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1.6: Corrosión, Hierro y Manganeso

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    152611
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    Objetivos de aprendizaje

    • Describir los mecanismos de corrosión
    • Explicar la deposición de incrustaciones en términos de saturación
    • Describir los métodos de control de corrosión
    • Describir los métodos utilizados para controlar el hierro y el manganeso

    Control de corrosión y estabilización de agua

    La corrosión es un tema complejo que involucra numerosos factores químicos, eléctricos, físicos y biológicos. Algunos conceptos describen los principales principios de la corrosión. La selección e implementación de un programa efectivo de control de corrosión requiere una comprensión de estos conceptos.

    La corrosión es la descomposición o destrucción gradual de un material por acción química, a menudo debido a una reacción electroquímica. La corrosión puede ser causada por:

    • Electrólisis de corriente parásita
    • Corrosión galvánica causada por metales disímiles
    • Células de concentración diferencial

    La corrosión comienza en la superficie de un material y se mueve hacia adentro. La severidad y el tipo de corrosión dependen de las características químicas y físicas del agua y del material.

    Corrosión Electroquímica: Celda Galvánica

    La corrosión metálica en agua potable es siempre el resultado de una reacción electroquímica. Una reacción electroquímica es una reacción química donde el flujo de corriente eléctrica es una parte esencial de la reacción. Si la corriente eléctrica se detiene interrumpiendo el circuito, la reacción química se detendrá. Además, si la reacción química se detiene eliminando uno de los químicos que reaccionan, el flujo de corriente eléctrica se detendrá. Para que ocurra la corrosión, la corriente eléctrica y la reacción química deben estar presentes.

    El deterioro del metal durante la corrosión se denomina reacción electroquímica porque se están produciendo un proceso químico y uno eléctrico. Los componentes del proceso son:

    • Anodo-punto a partir del cual se pierde metal y comienza la corriente eléctrica. El ánodo (polo positivo) atrae partículas o iones cargados negativamente (aniones) en una solución electrolítica. Los aniones son atraídos por el ánodo bajo la influencia de una diferencia en el potencial eléctrico.
    • Punto de cátodo donde la corriente eléctrica sale del metal y fluye hacia el ánodo a través del electrolito. Un cátodo es el polo negativo o electrodo de una celda o sistema electrolítico. Atraerá partículas o iones cargados positivamente (cationes) en una solución electrolítica. Los cationes son atraídos por el cátodo bajo la influencia de una diferencia en el potencial eléctrico.
    • Solución de conducción de electrolitos (agua con sales disueltas). Sustancia que se separa en dos o más iones cuando se disuelve en agua.

    El ánodo y el cátodo deben estar unidos. En una tubería de hierro, en el ánodo, una molécula de hierro se disuelve en el agua como un ion ferroso, y dos electrones fluyen hacia el cátodo. En el cátodo, los electrones dejan el metal en el punto de contacto con el electrolito y reaccionan con hidrógeno en el agua para formar gas hidrógeno. Los iones hidrógeno están siempre presentes en el agua desde la separación normal del agua, y el electrolito está en contacto con el ánodo y el cátodo, completando el circuito.

    En el ánodo, el hierro disuelto reacciona con el oxígeno y el agua formando una película de óxido compuesta inicialmente por hidróxido ferroso. El agua y el oxígeno adicionales reaccionan entonces con el hidróxido ferroso para formar el hidróxido férrico, que se convierte en una segunda capa sobre el hidróxido ferroso.

    Este depósito de óxido multicapa se conoce como tubérculo. Los tubérculos pueden crecer hasta el punto de que la capacidad de carga de la tubería se reduce significativamente. También durante periodos de altos caudales, los tubérculos pueden desprenderse, dando como resultado agua oxidada o de color rojo. La formación de un recubrimiento de óxido en la tubería tiene otro efecto importante en la velocidad de corrosión. A medida que se forma la película de óxido, comienza a cubrir y proteger el ánodo, disminuyendo la velocidad de corrosión. Si la película de óxido se elimina por lavado, la reacción de corrosión se acelera.

    Una forma más compleja de corrosión electroquímica es causada por la unión de metales diferentes. Este tipo de corrosión se llama corrosión galvánica. Al igual que la celda de corrosión, la celda de corrosión galvánica tiene un ánodo, un cátodo y electrolito, así como una conexión entre el ánodo y el cátodo. Esta celda galvánica, sin embargo, tiene dos metales diferentes en el ánodo y el cátodo. El grado en que un determinado metal se volverá anódico (corroe) en una reacción galvánica está relacionado con su tendencia a entrar en una solución. En este proceso, el metal vuelve a su estado mineral natural. La tendencia relativa de varios metales a volver a un estado mineral se demuestra por su posición en una serie electromotriz o serie galvánica en la que los metales más activos se enumeran en la parte superior en la tabla 7.1. Una serie electromotriz o galvánica es una lista de metales y aleaciones que se presentan en el orden de su tendencia a corroerse (entrar en solución). El tamaño y el signo del potencial del electrodo indican con qué facilidad estos elementos tomarán o cederán electrones, o se corroerán.

