1.8: Cloro
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Objetivos de aprendizaje
Después de leer este capítulo deberías poder identificar y explicar los siguientes conceptos relacionados con el cloro:
- Terminología de cloro
- Química del cloro
- Seguridad con cloro
- Cálculos avanzados de cloro
Como se discutió en capítulos anteriores, el cloro es el químico más utilizado en la industria de tratamiento de agua con fines de desinfección para cumplir con los estándares de la regla de tratamiento de aguas superficiales. El cloro se usa en varias formas diferentes y se puede alimentar al sistema en una variedad de métodos diferentes. Es un químico muy peligroso, por lo que siempre se deben seguir los procedimientos adecuados de seguridad y manejo. Además de ser utilizado como desinfectante, el cloro también se puede usar como agente controlador para la eliminación de algas, para el sabor y para el olor. Otras aplicaciones beneficiosas del cloro incluyen la desinfección de nuevas instalaciones de agua como tuberías y tanques y la oxidación de hierro, manganeso y sulfuro de hidrógeno.
Terminología de cloro
El cloro está disponible en tres formas: gaseosa, sólida y líquida.
- Gaseoso (cloro) —\(\ce{Cl2}\)
- Sólido (Hipoclorito de calcio) —\(\ce{Ca(OCl)2}\)
- Líquido (Hipoclorito de Sodio) —\(\ce{NaOCl}\)
No se sabe explícitamente cómo funciona la desinfección con cloro. Una explicación es que el cloro ataca una célula bacteriana y la destruye. La otra teoría sugiere que el cloro desactiva las enzimas dentro de la célula permitiendo que los microorganismos utilicen su suministro de alimentos. La adición de cloro a un suministro de agua provoca reacciones químicas entre el agua y las moléculas orgánicas e inorgánicas dentro del agua. Después de que el cloro se haya hecho peinando con material orgánico e inorgánico en el agua, se ha satisfecho la demanda.
La dosis de cloro menos la demanda es la residual. La razón por la que el cloro se usa en Estados Unidos sobre otros productos químicos desinfectantes es la capacidad del cloro para dejar un residuo duradero en el marco del sistema de distribución de agua. Este residuo continúa combatiendo posibles microorganismos causantes de enfermedades una vez concluido el tratamiento.
Supongamos que está trabajando como operador en una planta de tratamiento de agua. A su operador jefe le gustaría mantener un residuo de 2.0 mg/L de cloro residual en el sistema de distribución. La demanda es de 1.5 mg/L ¿Cuál es la dosis que debes agregar para lograr un residuo de 2.0 mg/L?
\[\begin{align*} \text{Dose} &= \text{Demand} + \text{Residual} \\[4pt] &= 2.0\,\text{mg/L} + 1.5 \, \text{mg/L} \\[4pt] &= 3.5\,\text{mg/L}\end{align*}\]
Por lo tanto, necesitarías mantener un promedio de una dosis de 3.5 mg/L de Cloro para lograr el residuo solicitado por tu operador jefe.
Otra terminología de cloro incluye cloro libre, cloro combinado y cloro total. Es importante entender estos términos antes de profundizar en la química de la cloraminación. El término Cloro Libre o Disponible se refiere a la cantidad de Cloro que está “libre” o “disponible” en el sistema para matar o desactivar organismos patógenos. El cloro combinado es cloro que se ha combinado con otras moléculas y el Cloro Total es la combinación de Cloro Libre o Disponible y Cloro Combinado. Aunque el Cloro Combinado dura más tiempo en el sistema de distribución, es un desinfectante mucho menos efectivo. También es importante tener en cuenta, no todo el Cloro tiene la misma fuerza. Esto se cubrirá más a fondo más adelante en la parte de química y matemáticas del capítulo.
