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Características Fisicoquímicas - Libro Gratis

Características Fisicoquímicas - Libro Gratis

Carlos Alberto Severiche Sierra
Rosa Leonor Acevedo Barrios
José Del Carmen Jaimes Morales

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2.2 Características Fisicoquímicas

2.2.1 pH

La determinación del potencial de hidrógeno (pH) en el agua es una medida de la tendencia de su acidez o de su alcalinidad. Un pH menor de 7.0 indica una tendencia hacia la acidez, mientras que un valor mayor de 7.0 muestra una tendencia hacia lo alcalino. La mayoría de las aguas naturales tienen un pH entre 4 y 9, aunque muchas de ellas tienen un pH ligeramente básico debido a la presencia de carbonatos y bicarbonatos. El valor del pH en el agua, es utilizado cuando nos interesa conocer su tendencia corrosiva o incrustante (Mejía, 2005; Trujillo et al., 2008).

Un pH bajo también puede permitir a los elementos tóxicos y compuestos ser más móviles y disponibles para ser tomados por los organismos y plantas acuáticas. Esto puede producir condiciones que son tóxicas para la vida acuática, particularmente para las especies sensibles (Yan et al., 2007; Minaverry, 2014).

2.2.2 Turbiedad

La turbiedad mide el nivel de transmitancia de luz en el agua, y sirve como una medida de la calidad del agua en relación a materia suspendida coloidal y residual. En términos generales, no hay relación entre turbidez y concentración de sólidos suspendidos. La turbiedad varía de acuerdo a: i) la fuente de luz y el método de medición, ii) las propiedades de absorción de luz del material suspendido. Esto hace que se deba tener mucho cuidado al comparar valores de turbiedad de distintas referencias de la literatura. Sin embargo, en un mismo proceso o sistema los valores de turbiedad permiten analizarlo y controlarlo. En Colombia, generalmente se usa el método nefelométrico-2130 para medir la turbiedad. Este método permite comparar valores de distintas referencias de la literatura siempre y cuando se aplique con rigurosidad (Trujillo et al., 2014).

La turbiedad ha sido una característica ampliamente aplicada como criterio de calidad de agua, tanto en las fuentes de abastecimiento como en los procesos de potabilización y sistemas de distribución, ya que es una medición rápida, económica y de fácil interpretación para los operadores. Kawamura (2000) recomienda presedimentación para turbiedades del agua cruda superiores a 1000 UNT y establece 3000 UNT como valor máximo de turbiedad para tratamiento convencional (Montoya et al., 2011).

2.2.3 Conductividad

La conductividad eléctrica es la medida de la capacidad del agua para conducir la electricidad. El agua pura prácticamente no conduce electricidad; por lo tanto la conductividad que se puede medir será consecuencia de las impurezas presentes en el agua. El instrumento para medir la conductividad se llama conductivímetro, básicamente lo que hace es medir la resistencia al paso de la corriente entre dos electrodos que se introducen en el agua, y se compara para su calibrado con una solución tampón de CIK a la misma temperatura y 20 ͦ C (Ormaza, 2011).

El agua pura es un mal conductor de la electricidad pero cuando tiene sales disueltas puede conducirla en forma proporcional a la cantidad de sales presentes. Este concepto se usa para la medición de la salinidad en términos de conductividad eléctrica la cual se expresa en Siemens/metro (S.m-1) (García, 2012).

La medida de la conductividad es una buena forma de control de calidad de un agua, siempre que: 1. No se trate de contaminación orgánica por sustancias no ionizables. 2. Las mediciones se realizan a la misma temperatura. 3. La composición del agua se mantenga relativamente constante (Ros, 2011).