    Cuanto mayor sea el nivel de actividad, mayor será la tendencia del metal a corroerse. Además, cuanto más separados estén los dos metales en la serie galvánica, mayor será el potencial de corrosión galvánica. El metal más activo de cualquiera de dos en la serie galvánica siempre se convertirá en el ánodo. Cuando se unen las tuberías de agua de hierro y cobre, el hierro se corroerá si el agua contiene oxígeno disuelto y el cobre se protegerá. Debido a sus posiciones activas en la serie galvánica, el zinc y el magnesio son excelentes ánodos, y se utilizan comúnmente como ánodos de sacrificio en tanques de agua o para tuberías enterradas para evitar la corrosión. Estos metales reactivos, llamados metales base, se corroerán preferentemente a aluminio y hierro por ejemplo. Un metal, como el hierro, reaccionará con ácido clorhídrico diluido para formar hidrógeno.

    En el lado catódico de la serie galvánica, los metales reactivos menos activos se denominan metales nobles. Uno de los metales más nobles es el oro. El acero inoxidable es catódico para la mayoría de los metales y se utiliza en aplicaciones críticas de la industria química donde el potencial de corrosión es grande. El acero inoxidable se utiliza en sistemas de desalinización de ósmosis inversa de alta presión debido a su excelente resistencia a la corrosión en presencia de agua de mar altamente conductora.

    Como demuestra la serie galvánica, cuando la soldadura de cobre y plomo están en contacto, el plomo se convierte en el ánodo y se corroerá con preferencia al cobre. La toxicidad relativamente alta del plomo y sus tendencias anódicas son la razón por la que el gobierno de Estados Unidos ha prohibido su uso en sistemas de distribución de agua potable en virtud de la Ley de Agua Potable Segura de 1986 y la Regla de Plomo y Cobre. Otros factores, como la química del agua, las películas biológicas y las características físicas, como la temperatura y el caudal, juegan un papel en la gravedad de la reacción de corrosión.

    Una característica importante de la corrosión galvánica es el tamaño relativo del ánodo y el cátodo. El nivel de corriente eléctrica galvánica aumenta a medida que aumenta el área del cátodo. Un cátodo grande generará un alto nivel de potencial eléctrico. Si la corriente se dirige a un ánodo pequeño, una cantidad relativamente grande de metal se disolverá del área disponible del ánodo y se formarán pozos profundos.

    Fe → Fe2+ + 2e-

    O2 + 4e- + 2H2O → 4OH

    Fe2+ + 2OH- → Fe (OH2)

    4Fe (OH) 2 + O2 → 2Fe2O3 + 4H2O

    Corrosión electroquímica
    Figura\(\PageIndex{1}\): Corrosión electroquímica — Imagen de COC OER está licenciada bajo CC BY

    Factores que influyen en la corrosión

    La corrosión es compleja con muchas variables posibles. Los elementos esenciales de una celda de corrosión, incluyendo el caso específico de una celda galvánica, están influenciados por el aumento o disminución de la velocidad de la reacción electroquímica. La velocidad de reacción electroquímica está influenciada por factores físicos, químicos y biológicos.

    Factores Físicos

    Los factores físicos que influyen en la corrosión incluyen el tipo y disposición de los materiales utilizados en el sistema, la presión del sistema, la humedad del suelo, la presencia de corrientes eléctricas parásitas, la temperatura y la velocidad del flujo de agua.