Contenido de Cloro
Como se mencionó anteriormente en el capítulo, el cloro está disponible en diferentes estados de la materia. La cantidad de cloro utilizada para dosificar agua en una planta de tratamiento está determinada por el compuesto utilizado. A continuación se muestra un gráfico que ilustra los diferentes compuestos del cloro. La columna de porcentaje indica el porcentaje de Cloro en el compuesto. Por ejemplo, el Gas Cloro es Cloro puro y produce el mayor porcentaje disponible al 100%.
|
Compuesto de Cloro |
Por ciento |
Cantidad necesaria para alcanzar 1 lb |
|---|---|---|
|
Gas Cloro |
100 |
1 lb |
|
Hipoclorito de Calcio |
65 |
1.54 lbs |
|
Hipoclorito de Sodio |
15 |
.8 galones |
|
Hipoclorito de Sodio |
12.5 (más común) |
1.0 galones |
|
Hipoclorito de Sodio |
5 (lejía doméstica) |
2.4 galones |
En la sección de matemáticas de este capítulo, se hará evidente el impacto del porcentaje de Cloro. Es importante leer la pregunta y entender qué concentración de cloro se está agregando a la planta de tratamiento. La tercera columna de la tabla proporciona la lb o galón necesarios del compuesto específico para proporcionar 1 lb de cloro. Por ejemplo, si tu planta requiere un peso o cantidad de 100 lbs de cloro y usas gas cloro, entonces estarás agregando 100 lbs. de Cloro Gas. Si está usando hipoclorito de calcio, deberá calcular el número de libras requeridas. De la mesa, el Hipoclorito de Calcio es 65% de Cloro. Para determinar el número total de libras de Hipoclorito de Calcio necesarias para proporcionar 1 lb de Cloro, divida la dosis requerida por el porcentaje de cloro.
\[100 ÷ 0.65 = 153.8\, lbs\]
Por lo tanto, necesitará usar 153.8 lbs de Hipoclorito de Calcio para obtener una dosis de 100 lbs de cloro.
Factores del éxito del cloro
Varios factores durante el proceso de tratamiento del agua afectarán la efectividad del Cloro. Los cinco factores que afectan el tratamiento con cloro son:
- La concentración de cloro, más específicamente la dosis
- La cantidad de tiempo que el cloro está en contacto con el agua
- La temperatura del agua de origen
- El pH del agua de origen
- Los constituyentes en el agua de origen
La cantidad de tiempo que el cloro está en contacto con el agua determina la efectividad de la desinfección con cloro. La fórmula CT (Concentración multiplicada por Tiempo de Contacto) se utiliza para calcular el tiempo en que el cloro está en contacto con el agua. C es la concentración de cloro residual, por lo tanto CT se expresa como (Mg/L-min). Si el agua sale de un tanque de almacenamiento de agua potable, también denominado pozo claro, a un ritmo rápido, entonces habrá que aumentar la concentración de cloro. Si disminuye la concentración de cloro, entonces el agua tendrá que permanecer en contacto con el desinfectante por un periodo de tiempo más largo. El tratamiento combinado con cloro asociado a la desinfección con monocloramina requerirá períodos de retención más largos debido a su menor efectividad.
La temperatura afecta el tratamiento con cloro de diversas maneras. El cloro es más efectivo para matar patógenos a temperaturas más altas pero a temperaturas más bajas, el cloro residual durará más tiempo. Prácticamente hablando, la desinfección con cloro funciona mejor en temperaturas más cálidas ya que se da más crédito con el cálculo de CT. El nivel de pH del agua también es un factor significativo cuando se trata con cloro. La relación de HOCl a OCl- se ve afectada en función del pH. El HOCl seguirá siendo el desinfectante dominante en agua con un pH más bajo mientras que el OCl- permanecerá en mayores cantidades en agua con un pH más alto.
En el proceso de desinfección, el cloro no sólo reacciona con organismos que se van a matar, sino que también reacciona con la turbidez en el agua y otras sustancias como el amoníaco. La reducción de la turbidez en el agua tratada a través de la coagulación, sedimentación y filtración asegura que la desinfección sea más efectiva. El cloro residual máximo y mínimo en el sistema de distribución es de 4.0 mg/L y 0.2 mg/L respectivamente. No obstante, se deben tomar medidas correctivas cuando vea disminuir drásticamente el residuo en el sistema de distribución. Nunca querría ver el mínimo de cloro residual de 0.2 en el sistema de distribución.
Química del Cloro
A continuación se muestra la reacción que ocurre entre el agua y el cloro libre disponible:
\[\ce{Cl2 \,(Chlorine) + H2O \,(Water) → HOCl \,(hypochlorous acid) + HCl\, (hydrochloric acid)}\]
El ácido hipocloroso es más efectivo de las dos formas de cloro disponibles. Primero, es importante entender cómo funciona la demanda de cloro. Podemos hacer esto examinando los efectos de agregar cloro libre disponible al agua destilada. Si tuviéramos que dosificar el agua destilada con 1.0 mg/L de cloro libre disponible, el residuo sería 1.0 mg/L de cloro porque no hay nada en el agua destilada que reaccione con el cloro que no sea el agua misma. El agua destilada carece de impurezas.
