacan el cloro elemental gaseoso, el hipoclorito, la mezcla de cloro con amoníaco que forma cloramina, el dióxido de cloro, el ozono y el permanganato de potasio. También se utiliza extensamente la luz ultravioleta. Se han desarrollado también métodos que se basan en la generación de oxígeno singlete por absorción de radiación por un colorante, la irradiación con rayos gamma y la fotocatálisis heterogénea.
En la siguiente tabla se muestran los efectos bactericidas y remanentes de algunos de los tratamientos de aguas y aire. Tipo 𝑶𝟑 𝑪𝒍𝟐 𝑪𝒍𝑶𝟐 Cloraminas UV Colorante/luz visible Irradiación 𝜸 𝑼𝑽/𝑻𝒊𝑶𝟐
Efecto bactericida +++ ++ ++ + ++ + +++ Esterilización
Efecto remanente 0 + + ++ 0 En estudio +++ En estudio
Las cloraminas se forman por reacción del cloro con amoníaco. De las varias especies formadas en esta reacción la monocloraminas (𝑁𝐻2 𝐶𝑙 ) es la activa para la desinfección de agua potable. En comparación con otros desinfectantes menos eficientes para la inactivación de virus y protozoarios, la mecla cloro-amoníaco provee un efecto residual que la hace útil como desinfectantes secundarios, para evitar el crecimiento biológico en los tanques de almacenamiento y puntos finales de redes. En sistemas donde se utiliza la cloroaminación la presencia de triclorometano es muy baja. El dióxido de cloro también es un oxidante eficiente. Se obtiene normalmente por reacción del 𝐶𝑙2 , 𝐻𝐶𝑙𝑂 𝑜 𝐻𝐶𝑙2 con el clorito de sodio. Puede obtenerse también por reacción de clorato de sodio, 𝑁𝐴𝐶𝑙𝑂3 con 𝐻𝐶𝑙. Debe producirse in situ, ya que el gas es explosivo a altas presiones, y no puede comprimirse ni transportarse de causar anemia. El 𝐶𝑙𝑂2 es efectivo en la destrucción de patógenos como Giardia y Cryptosporidium. El ozono al igual que el dióxido de cloro, es inestable y no puede ser transportado ni almacenado y, por lo tanto debe ser producido in situ. Las especies oxidantes son el propio 𝑂3 o los radicales hidroxilos. En comparación con 𝐶𝑙2 , 𝐶𝑙𝑂2 y las cloraminas es muy eficiente en bajas concentraciones, y más efectivo en la inactivación de patógenos, incluyendo bacterias, protozoarios y virus. También sólo debe ser utilizado como desinfectante primario, pues no tiene efecto residualen agua. El 𝑂3 no forma subproductos de desinfección (SPD) organoclorados pero pueden aparecer compuestos bromados si el agua contuviera bromuros, además de otros productos orgánicos tales como aldehídos o cetonas. El permanganato (𝑀𝑛𝑂4 ) se obtiene a partir de dióxido de manganeso (𝑀𝑛𝑂2 ). Se trata de un compuesto bastante oxidante, y es utilizado principalmente en el control de olor y sabor, remoción de color y control de crecimiento de microorganismos en estaciones de tratamiento de aguas. También remueve hierro y manganeso, y puede ser útil en la remoción y en el control de precursores de THM y otros subproductos antes del uso de otros desinfectantes. El permanganato de potasio inhibe el crecimiento de bacterias. 2.- ¿Cuál es la diferencia entre cloro libre y cloro combinado?
El cloro libre es cloro que está disponible para mezclarse con contaminantes en el agua para desinfectar y esterilizar el agua. El cloro que se agrega a una piscina es cloro libre en que aún no se ha a nitratos, amoníaco u otros compuestos en el agua sicua de pileta. El cloro viene en forma granulada llamada hipoclorito de calcio o en forma líquida llamada hipoclorito de sodio. Cualquiera de estas formas se usa para mezclarse con impurezas que contaminan la pileta. El cloro combinado es el cloro después de mezclarse con contaminantes. En este estado, ya no puede seguir con su efecto desinfectante. Ha hecho su trabajo y debe esperar a que el cloro adicional llegue para seguir desinfectando ela gua. Este cloro combinado, llamado cloraminas, es lo que les da a las piletas de natación su característico olor a cloro. Aunque la gente piensa que esta condición está causada por mucho cloro, en realidad significa que no hay cloro suficiente, de acuerdo con el escritor de PoolSpa, David Dickman. 3.- ¿A qué se denomina cloración a punto de quiebre? La cloración sobre el punto de quiebre consiste en añadir al gua tanto cloro como sea necesario para oxidar todo el amoniaco presente, dejando además un residual de cloro libre, formando por HClO y ClO-. La razón principal para añadir cloro suficiente hasta obtener cloro residual libre, es que la desinfección desde el punto de vista germicida, se logrará con toda seguridad. La curva de cloración sobre el punto de quiebre pasa por un máximo debido a la formación de cloraminas y después baja a un valor mínimo denominado “Break point” o punto de quiebre, donde las cloraminas se destruyen completamente por efecto del exceso de cloro. La adición de cloro más allá del Break point dará como resultado un aumento proporcional del cloro libre disponible, que indica que la demanda ha sido satisfecha. Esta curva es dependiente de cada tipo de agua.
Referencias Bibliográficas
CÉSAR VALDEZ Enrique y VÁZQUEZ GONZÁLEZ Alba; “Ingeniería de los Sistemas de Tratamiento y Disposición de Aguas Residuales”; Fundación ICA; Facultad de Ingeniería, UNAM; México, 2002.
METCALF Y EDDY; “Ingeniería sanitaria. Tratamiento, evacuación y reutilización de aguas residuales”; Segunda edición; Ed. Labor S.A
CRITES Ron y TCHOBANOGLOUS George; “Tratamiento de aguas residuales en pequeñas poblaciones”; Ed. McGraw Hill; 2000.
STEEL Ernest W. y MCGHEE Terence J.; “Abastecimiento de agua y alcantarillado”; Ed. Gustavo Gili; 1995.