    • Construcción del sistema - El tipo de materiales que componen el ánodo y el cátodo influyen en la corrosión; especialmente, el tamaño del ánodo y el cátodo.
    • Presión del sistema - La alta presión aumenta la corrosión debido a que los gases que pueden oxidar los materiales de construcción aumentan la concentración máxima de estos gases en el agua.
    • Humedad del suelo - El contacto con suelo húmedo puede causar corrosión externa en la tubería porque la humedad actúa como electrolito en la celda de corrosión.
    • Corriente eléctrica parásita - Conexión a tierra de circuitos eléctricos a tuberías de agua y puede mejorar la corrosión. La corrosión por corriente parásita es más pronunciada por la conexión a tierra de corriente continua que por la conexión a tierra de corriente alterna
    • Temperatura - La tasa de reacciones químicas generalmente aumenta a medida que aumenta la temperatura. Debido a que las reacciones químicas están involucradas en la corrosión, un aumento de la temperatura generalmente tiene el efecto de aumentar la corrosión. La velocidad de flujo tiene varias influencias significativas en la corrosión. Los caudales moderados suelen ser beneficiosos, mientras que los caudales muy altos o bajos aumentan la velocidad de corrosión.
    • Efectos negativos: las condiciones de flujo de agua estancada aumentan la corrosión. Sin embargo, el agua altamente oxigenada puede volverse más corrosiva en condiciones de mayor flujo a medida que el movimiento del agua aumenta el contacto del oxígeno con la superficie de la tubería. En altas velocidades, puede ocurrir erosión-corrosión, particularmente en tuberías de cobre. A velocidades superiores a 5 pies/seg, la tubería de cobre se erosionará. Esta corrosión es más notable en codos y juntas y resulta en daños estructurales en la tubería. Los sistemas circulantes de agua caliente en los edificios son particularmente susceptibles a la erosión-corrosión debido a las velocidades de flujo y a las altas temperaturas.
    • Efectos beneficiosos: el agua que tiene propiedades protectoras, como la tendencia a depositar película de carbonato de calcio, o a la que se le ha agregado un inhibidor de corrosión, será menos corrosiva bajo condiciones de flujo moderado. La formación de película requiere la deposición de carbonato de calcio o el inhibidor (fosfato o silicato) sobre la superficie del metal. En el agua estancada, la deposición es limitada. Bajo flujos altos, puede ser limpiado de la tubería a medida que se forma o la erosión-corrosión puede ocurrir más rápido que los depósitos de la película.

    Factores Químicos

    Diversos factores químicos influyen en la corrosión, como pH, alcalinidad, cloro residual, niveles de sólidos disueltos, gases disueltos como oxígeno y dióxido de carbono, y los tipos y concentraciones de diversos minerales presentes en el agua. Estos factores son:

    • Alcalinidad - La alcalinidad es la capacidad del agua para neutralizar los ácidos. Esta capacidad es causada por el contenido de agua de carbonato, bicarbonato, hidróxido y ocasionalmente borato, silicato y fosfato. La alcalinidad se expresa en miligramos por litro de carbonato de calcio equivalente. La alcalinidad no es lo mismo que el pH porque el agua no tiene que ser fuertemente básica para tener alta alcalinidad. La alcalinidad también es una medida de la cantidad de ácido que se debe agregar a un líquido para bajar el pH a 4.5. La alcalinidad es una medida de la capacidad de amortiguación, o la capacidad de una calidad particular del agua para resistir un cambio en el pH. La forma más simple de control de la corrosión es agregar más alcalinidad en forma de cal, ceniza de sosa o soda cáustica, o agregar directamente carbonato de calcio al agua.
    • Medidas de pH - La cantidad de iones hidrógeno presentes en el agua. El ion hidrógeno es extremadamente activo (corrosivo) a valores de pH por debajo de 4.0. Los iones de cloro e hidrógeno suelen estar presentes en concentraciones suficientes en el agua potable para tener un efecto significativo sobre la corrosión. El agua de pH bajo tiende a ser corrosiva, y el agua de pH alto protege el material de la tubería. Sin embargo, el agua de pH muy alto puede tener tendencia a depositar cantidades excesivas de incrustaciones. Ciertos niveles de pH ofrecen menos protección de lo que se supone. A valores de pH cercanos a 8.3, el punto de transición entre carbonato y bicarbonato, el sistema de amortiguación es débil y los valores de pH ligeramente más bajos pueden ser más protectores.
    • Sólidos disueltos - Los sólidos disueltos en el agua están presentes como iones que aumentan la conductividad eléctrica del agua. Generalmente, cuanto mayor sea el contenido de sólidos disueltos o sal del agua, mayor será el potencial de corrosión debido al aumento de la conductividad. Sin embargo, algunos sólidos están involucrados en la formación de incrustaciones, posiblemente ralentizando la velocidad de corrosión si se forma una película protectora. Todos los componentes formadores de incrustaciones, como el óxido de hierro (óxido) y el carbonato de calcio, están presentes primero como sólidos disueltos en el agua antes de que se depositen en la superficie de tuberías y accesorios.
    • Dureza - La forma disuelta de algunos de los principales componentes formadores de incrustaciones en el agua se conoce como dureza. La dureza está compuesta principalmente por iones de calcio y magnesio. Todos los iones de dureza tienen la propiedad común de formar una escala en el interior de tuberías o accesorios en condiciones de concentración lo suficientemente alta, y a niveles elevados de pH y temperatura. La deposición planificada de película de carbonato de calcio es una de las medidas de control de corrosión más comunes utilizadas en los sistemas de agua. Se utilizan varios métodos para medir el nivel relativo de saturación de carbonato de calcio en agua. Uno de los métodos más simples se llama el Marble Test, que mide directamente si una muestra de agua aumentará en dureza y pH cuando se dosifique con un exceso de carbonato de calcio. La Prueba de Mármol y una determinación más extensa del nivel de saturación del carbonato de calcio, llamado Índice de Langelier, se utilizan para medir la corrosividad del agua y el grado de estabilización del agua.
    • Cloruro y sulfato - Los iones cloruro y sulfato en el agua inhiben la formación de escamas protectoras al mantener los iones de dureza en solución. La cantidad relativa de alcalinidad en comparación con clórico y sulfato afecta esta tendencia. Se recomienda que la alcalinidad, expresada como equivalente de carbonato de calcio, sea cinco veces mayor que la suma de iones cloruro y sulfato.
    • Fosfato y silicato - Estos compuestos tienen tendencia a formar películas protectoras en sistemas de agua cuando están presentes en concentraciones suficientemente altas y cuando están en la forma química correcta para las condiciones particulares del agua. Compuestos de fosfato y silicato reañadidos en la planta de tratamiento de agua como método de control de corrosión.
    • Metales traza - Los metales traza de importancia en el control de la corrosión incluyen cobre, hierro, plomo y zinc. Cuando estos elementos están presentes en altas concentraciones en el agua, suelen ser indicadores de corrosión de las tuberías y accesorios. El cobre y el plomo generalmente indican corrosión de tuberías de cobre y soldadura de plomo o líneas de servicio. El hierro suele ser el resultado de la corrosión de la tubería de hierro o acero, y el zinc es el resultado de la corrosión de la tubería galvanizada. El hierro y el zinc pueden estar involucrados en la formación de películas protectoras que limitan la velocidad de corrosión. El zinc también es un aditivo común para el control de la corrosión, generalmente en un compuesto que contiene zinc y fosfato.