2.2.4 Alcalinidad

Según Glynn, Heinke 2000, citado por Castillo y colaboradores en 2009, la alcalinidad de un agua determina su capacidad para neutralizar ácidos, esta capacidad debe definirse para ciertos rangos de pH. Así la alcalinidad total (TAC “grado alcalímetro completo”) mide la capacidad de neutralización hasta pH = 4.5 y la alcalinidad a la fenolftaleína (TA “grado alcalímetro”) hasta pH = 8.3. En la mayoría de las aguas naturales la alcalinidad está producida prácticamente por los iones carbonato y bicarbonato aunque, en ocasiones, otros ácidos débiles como el silícico, fosfórico, bórico y ácidos orgánicos pueden contribuir de forma notable al desarrollo de esta propiedad (Castillo et al., 2009).

Contribuyen a la alcalinidad los iones bicarbonato, HCO3-, carbonato, CO3= y oxhidrilo, OH-, pero también los fosfatos y ácidos de carácter débil. Se mide por titulación con una solución valorada de un alcalino un ácido según sea el caso y estos dependen de la concentración de los iones hidroxilos (OH)-, carbonato (CO3)= y bicarbonato (HCO3-). Cuando la alcalinidad es menor de 10 ppm es recomendada para el uso doméstico. Se corrige por descarbonatación con cal; tratamiento con ácido o desmineralización por intercambio iónico (Pinos et al., 2011).

2.2.5 Dureza Total y Dureza Cálcica

Se entiende por dureza total, a la suma de carbonatos de calcio y magnesio presentes en el agua. De acuerdo a la clasificación proporcionada por la organización mundial de la salud (OMS) y la agencia de protección ambiental (EPA) citado por Rodas en 2010, se clasifican como aguas duras la que se encuentra dentro del rango de 150 a 300 mg/L de carbonato de calcio y magnesio; y agua muy duras la que están por encima de 300 mg/L (Rodas, 2010).

Aunque la dureza es causada por cationes, es con frecuencia discutida en términos de dureza de carbonato y no-carbonato. La dureza de carbonato y bicarbonato puede ser removida o precipitada de la solución por calentamiento. La dureza de no-carbonatos es causada por la asociación de los cationes con sulfatos, cloruros y nitratos. También se le conoce como dureza permanente porque no puede ser removida por calentamiento (Baccaro et al., 2006).

2.2.6 Sulfatos

Los sulfatos en el agua pueden tener su origen en el contacto de ella, con terrenos ricos en yesos, así como por la contaminación con aguas residuales industriales; el contenido de estos no suele presentar problemas de potabilidad en las aguas de consumo humano, pero contenidos superiores a 300 mg/L pueden causar trastornos gastrointestinales en los niños. Se sabe que los sulfatos de sodio y magnesio tienen acción laxante, por lo que no es deseable un exceso de los mismos en las aguas de consumo (Severiche & González, 2012).

Los sulfatos son minerales cuya unidad estructural fundamental son los grupos (SO4)-2, pudiendo estar enlazados entre sí por cationes de aluminio, sodio, calcio, potasio, magnesio y hierro. Son bastante comunes en la corteza terrestre y entre ellos destaca la anhidrita y el yeso (Moreno et al., s.f.).

2.2.7 Cloruros

Según el Iowa Department of Natural Resources, 2009, citado por García y sus colaboradores. El cloro (Cl2) es usualmente utilizado como desinfectante, sin embargo en combinación con un metal, como el sodio (Na), es esencial para la vida, dado que, pequeñas cantidades de cloruros son requeridas para la función celular en los seres vivos. El cloruro, en forma de ion Cl-, procede de fuentes naturales, aguas residuales y vertidos industriales (García et al., s.f.).

El cloro existe en forma de cloruros (Cl-) en todas las aguas naturales. Cuando alcanza altas concentraciones es tóxico para algunas plantas. Todos los cloruros comunes son solubles y aumentan el contenido total de sales (salinidad) de los suelos (Palacio et al., 2011).

Tienen la capacidad de proveer al agua un sabor salado y depende de la composición química del agua, si el catión presente en el agua que acompaña al cloruro es sodio, se presenta un sabor salado con una concentración de 250 mg/L, en cambio, si el catión predominante es el calcio y el magnesio el sabor puede estar ausente hasta concentraciones de 1000 mg/L. El ión cloruro en exceso en el agua afecta el crecimiento vegetal, también puede dañar estructuras metálicas y conducciones, además limita el uso del agua en actividades industriales y alimenticias (Panno et al., 2006).