Está claro que el agua de origen cruda está llena de impurezas. El cloro tendrá muchos componentes con los que reaccionar durante el proceso de tratamiento. Cuando el Cloro reacciona con el agua y las impurezas, resultan cinco tipos diferentes de residuos de cloro. El siguiente gráfico ilustra la efectividad de cada tipo de residuo. El más efectivo es el ácido hipocloroso (HOCl) por lo que la efectividad de los cuatro tipos restantes de residuos es en comparación con HOCl.
|
Residual |
Abreviatura |
Efectividad |
|---|---|---|
|
Ácido Hipocloroso |
HOCl |
1 |
|
Ion Hipoclorito |
OCl- |
1% |
|
Tricloramina |
NCl 3 |
Más información más adelante en el capítulo |
|
dicloramina |
NHCl 2 |
1.25% |
|
Monocloramina |
NH 2 Cl |
.667% |
Como muestra el gráfico, las dicloraminas son un desinfectante “más efectivo” que las monocloraminas pero su uso puede causar problemas de sabor y olor. La efectividad de las tricloraminas no ha sido ampliamente investigada y al igual que con las dicloraminas, se produce un problema de sabor y olor acre con su uso. Así, la industria del agua solo utiliza monocloraminas como desinfectante. A continuación se presentan las fórmulas químicas que ilustran cuándo el ácido hipocloroso se desasocia y se convierte en un desinfectante más débil.
\[\ce{HOCl \,(Hypochlorous acid) -> H^{+} (Hydrogen ion) + OCl^{-} (Hypochlorite ion)}\]
\[\ce{HCl\, (Hypochloric acid) -> H^{+} (Hydrogen ion) + Cl^{-} (Chlorine ion)}\]
Manejo y Seguridad del Cloro
Como operador de Tratamiento, entrará en contacto con muchos químicos peligrosos utilizados para tratar el agua. Un químico que es ampliamente utilizado en la industria de tratamiento de agua es el cloro. Como se discutió anteriormente en el capítulo, el cloro viene en tres estados diferentes: gas, polvo y líquido. Los tres tipos de cloro tienen riesgos asociados con el manejo y almacenamiento del químico. Es importante que en todo momento se sigan los procedimientos de seguridad adecuados.
Gas Cloro
El gas cloro es 2.5 veces más pesado que el aire. El olor es acre y el color es amarillo verdoso. El cloro gaseoso solo es visible en concentraciones muy altas y nunca quieres verlo. El gas cloro irrita los ojos, las fosas nasales y el sistema respiratorio. Es una sustancia muy peligrosa y concentraciones tan bajas como 100 partes por millón pueden matar a una persona.
El gas cloro está disponible en tres tipos diferentes de contenedores: contenedores de 150 libras, contenedores de 1 tonelada y, para operaciones de plantas muy grandes, en contenedores ferroviarios. La mayoría de las operaciones de tratamiento utilizarán tanques de cloro. La cantidad de cloro utilizada en un día determinado determinará qué tipo de contenedor de cloro utilizará su planta.
Cuando se entrega a una planta de tratamiento, el contenedor de cilindro de gas cloro de “150 libras” pesa aproximadamente 250-280 libras. Un cilindro de cloro consiste en el cuerpo del cilindro, el anillo del cuello, la válvula y el capó protector.
Los cilindros se transportan alrededor de la instalación con el uso de una plataforma rodante o de mano. El uso de una cadena o correa de seguridad es obligatorio en todo momento. Los cilindros nunca deben enrollarse porque podrían provocar lesiones a los empleados o al corte de la válvula. La tasa máxima de extracción diaria para un cilindro de cloro es de 40 libras.
Los contenedores de “toneladas” de cloro contienen 2000 libras de cloro y generalmente pesan alrededor de 3700 libras cuando están llenos de cloro. Los Contenedores se envían y almacenan horizontalmente. El borde del contenedor de cloro tiene un anillo, que permite que las grúas y polipastos los muevan desde el camión hasta el área de almacenamiento o extracción. Los contenedores se almacenan en muñones que permiten a los operadores rotar contenedores con el uso de una herramienta especial. Cada contenedor tiene dos válvulas, una en la parte superior y otra en la parte inferior. La válvula superior permite extraer el cloro como gas mientras que la válvula inferior permite que el cloro sea extraído como líquido. Al guardar los contenedores, deben colocarse de tal manera que se permita que el cloro líquido se asiente en el fondo del recipiente. La tasa máxima de retiro diario para un tanque de 1 tonelada es de 400 libras.