    Factores Biológicos

    Dos tipos de organismos que pueden desempeñar un papel importante en la corrosión de los sistemas de distribución de agua son las bacterias de hierro y las bacterias reductoras de sulfato. Pueden aumentar la tasa de corrosión y la formación de subproductos de corrosión indeseables. Las bacterias del hierro usan hierro disuelto como fuente de energía, y las bacterias reductoras de sulfato usan sulfato para su energía. Cada tipo de bacteria puede crecer en masas densas, y pueden ser relativamente tolerantes a la desinfección por cloro. Son particularmente problemáticos en áreas de bajo flujo de sistemas de distribución.

    Corrosión en tubería
    Figura\(\PageIndex{2}\): Corrosión en tubería con acumulación de tubérculos — Imagen de Mr pantswearer está licenciada bajo CC BY-SA 3.0

    Celda de concentración de oxígeno

    Aunque las celdas galvánicas son responsables de los problemas de corrosión, con mucho la celda de corrosión más común es la celda de concentración de oxígeno. Un callejón sin salida en el sistema de distribución es el extremo de una tubería principal de agua que no está conectada a otras partes del sistema de distribución por medio de un bucle de conexión de tubería. Se puede iniciar una celda de concentración de oxígeno en este callejón sin salida de la línea de flotación. En esta ubicación, los iones ferrosos y los iones de oxígeno reaccionan para formar hidróxido férrico sólido e iones hidrógeno. Los electrones de la reacción del ánodo fluyen a través de la tubería metálica donde reaccionan con el oxígeno disuelto que se repone por el agua que fluye. El exceso de iones de hidrógeno baja el pH y lo hacen más corrosivo.

    En el tubo muerto, la ausencia de oxígeno y un pH bajo hacen que las condiciones sean ideales para el crecimiento de bacterias anaeróbicas. Una condición anaeróbica es aquella en la que el oxígeno atmosférico o disuelto no está presente. La acción de estas poblaciones bacterianas sobre el material orgánico traza y en la reducción de los iones sulfato a sulfuro son responsables de los malos olores que generalmente se encuentran en los callejones sin salida de las tuberías de agua.

    A medida que el hidróxido férrico envejece, forma otros minerales como el óxido férrico o la roya de hierro. Eventualmente, la corteza del óxido férrico se vuelve tan gruesa que los iones negativos no pueden ingresar al pozo donde se produce la corrosión, y los iones de hierro no pueden escapar. La corrosión en la zona se detiene. En este punto, el foso está inactivo. La reacción del oxígeno disuelto con iones ferrosos es muy lenta a valores de pH bajos. Cuando el pH es inferior a 7.0, la reacción es tan lenta que no se forman tubérculos y los hoyos no se autoperpetúan. Los nuevos hoyos siguen comenzando en diferentes lugares, por lo que la corrosión parece ser uniforme sobre la superficie de la tubería.

    Saturación de carbonato de calcio

    La corrosión interna de las tuberías se puede detectar a través de las quejas de agua oxidada y al examinar el interior de las tuberías para detectar picaduras, tubérculos y otras pruebas de corrosión. La corrosión del agua no estabilizada se puede predecir por la cantidad de saturación de carbonato de calcio. Los métodos que se utilizan para predecir la estabilización del agua son el Marble Test, la Columna Enslow y el Índice de Langelier. El agua se considera estable cuando solo está saturada con carbonato de calcio. En esta condición, el agua no se disolverá ni depositará carbonato de calcio. Los operadores de plantas de tratamiento utilizan dos enfoques para determinar el nivel de saturación de carbonato de calcio de su agua: el Potencial de Precipitación de Carbonato de Calcio (CCPP) y el Índice de Langelier.