2.2.8 Acidez

Es la cantidad de iones hidronio (H3O)+ en la muestra acuosa y se determina como la capacidad cuantitativa de una muestra de agua para reaccionar con una base fuerte hasta un pH de 8.3. La acidez se refiere a la presencia de sustancias disociables en agua y que como producto de disociación generan el ion hidronio (H3O+), como son los ácidos fuertes, ácidos débiles y de fuerza media; también la presencia de ciertos cationes metálicos como el Fe (III) y el Al (III) contribuyen a la acidez del medio (NMO, 2001).

En muchas aguas naturales, que se usan para propósitos potables, existe un equilibrio entre carbonato, bicarbonato y dióxido de carbono. Los contaminantes ácidos que entran a los abastecimientos de aguas en cantidad suficiente, pueden alterar el equilibrio carbonato - bicarbonato - dióxido de carbono y se pueden estimar por titulación con un álcali valorado a los virajes de pH de 3.7 y 8.3. Los iones hidrogeniones presentes en una muestra de agua como resultado de la disociación o hidrólisis de los solutos reaccionan a la adición de un álcali estándar (Severiche et al., 2013).

2.2.9 Cloro libre

El cloro es un producto químico relativamente barato y ampliamente disponible que, cuando se disuelve en agua limpia en cantidad suficiente, destruye la mayoría de los organismos causantes de enfermedades, sin poner en peligro a las personas. Sin embargo, el cloro se consume a medida que los organismos se destruyen. Si se añade suficiente cloro, quedará un poco en el agua luego de que se eliminen todos los organismos; se le llama cloro libre. El cloro libre permanece en el agua hasta perderse en el mundo exterior o hasta usarse para contrarrestar una nueva contaminación (OMS, 2009).

El uso de cloro como desinfectante es un método muy utilizado en todo el mundo para la potabilización de agua, esto se debe a su bajo costo y relativa facilidad de manejo y tiempo residual, sin embargo en la actualidad se ha comprobado la generación de subproductos nocivos para la salud durante el proceso de desinfección, entre los cuales están los trihalometanos que son generados en reacciones secundarias con la materia orgánica y se han comprobado como cancerígenos (Espinosa & González, 2009).

2.2.10 Hierro

El hierro es un metal maleable, de color gris plateado y que presenta propiedades magnéticas. Se encuentra en la naturaleza comúnmente formando parte de otros metales, y rara vez se encuentra en su estado puro. El hierro representa aproximadamente el 5% de la corteza terrestre, siendo de este forma uno de los elementos más abundantes de la naturaleza (SNMPE, 2013).

El hierro es un nutriente esencial en la dieta humana y no posee ningún riesgo en la salud. Sin embargo, altas concentraciones de hierro en el agua puede causar problemas con sedimentos en tuberías, sabor metálico, y problemas estéticos por manchas rojas en accesorios y ropa. El hierro puro es muy reactivo y se corroe rápidamente cuando es expuesto al aire; cuando el agua subterránea contiene hierro disuelto y es traída a la superficie, el hierro reacciona con el oxígeno y es convertido en visibles partículas de herrumbre rojo. En el agua potable es posible que se encuentre hierro si este es disuelto en tuberías de metal (Singler & Bauder, 2013).

2.2.11 Fosfato

El fósforo es uno de los elementos clave necesarios para el crecimiento de las plantas y animales. El fósforo en su forma elemental es muy tóxico y es bioacumulable. Los fosfatos (PO4) son formados de este elemento. Los fosfatos existen en 3 formas: ortofosfatos, metafosfatos (o polifosfatos) y fosfatos unidos orgánicamente. Cada compuesto contiene fósforo en una formula química diferente. La forma de ortofosfatos es producida por procesos naturales y son encontrados en aguas residuales. La forma de polifosfato, es utilizado para tratar aguas en contenedores y en detergentes. En el agua cambia a la forma de ortofosfato (De la Mora et al., 2013).

