9.5: Ecologización del agua - Purificación antes de su uso
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Desde el aire el Río San Marcos/ Cazones cerca de la ciudad de Poza Rica, México, tiene un hermoso color verde. Pero el agua de este río no es lo que normalmente se elegiría como fuente de agua (aunque por necesidad es así utilizada), la razón es que su aparición denota un problema importante de contaminación porque su color verde indica un crecimiento excesivo de plantas y algas (eutrofización) en el río, nutridas por no tratados aguas residuales y otros desechos que se vierten en él. En este capítulo se discute mantener el agua verde, no en color sino en términos de calidad del agua.
Para la mayoría de los usos el agua requiere tratamiento. Los procesos utilizados para tratar el agua son generalmente similares para usos municipales, comerciales o industriales. En esta sección se abordan los principales procesos de tratamiento aplicados a los suministros de agua.
Agua Municipal
Los primeros pasos en el tratamiento del agua suelen ser físicos, soplando aire a través de ella (aireación) y sedimentación para permitir que los sólidos se asienten del agua. Otro beneficio de la aireación del agua es la oxidación del Fe 2 + soluble, un contaminante muy indeseable que causa manchas de accesorios de baño y ropa, a Fe (OH) 3 sólido, que se asienta del agua. Un beneficio de la formación de este sólido gelatinoso es que actúa como un coagulante que se une con impurezas coloidales atrapadas en el agua y hace que se asienten. Otro proceso físico al que se suele someter el agua municipal es la filtración para filtrar los sólidos. La filtración suele ser sobre filtros de arena, pero el carbón activado, una forma de carbono tratado a altas temperaturas con vapor o dióxido de carbono para crear poros y darle una enorme superficie interna, puede ser utilizado como medio de filtración para eliminar sustancias orgánicas.
Algunas fuentes de agua tienen demasiado Ca 2+ disuelto (dureza del agua) que forma precipitados con jabón y deposita CaCo 3 sólido en tuberías. Normalmente el calcio disuelto está presente como bicarbonato de calcio en el que el anión presente con Ca 2 + es bicarbonato, HCO 3 -. Curiosamente, el método para eliminar este calcio es agregar más calcio en forma de cal, Ca (OH) 2, una sustancia básica que convierte el HCO 3 -en CO 3 2- y elimina el calcio disuelto en forma de CaCo 3 sólido de acuerdo a lo siguiente reacción:
\[\ce{Ca^{2+} (aq) + 2HCO_{3}^{-} (aq) + Ca^{2+} (aq) + 2OH^{-} (aq) \rightarrow 2CaCO3 (s) + 2H2O}\]
El paso final en la purificación del agua es la desinfección, comúnmente mediante la adición de gas cloro elemental, que reacciona con el agua,
\[\ce{Cl2 + H2O \rightarrow HOCl + H^{+} + Cl-}\]
para producir HOCl desinfectante que mata virus y bacterias en el agua. Las sales de hipoclorito de HOCl incluyendo NaOCl y Ca (OCl) 2 también pueden actuar como desinfectantes. El cloro y los hipocloritos pueden reaccionar con bajas concentraciones de amoníaco agregado para producir cloraminas como NH 2 Cl que permanecen en el sistema de distribución de agua y mantienen la desinfección residual En presencia de materia orgánica residual como sustancias húmicas, se puede formar cloro elemental cloroformo potencialmente tóxico, HCCl 3 y una clase de sustancias relacionadas comúnmente llamadas compuestos de trihalometano. Para evitar que estos compuestos se formen, una práctica común es el uso de dióxido de cloro, ClO 2, que no produce trihalometanos. El dióxido de cloro es demasiado peligroso para moverse y demasiado inestable para almacenarlo, por lo que se elabora in situ por la reacción del clorito de sodio con el cloro elemental:
\[\ce{2NaClO2 (s) + Cl2 (g) \rightarrow 2ClO2 (g) + 2NaCl}\]
Por lo tanto, el dióxido de cloro potencialmente peligroso se prepara solo cuando es necesario, en las cantidades necesarias, donde sea necesario, lo que está en consonancia con las mejores prácticas de química y tecnología verdes.
Ozono Verde
Una alternativa más ecológica a los desinfectantes de agua a base de cloro en muchos aspectos es el ozono, O 3. Bombeado al agua, esta forma de oxígeno mata patógenos sin producir los subproductos indeseables elaborados por el cloro y en realidad es más eficaz que el cloro para matar virus. El ozono se produce a partir del oxígeno en el aire por una descarga eléctrica de alto voltaje a través del aire seco como se ilustra en la Figura 9.6. La vida útil del ozono en el agua es corta, por lo que generalmente se debe agregar una pequeña cantidad de cloro al agua ozonizada para mantener la desinfección en el sistema de distribución de agua.
La desinfección del agua por ozonización es un ejemplo prácticamente ideal de práctica química verde. La única materia prima es el aire disponible universalmente, el cual es gratuito. El ozono se produce solo donde se necesita ya que se necesita, sin subproductos. El ozono no persiste en el agua, descomponiéndose a oxígeno elemental. Hay muy poca probabilidad de producir subproductos nocivos de desinfección con ozono.
Agua para uso comercial e industrial
Se requiere una amplia gama de calidad de agua para el agua destinada a uso comercial e industrial y por razones económicas el agua se trata solo según sea necesario para su aplicación prevista. El agua utilizada para el enfriamiento generalmente requiere poco tratamiento, siendo el requisito principal que esté húmeda. En el otro extremo de la escala el agua utilizada en la industria de semiconductores tiene que ser hiperpura. Obviamente, los patógenos deben eliminarse para el agua empleada en el procesamiento de alimentos y los contaminantes corrosivos y formadores de incrustaciones deben eliminarse del agua de alimentación de la caldera.
Los mismos procesos de tratamiento descritos anteriormente para el agua municipal se aplican al agua destinada a uso comercial e industrial. Algunos otros pasos de tratamiento comúnmente aplicados a los suministros de agua comerciales e industriales incluyen los siguientes:
• Adición de precipitantes como Na 3 PO 4 para eliminar Ca 2 + y prevenir la formación de CaCo 3
• Adición de dispersantes para evitar la formación de incrustaciones
• Ajuste de pH por adición de ácido o base
• Desinfección para eliminar patógenos y adición de biocidas para prevenir crecimientos microbianos
• Adición de coagulantes seguido de filtración para eliminar el material coloidal suspendido
• Tratamiento con carbón activado para eliminar orgánicos
• Desionización para eliminar sales
• Ósmosis inversa para eliminar sales
Por razones económicas y de conservación, se reciclan cantidades significativas de agua utilizada para aplicaciones comerciales e industriales como se discute en la Sección 9.7. Dicha agua a menudo se somete a un uso secuencial para aplicaciones que requieren sucesivamente menor calidad, requiriendo el último uso antes de la descarga la menor calidad de agua. En algunos casos, el agua que sale de una instalación puede aplicarse a césped o campos de golf o usarse para riego.