    Prueba de Mármol y Columna Enslow

    Para realizar una prueba de mármol para la saturación de carbonato de calcio, primero medir el pH, la alcalinidad y la dureza de la muestra de agua. Agrega una pizca de carbonato de calcio en polvo y luego revuelve el agua durante al menos cinco minutos. El agua debe agitarse en un matraz tapado casi lleno para evitar la introducción de dióxido de carbono del aire. Además, el agua que se agita debe estar a la misma temperatura que el agua en el sistema de distribución. Si el pH, la alcalinidad o el carbonato de calcio aumentan, el agua estaba subsaturada con respecto al carbonato de calcio. Si disminuyen, el agua estaba sobresaturada. El CCPP equivale al cambio cuantitativo en la alcalinidad (o carbonato de calcio) debido a que el agua está expuesta al carbonato de calcio en polvo.

    La columna Enslow se puede utilizar convenientemente para realizar la prueba de mármol. Este tubo es una columna empaquetada con gránulos de carbonato de calcio. El pH, la alcalinidad y el carbonato de calcio se miden en una corriente de muestra de agua antes y después de pasar por la columna. Los resultados se interpretan de la misma manera que el Marble Test.

    Índice Langelier

    El agua se considera estable cuando solo está saturada con carbonato de calcio. En agua estable, el carbonato de calcio está en equilibrio con la concentración de iones hidrógeno. Si el pH es mayor que el punto de equilibrio (Langelier positivo), el agua se forma incrustaciones y depositará carbonato de calcio. Si el pH es inferior al punto de equilibrio (Langelier negativo), el agua se considera corrosiva.

    El Índice de Langelier (Índice de Saturación) es el índice más común utilizado para indicar qué tan cerca está el agua del punto de equilibrio, o la corrosividad del agua. Este índice se basa en el pH de equilibrio del agua con respecto al calcio y la alcalinidad. El Índice de Langelier se puede determinar usando la ecuación:

    • Índice de Langelier = pH-pHs donde...
      • pH = pH real del agua
      • pH = pH en el que el agua que tiene la misma alcalinidad y contenido de calcio se satura con carbonato de calcio

    En esta ecuación, los pHs se definen como el valor de pH al que el agua de un contenido de calcio y alcalinidad dados se satura simplemente con carbonato de calcio. Para algunas aguas de bajo contenido de calcio y alcalinidad, ningún valor de pH satisface esta definición; sin embargo, para la mayoría del agua, existen dos valores de pH. Estas dificultades se pueden evitar definiendo los pHs como el pH donde el agua de concentraciones dadas de calcio y bicarbonato solo se satura con carbonato de calcio.

    Un índice de Langelier positivo (pH es mayor que pH) indica que el agua está sobresaturada con carbonato de calcio y tenderá a formar incrustaciones. El agua no es corrosiva. Un índice de Langelier negativo significa que el agua es corrosiva.

    Las tendencias corrosivas del agua a metales particulares, como los utilizados en los sistemas de distribución, también están significativamente influenciadas por la cantidad de sólidos disueltos totales (TDS). El agua que contiene TDS superior a 50 mg/L puede presentar tendencias corrosivas a pesar de un índice de Langelier positivo. La presencia de diversos iones, como iones sulfato y cloruro en el agua, puede interferir con la formación y mantenimiento de una capa protectora uniforme de carbonato de calcio sobre superficies metálicas. Además, la presencia de estos iones acelerará el proceso de corrosión.

    Debido a los diversos indicadores de calidad del agua involucrados, el Índice de Langelier solo debe usarse para determinar las tendencias corrosivas del agua dentro de un rango de pH de 6.5 a 9.5 siempre que una cantidad suficiente de iones de calcio y alcalinidad superior a 40 mg/L como carbonato de calcio estén presentes en el agua.

    Se han utilizado otros tres índices para la saturación de carbonato de calcio:

    • Índice de Fuerza Impulsora
    • Índice Ryznar
    • Índice Agresivo

    Control de la corrosión y la estabilización del agua

    Para controlar la corrosión, el operador debe seleccionar los productos químicos correctos para tratar el agua, calcular la dosis química correcta y determinar los ajustes adecuados del alimentador químico. El operador de tratamiento de agua debe entender la protección catódica para controlar la corrosión y los compuestos utilizados para la protección catódica.