El fósforo es esencial para el crecimiento de los organismos y puede ser el nutriente limitador de la productividad primaria de un cuerpo en el agua. En los casos en que constituye el nutriente limitador del crecimiento, la descarga de aguas residuales brutas o tratadas, drenados agrícolas o ciertos residuos industriales a ese cuerpo de agua, puede estimular el crecimiento de micro y macroorganismos acuáticos fotosintéticos en grandes cantidades, lo cual puede alterar el balance de la vida en este medio (Romero, 2002).

2.2.12 Nitrito y Nitrato

Los nitritos son sales o ésteres del ácido nitroso (HNO2), en los nitritos inorgánicos se encuentra el anión NO2-. En la naturaleza los nitritos se forman por oxidación biológica de las aminas y del amoníaco o por reducción del nitrato en condiciones anaeróbicas. Los nitratos son sales o ésteres del ácido nítrico HNO3, en los nitratos está presente el anión NO3-. El nitrógeno en estado de oxidación +V se encuentra en el centro de un triángulo formado por los tres oxígenos. La estructura es estabilizada por efectos mesoméricos (Marín et al., 2003).

El ión nitrito puede estar presente en las aguas bien como consecuencia de la oxidación del NH3 o como resultado de la reducción microbiana o no de los nitratos. Su presencia en el agua debe considerarse como un indicio fundado de una posible contaminación reciente y tal vez de la no potabilidad del agua debido a la toxicidad de este ión. No obstante, la sola presencia de nitrito y amonio en el agua subterránea no debe ser considerada como resultado de una contaminación sin analizar las posibles causas de su presencia. Los nitratos pueden estar presentes en las aguas subterráneas bien como resultado de la disolución de rocas que los contengan, lo que ocurre raramente, bien por la oxidación bacteriana de materia orgánica. Su concentración en aguas subterráneas no contaminadas raramente excede de 10 mg/L (Fernández & Vázquez, 2006).

2.2.13 Aluminio

El aluminio es el metal más abundante en la corteza terrestre y está localizado fundamentalmente como complejos aluminio-silicato, los cuales liberan fácilmente Al3+, un ion fitotóxico que actúa sobre la acidificación del suelo. En suelos ácidos el aluminio es el elemento que más influye negativamente sobre la producción de las cosechas, afectando más del 40 % de la agricultura mundial. La respuesta de las plantas a la toxicidad por aluminio puede variar, dependiendo del grado de tolerancia que exhiba la especie en cuestión para este metal y de la concentración en que se encuentre este elemento en el medio (álvarez et al., 2005).

Es un elemento liviano, anticorrosivo, buen conductor térmico. Se establece un límite con el objeto de optimizar el tratamiento de agua. En concentraciones mayores de 0.05 mg/L se puede precipitar en el sistema de distribución. Se le ha asociado con problemas de anorexia, enfermedad de Alzheimer e irritación del tracto intestinal. Su consumo en la dieta diaria es generalmente menor de 10 mg/d. Se usa a menudo en utensilios y artículos de cocina, materiales de construcción y en productos de consumo tales como antiácidos, aditivos para comidas, y desodorantes (Murillo, 2011).

El sulfato de aluminio, se ha venido cuestionando en los últimos tiempos debido, entre otras causas, a la dificultad técnica para mantener estable el pH óptimo de coagulación durante la operación y su posible relación con la aparición de enfermedades neurodegenerativas (Cogollo, 2011). 2.2.14 Amonio

Es un catión poliatómico cargado positivamente de fórmula química NH4+. Se produce por la reacción del amoníaco, que es una base débil con ácidos de Bronsted (donantes de protones). El ión amonio resulta de la reducción de nitratos u oxidación de materia orgánica, sin embargo, dependiendo del pH del medio, sus concentraciones pueden variar transformándose en amoníaco, lo cual quiere decir, que a pH superiores a 9.2, el amoniaco (NH3) tiende a incrementar pero el amonio (NH4+) disminuye, mientras que a pH menores, el amonio (NH4+) se aumenta y el amoníaco disminuye (García, 2013).