Los cilindros de gas de cloro y los contenedores de 1 tonelada utilizan métodos similares para alimentar cloro al agua. Los sistemas de alimentación incluyen una báscula, válvulas y tuberías, un clorador y un inyector o difusor. Las básculas de pesaje se utilizan para realizar un seguimiento de la cantidad de cloro que se ha usado o que queda en el cilindro o tanque. El mantenimiento de registros es fundamental para todo uso químico. El monitoreo y revisión de los datos registrados puede ayudar a identificar problemas con el sistema de cloro y administrar costos al reducir los desechos químicos.
En la foto de arriba hay una escala de cloro estándar y un sistema de muñón. El muñón actúa como una forma de almacenamiento a la vez que mantiene una medida precisa de la cantidad de sustancia química que queda en los tanques. En California, los tanques también deben estar asegurados con correas debido a sismos.
Las válvulas y tuberías son tan importantes en el sistema de cloro como en el sistema de agua. Cada tanque o cilindro de cloro está equipado con válvulas que permiten o prohíben el flujo del cloro durante la transferencia y almacenamiento del producto. En caso de emergencia, las válvulas también se pueden utilizar para cerrar rápidamente el flujo de cloro. Los sistemas a gran escala incluirán colectores de tuberías que permiten la transferencia de cloro desde múltiples tanques. El sistema de alimentación asociado incluirá válvulas y tuberías para proporcionar cloro a diferentes puntos de alimentación en el sistema.
El clorador es el equipo que alimenta el cloro directamente al sistema. El cloro se dispersa uniformemente en el sistema basado en un punto de ajuste de dosis usando reguladores de vacío y presión. Por seguridad, se debe mantener un vacío en la línea. El vacío asegura que el cloro siempre esté siendo arrastrado al sistema de alimentación de cloro. La mayoría de los sistemas modernos tienen válvulas de cierre de emergencia que evitan el flujo de cloro si se detecta una fuga. Los sistemas de cloro también incluirán alarmas, detectores de fugas y kits de reparación.
También se requieren otras medidas de seguridad cuando se trabaja alrededor del gas cloro. Por ejemplo, al cambiar los tanques, el operador debe estar usando un aparato de respiración autónomo (SCBA). Como se señaló anteriormente, una dosis de 0.1 partes por millón de cloro gaseoso puede ser inmediatamente mortal.
Hipocloración
El cloro gaseoso es la forma de cloro más fuerte y menos costosa incluso con el uso requerido de bases como la soda cáustica para aumentar el pH del agua terminada. Sin embargo, debido a las preocupaciones de seguridad asociadas con el uso y transporte de cloro gaseoso, la hipocloración es cada vez más común en el tratamiento del agua. Al construir o rediseñar una planta de tratamiento, un análisis de los costos y beneficios de cada tipo de cloro determinará qué tipo utilizará la instalación.
Los dos tipos de hipoclorito utilizados son el calcio y el sodio. El hipoclorito de calcio es un químico seco de color amarillo blanco-amarillento. Contiene 65% de cloro disponible. Dado que es altamente reactivo con compuestos orgánicos, se deben usar requisitos especiales al almacenarlo. Adicionalmente, es inflamable si se agrega suficiente calor y oxígeno. El hipoclorito de calcio siempre debe agregarse al agua y no lo contrario. Generalmente, el hipoclorito de calcio se utiliza principalmente para desinfectar tuberías de agua nuevas y reparadas y tanques de almacenamiento. No se utiliza para el tratamiento diario del agua terminada.
El hipoclorito de sodio es un líquido transparente a amarillento disponible en una variedad de concentraciones diferentes. El hipoclorito de sodio doméstico, conocido como lejía, está disponible en una solución al 5%. Las operaciones de la planta de tratamiento utilizarán una concentración industrial de 12.5% de cloro disponible. El hipoclorito de sodio no tiene requisitos especiales de almacenamiento, pero es una base fuerte a 9-11 en la escala de pH por lo que es altamente corrosivo. Adicionalmente, el químico pierde su efectividad con el tiempo en almacenamiento. Almacenado durante un mes, el químico puede perder de 2% a 4% de su contenido de cloro. La exposición directa al sol y/o al calor favorecerá la pérdida de cloro disponible. Por lo tanto, se recomienda que el hipoclorito de sodio se almacene no más de dos semanas (en caso de que la planta de tratamiento esté fuera de línea) en una habitación con temperatura controlada para evitar una pérdida excesiva de fuerza.