    Selección de productos químicos para el control de corrosión

    Si el agua es corrosiva, se deben tomar medidas para reducir la corrosividad del agua. La reducción de la corrosividad casi siempre se logra tratando el agua con productos químicos para que el agua esté saturada o ligeramente sobresaturada con carbonato de calcio. Los productos químicos deben alimentarse después de la filtración. Un ligero exceso de químicos podría resultar en una solución sobresaturada que podría cementar juntos los granos de arena del filtro. Se podrían introducir pequeñas cantidades de turbidez con el producto químico y podrían producir resultados engañosos sugiriendo un bajo rendimiento del filtro. La alimentación química puede realizarse antes, después o junto con la poscloración; sin embargo, se debe tomar una muestra solo después de la poscloración porque el cloro puede reaccionar con los químicos utilizados para reducir la corrosividad.

    La selección de un químico para lograr la saturación de carbonato de calcio dependerá de las características de calidad del agua del agua y del costo de los químicos. La idea central es que todas las características químicas y pH deben estar presentes en las proporciones adecuadas para lograr la saturación de carbonato de calcio. Para el agua que tiene baja dureza y baja alcalinidad, se debe agregar cal viva y cal hidratada para aumentar el contenido de calcio y el pH. Para agua con suficiente calcio pero baja alcalinidad, se puede usar carbonato de sodio. Para el agua en la que el calcio y la alcalinidad son suficientes pero el pH es demasiado bajo, se indicaría la soda cáustica, aunque también se puede usar ceniza de sosa porque eleva el pH.

    Compuestos de Zinc, Sílice y Polifosfato

    Ciertos compuestos de zinc, como el fosfato de zinc, son capaces de formar películas catódicas efectivas que controlarán la corrosión. Estos compuestos de zinc son en gran parte patentados. Los tratamientos con compuestos de zinc son generalmente más caros que el tratamiento con cal o cáustico, pero tienen la ventaja de que la incrustación es menos propensa a ser un problema. No utilice compuestos de fosfato de zinc para controlar la corrosión causada por el agua que se almacenará en un reservorio abierto. El fosfato puede causar floraciones de algas. El cloro residual dura más tiempo en los sistemas de distribución que utilizan ortofosfato de zinc. La razón de esta propiedad se ha atribuido a la disminución de la demanda corina como resultado de la reducción de los sedimentos de hierro en las tuberías de distribución.

    El silicato de sodio se ha utilizado para tratar el agua corrosiva. Una solución de silicato de sodio alimentado a una tasa de aproximadamente 12 mg/L como sílice se utiliza durante el primer mes, después de lo cual la tasa se reduce a 8 mg/L. Este método de tratamiento es utilizado por clientes individuales, como casas de departamentos y grandes edificios de oficinas. No es comúnmente utilizado por los servicios públicos de agua.

    Los polifosfatos de sodio, ya sea pirofosfato tetrasódico o hexametafosfato de sodio, se han utilizado para el control de la corrosión. Las soluciones de estos compuestos pueden formar películas protectoras pero, debido a que reaccionan con el calcio, reducen la concentración efectiva de calcio y con ello, aumentan las tasas de corrosión. El mayor uso de estos químicos en el tratamiento del agua es controlar la formación de incrustaciones en agua que está sobresaturada con carbonato de calcio.

    El deterioro de la tubería de fibrocemento se puede prevenir manteniendo la saturación de carbonato de calcio. La evidencia sugiere que el tratamiento con zinc también es efectivo para este propósito, al igual que los tratamientos que utilizan trazas de hierro, manganeso o sílice en el agua. Cualquier deterioro de este tipo de tubería provocará un aumento en el pH y el contenido de calcio del agua a medida que pasa por la tubería. Las pruebas de pH y contenido de calcio deben realizarse después de que la tubería haya estado en servicio durante dos meses o más porque toda la tubería de asbesto contiene al menos trazas de cal libre, lo que resultará en un aumento inicial en el pH del agua cuando la tubería se ponga en servicio.

    Preocupaciones de salud

    La Regla de Plomo y Cobre describe las preocupaciones y regulaciones de salud para el agua afectada por plomo y cobre. El operador de la planta de tratamiento de agua debe comprender los requisitos de monitoreo y tratamiento de estos contaminantes y debe conocer los requisitos de educación pública y reporte.

    Preocupaciones de salud

    Los problemas de salud relacionados con la exposición al plomo son descritos por la EPA:

    El plomo es un metal común, natural y a menudo útil que se encuentra en todo el ambiente en pintura a base de plomo, aire, suelo, polvo doméstico, alimentos ciertos tipos de cerámica, porcelana y peltre, y agua. El plomo puede representar un riesgo significativo para la salud si demasiado de él ingresa al cuerpo. El plomo se acumula en el cuerpo durante muchos años y puede causar daño al cerebro, a los glóbulos rojos y a los riñones. El mayor riesgo es para los niños pequeños y las mujeres embarazadas donde cantidades de plomo que no dañen a los adultos pueden ralentizar el desarrollo mental y físico normal de los cuerpos en crecimiento. Además, un niño en juego suele entrar en contacto con fuentes de contaminación por plomo, como la suciedad y el polvo, que rara vez afectan a un adulto.