El ion amonio es un producto proveniente de la descomposición de residuos orgánicos nitrogenados (proceso de amonificación) o de la fijación biológica. Debido a que dicho ion posee una carga positiva en su composición química, éste puede retenerse en las partículas de arcilla del suelo cuya carga es negativa; por lo que es relativamente inmóvil en el suelo como consecuencia de ello y por lo general no se incorpora al agua subterránea (Fernández, 2005).

2.2.15 Color

Las causas más comunes del color del agua son la presencia de hierro y manganeso coloidal o en solución; el contacto del agua con desechos orgánicos, hojas, madera, raíces, etc., en diferentes estados de descomposición, y la presencia de taninos, ácido húmico y algunos residuos industriales. La determinación del color es importante para evaluar las características del agua, la fuente del color y la eficacia del proceso usado para su remoción (Kiely, 2003).

Es la capacidad del agua para absorber ciertas radiaciones del espectro visible. El agua presenta colores inducidos por materiales orgánicos de los suelos como el color amarillento debido a los ácidos húmicos. La presencia de hierro puede darle un color rojizo y la del manganeso, un color negro. Se mide en laboratorio por comparación de un estándar arbitrario a base de cloruro de cobalto, Cl2CO y Cloroplatinato de potasio, K2PtCl6 y se expresa en una escala de unidades de Pt-CO (unidad Hazen) o Pt. La eliminación suele hacerse por coagulación- floculación con posterior filtración (disminuyendo a menos de 5 ppm) o la absorción con carbón activado (OMS, 2006).

2.2.16 Materia Orgánica

En un agua residual típica urbana de intensidad media, un 75% de los sólidos suspendidos y un 40% de los sólidos filtrables son de naturaleza orgánica. Proceden de los reinos animal y vegetal y de las actividades humanas relacionadas con la síntesis de compuestos orgánicos (Melcalf & Eddy, 1997; Gómez, 2005; Cerezo, 2011).

Los compuestos orgánicos están formados generalmente por una combinación de carbono, hidrogeno y oxígeno, junto con nitrógeno en algunos casos. Otros elementos importantes tales como azufre, fosforo y hierro pueden hallarse también presentes. Los principales grupos de sustancias orgánicas hallados en el agua residual son las proteínas (40 a 60%), carbohidratos (25 a 50%) y grasas y aceites (10%) (Gómez, 2011; Talarico, 2007; Vázquez, 2009).

2.2.17 Fluoruros

El flúor, es el más electronegativo de los elementos químicos conocidos, se encuentra en la litosfera en diversos minerales, como topacio fluorita (CaF2), fluorapatito (CaF2.3Ca3 (PO4)2), etc., así como integrante de algunas micas (flogopita). Dada la escasa solubilidad de estas rocas y minerales, la presencia de fluoruro en aguas es minoritaria. La concentración de F- en aguas naturales no suele superar en valor medio el mg/L, pudiendo ser mucho mayor en zonas volcánicas ricas en rocas fluoradas, y en algunas aguas minerales. Por otro lado los vertimientos residuales procedentes de industrias del vidrio pueden contener habitualmente hasta 100 mg/L (Ayora, 2010).

El flúor (F-) es considerado como un elemento traza potencialmente tóxico con algunas funciones bioquímicas indispensables, ya que se requiere para la formación de tejido óseo y para el mantenimiento de la integridad ósea. Existen reportes controversiales sobre el beneficio de los fluoruros en la prevención de caries dental, pues se ha considerado un factor importante en la disminución de su prevalencia. Sin embargo, la excesiva ingestión por periodos prolongados causa toxicidad la cual se manifiesta con la aparición de fluorosis dental, fluorosis esquelética y fracturas de cadera. Recientemente, estudios toxicológicos con animales han asociado daños en los niveles neurológico y reproductivo (Grijalva et al., 2001).

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