Seguridad y conexión del tanque del cilindro
Al conectar un regulador de cloro a un tanque para entrar en servicio, se deben tomar precauciones de seguridad. Cada vez que esté tratando con gas cloro el operador debe usar un respirador, pero se recomienda un SCBA. El SCBA tiene un suministro de oxígeno de 30-60 minutos. Los SCBA operan bajo presión positiva, por lo que en caso de una fuga, ningún gas cloro podrá ingresar a su máscara, asumiendo que se ha establecido un sello adecuado de la máscara. Junto con un respirador o SCBA el operador debe usar guantes y una camisa de manga larga al cambiar cilindros o tanques.
Se debe usar una nueva lavadora de plomo cada vez que se ponga en servicio un tanque nuevo. Inspeccione la arandela de plomo para detectar deformidades, grietas o curvas. Las arandelas deben desecharse después de un uso. Cuando la válvula del tanque de cloro se abre por primera vez, abra y cierre rápidamente la válvula. Use una solución de amoníaco cerca de la válvula y la tubería para verificar si hay fugas. La solución de amoníaco utilizada es el amoníaco comercial Be. Si hay cloro, verás una nube blanca. En caso de una nube blanca, se presenta una fuga. El operador tendrá que quitar el regulador de la válvula y usar una arandela de plomo nueva.
Por último, estén atentos. Cambiar los cilindros de cloro se convertirá en una rutina ya que es algo que tendrá que hacer a menudo si su instalación usa gas cloro. El gas cloro es un químico altamente peligroso que debe ser respetado. Olvidar lo peligroso que es, podría provocar daños graves o la muerte para usted o sus compañeros de trabajo.
Revisión del Capítulo
- La forma de Cloro que es 100% cloro disponible es?
- Hipoclorito de sodio
- Hipoclorito de calcio
- Hidróxido de calcio
- Cloro gaseoso
- ¿Cuál es la cantidad mínima de cloro residual requerida en el sistema de distribución?
- No hay mínimo
- mg/L
- 0.2 mg/L
- mg/L
- ¿Cuál es el rango de pH aproximado del hipoclorito de sodio?
- 4-5
- 6-7
- 9-11
- 12-14
- ¿Cuál es la concentración típica de hipoclorito de sodio que utilizan los profesionales del tratamiento de aguas?
- 5%
- 65%
- 100%
- 12.5%
- La demanda de cloro se refiere a ___________.
- Cloro en el sistema durante un tiempo determinado
- La diferencia entre el cloro aplicado y el cloro residual, generalmente causado por inorgánicos, orgánicos, bacterias, algas, amoníaco, etc.
- Cloro necesario para producir un pH más alto
- Ninguna de las anteriores
- ¿Cuál es el desinfectante de cloro más efectivo?
- dicloramina
- Tricloramina
- Ion hipoclorito
- Ácido hipocloroso
- ¿Qué se puede formar cuando el cloro reacciona con la materia orgánica natural en el agua fuente?
- Subproductos desinfectantes
- Azufre
- Algas
- Bacterias coliformes
- ¿Cuál es la tasa máxima de extracción por día para un cilindro de cloro de 150 libras?
- No hay máximo
- 20 libras
- 40 libras
- 50 libras
- ¿Qué tipo de solución se utiliza para verificar si hay una fuga de cloro en el gas?
- Hidróxido de sodio
- Ozono
- Amoníaco
- Hipoclorito de calcio
- El cloro es ___________.
- Más pesado que el aire
- Más ligero que el aire
- De color marrón
- No es perjudicial para tu salud
- La demanda de cloro puede variar debido a ___________.
- La demanda de cloro siempre se mantiene igual
- Temperatura
- pH
- Ambos 2 y 3
- ¿Qué efecto tiene la alta turbidez en la desinfección?
- Puede aumentar la demanda de cloro
- No tiene ningún efecto
- Le da al agua un aspecto lechoso que se aclarará después de algún tiempo
- Debe aumentar la temperatura del agua