    El plomo en el agua potable, aunque rara vez es la única causa de intoxicación por plomo, puede aumentar significativamente la exposición total al plomo de una persona, particularmente la exposición de los bebés que beben fórmulas para bebés y jugos concentrados que se mezclan con agua. La EPA estima que el agua potable puede representar el 20 por ciento o más de la exposición total de una persona al plomo.

    El plomo es inusual entre los contaminantes del agua potable ya que rara vez se presenta de forma natural en los suministros de agua como ríos y lagos. El plomo ingresa al agua potable principalmente como resultado de la corrosión, o desgaste, de materiales que contienen plomo en el sistema de distribución de agua y plomería doméstica. Estos materiales incluyen soldadura a base de plomo utilizada para unir tuberías de cobre, latón y grifos de latón cromado, y en algunos casos, tuberías hechas de plomo que conectan la casa con la tubería principal de agua.

    Cuando el agua permanece en tuberías de plomo o en sistemas de plomería que contienen plomo durante varias horas o más, el plomo puede disolverse en el agua potable. El agua que primero se extrae del grifo por la mañana, o más tarde en la tarde después de regresar del trabajo o la escuela, puede contener niveles bastante altos de plomo.

    Los efectos del cobre en la salud incluyen malestar estomacal e intestinal. Las dosis prolongadas resultan en daño hepático. El exceso de ingesta de cobre o la incapacidad de metabolizar el cobre se llama enfermedad de Wilson.

    Hierro y Manganeso

    • El hierro y el manganeso se encuentran frecuentemente juntos en aguas naturales y producen efectos ambientales adversos similares y problemas de color. Las cantidades excesivas de hierro y manganeso generalmente se encuentran en las aguas subterráneas y superficiales contaminadas por descargas de desechos industriales.
    • Antes de 1962, estos elementos estaban cubiertos por un único límite recomendado.
    • En 1962, el Servicio de Salud Pública de Estados Unidos recomendó límites separados para el hierro y el manganeso para reflejar con mayor precisión los niveles en los que ocurren los efectos adversos para cada uno.
    • Cada uno es altamente objetable en grandes cantidades en los suministros de agua para uso doméstico e industrial.
    • Cada elemento imparte color a los productos lavados y accesorios de plomería.
    • Los umbrales de sabor en el agua potable son considerablemente más altos que los niveles que producen efectos de tinción.
    • Cada elemento forma parte de los requerimientos nutricionales diarios; sin embargo, estos requerimientos no se cumplen con el consumo de agua potable.

    Hierro

    El SMCL para hierro es de 0.3 mg/L.

    Efectos indeseables

    • A niveles superiores a 0.05 mg/L se puede desarrollar algún color, se puede producir tinción de los accesorios y se pueden formar precipitados.
    • La magnitud del efecto de tinción es directamente proporcional a la concentración.
    • Dependiendo de la sensibilidad de la percepción del gusto, se puede detectar un sabor amargo y astringente de 0.1 mg/L a 1.0 mg/L.
    • Los precipitados que se forman crean no solo problemas de color sino que también conducen al crecimiento bacteriano de los limos y de la bacteria amante del hierro, Crenothrix, en pozos y tuberías de distribución.

    Requerimientos Nutricionales

    El requerimiento diario es de 1 a 2 mg; sin embargo, se requiere la ingesta de mayores cantidades como resultado de una mala absorción.

    • La cantidad limitada de hierro permitida en el agua (debido a un sabor objetable o efectos de tinción) constituye solo una pequeña fracción de la cantidad normalmente consumida y no tiene significación toxicológica (venenosa).

    Manganeso

    El SMCL para manganeso es de 0.05 mg/L.

    Efectos indeseables

    • Una concentración de más de 0.02 mg/L puede causar una acumulación de recubrimientos en tuberías de distribución.
    • Si estos recubrimientos se desprenden, pueden causar manchas marrones en los artículos de lavandería y precipitados negros.
    • El manganeso imparte un sabor al agua por encima de 0.15 mg/L.
    • La aplicación de cloro, incluso a niveles bajos, aumenta la probabilidad de precipitación de manganeso a niveles bajos.
    • A menos que se elimine el precipitado, los precipitados que lleguen a tuberías promoverán el crecimiento bacteriano.

    Efectos Tóxicos

    • Se reportan efectos tóxicos como consecuencia de la inhalación de polvo o humos de manganeso.
    • La cirrosis hepática ha surgido en la alimentación controlada de ratas.
    • Se han sugerido efectos neurológicos; sin embargo, estos efectos no han sido confirmados científicamente.

    Requerimientos Nutricionales

    • La ingesta diaria de manganeso de una dieta normal es de aproximadamente 10 mg.
    • El manganeso es esencial para una nutrición adecuada.
    • Las dietas deficientes en manganeso interferirán con el crecimiento, la formación de sangre y hueso y la reproducción.

    El hierro y el manganeso se pueden controlar a través de la aireación donde el hierro se oxida a óxido férrico y se elimina mediante filtración. Este método funciona para bajos niveles de hierro en el agua. El hierro y el manganeso se pueden oxidar usando cloro o dióxido de cloro. El ozono también oxidará el hierro. El hierro y el manganeso pueden oxidarse adicionalmente usando permanganato de potasio. El operador debe tener precaución al usar permanganato de potasio porque dosis excesivas harán que el agua se vuelva rosada.

    También se pueden eliminar cantidades excesivas de hierro y manganeso usando intercambio iónico y arena verde. En el intercambio iónico, los iones de hierro y manganeso se intercambian por iones de sodio.

    Preguntas de revisión

    1. Describir los mecanismos de corrosión.
    2. Explicar la deposición de incrustaciones en términos de saturación.
    3. Describir los métodos de control de corrosión.
    4. Describir los métodos utilizados para controlar el hierro y el manganeso.

    Preguntas de prueba

    1. _____ es la descomposición o destrucción gradual de un material por acción química, a menudo debido a una reacción electroquímica.
      1. Estabilización
      2. Oxidación
      3. Reducción
      4. Corrosión
    2. El ánodo, el cátodo y el electrolito son componentes que componen _______.
      1. Estabilización
      2. Oxidación
      3. Reducción
      4. Corrosión
    3. En corrosión, al ______, el hierro disuelto reacciona con el oxígeno y el agua formando una película de óxido compuesta inicialmente por hidróxido ferroso. El agua y el oxígeno adicionales reaccionan entonces con el hidróxido ferroso para formar el hidróxido férrico, que se convierte en una segunda capa sobre el hidróxido ferroso.
      1. Ánodo
      2. Cátodo
      3. Electrolito
      4. Unión de metales disímiles
    4. El ______ en corrosión es el punto donde la corriente eléctrica sale del metal.
      1. Ánodo
      2. Cátodo
      3. Electrolito
      4. Unión de metales disímiles
    5. El ________es la solución de conducción (agua con sales disueltas). Es una sustancia que se separa en dos o más iones cuando se disuelve en agua.
      1. Ánodo
      2. Cátodo
      3. Electrolito
      4. Unión de metales disímiles
    6. Un depósito de óxido multicapa se conoce como _______. Pueden crecer hasta el punto de que la capacidad de carga de la tubería se reduce significativamente.
      1. Escala
      2. Tubercle
      3. Contaminar
      4. Electrolito
    7. _______ es la capacidad del agua para neutralizar los ácidos. Esta capacidad es causada por el contenido de agua de carbonato, bicarbonato, hidróxido y ocasionalmente borato, silicato y fosfato.
      1. Acidez
      2. Corrosión
      3. Alcalinidad
      4. Ninguno de estos se aplica
    8. El _____ es el más común de los índices utilizados para indicar qué tan cerca está el agua del punto de equilibrio, o la corrosividad del agua. Este índice se basa en el pH de equilibrio del agua con respecto al calcio y la alcalinidad.
      1. Índice de Fuerza Impulsora
      2. Índice Ryznar
      3. Índice Agresivo
      4. Índice Langelier
    9. Las tendencias corrosivas del agua a metales particulares, como los utilizados en los sistemas de distribución, también están significativamente influenciadas por la cantidad de ________. El agua que contiene 50 mg/L puede presentar tendencias corrosivas a pesar de un índice de Langelier positivo.
      1. Sodio
      2. Cloro
      3. Sólidos disueltos totales
      4. Oxígeno
    10. Si el agua es corrosiva, se deben tomar medidas para reducir la corrosividad del agua. La reducción de la corrosividad casi siempre se logra tratando el agua con productos químicos para que el agua esté saturada o ligeramente sobresaturada con ____.
      1. Una base
      2. Carbonato de calcio
      3. Hidróxido de sodio
      4. Hidróxido de calcio
    11. El SMCL para hierro es ____.
      1. 0.05 mg/L
      2. 0.3 mg/L
      3. 1.3 mg/L
      4. 15 ppb
    12. El SMCL para manganeso es _____.
      1. 0.05 mg/L
      2. 0.3 mg/L
      3. 1.3 mg/L
      4. 15 ppb
    13. El MCL para el cobre es ______.
      1. 0.05 mg/L
      2. 0.3 mg/L
      3. 1.3 mg/L
      4. 15 ppb
    14. El nivel de acción para el plomo es ______.
      1. 0.05 mg/L
      2. 0.3 mg/L
      3. 1.3 mg/L
      4. 15 ppb

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