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# 1.7: Suavizante de cal

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Objetivos de aprendizaje

• Describir el agua dura y blanda
• Explicar la dureza del agua
• Explicar el agua blanda

La dureza del agua es causada técnicamente por cationes metálicos divalentes que son capaces de reaccionar con el jabón para formar precipitados y con ciertos aniones presentes en el agua para formar incrustaciones. El calcio y el magnesio suelen ser los únicos cationes que están presentes en concentraciones significativas. Generalmente se considera que la dureza es una expresión de la concentración total de iones calcio y magnesio que están presentes en el agua. Si alguno de los iones metálicos está presente en cantidades significativas, deben incluirse en la determinación de la dureza.

El agua dura es agua que tiene una alta concentración de iones de calcio y magnesio. El agua se considera dura si tiene una dureza mayor que la dureza típica del agua de la región. El agua dura se define como agua con una dureza superior a 100 mg/L como carbonato de calcio.

La dureza es una característica del agua causada por las sales de calcio y magnesio, como bicarbonato, carbonato, sulfato, cloruro y nitrato. La dureza excesiva en el agua es indeseable porque provoca la formación de cuajadas de jabón, mayor uso de jabón, deposición de incrustaciones en calderas, daños en algunos procesos industriales y provoca sabores objetables en el agua potable.

La dureza del calcio es causada por iones de calcio (Ca+2). La dureza del magnesio es causada por iones magnesio (Mg +2). La dureza total es la suma de la dureza causada por los iones calcio y magnesio. La dureza del carbonato es causada por la alcalinidad presente en el agua hasta la dureza total. Este valor suele ser menor que la dureza total. La dureza no carbonatada es la porción de la dureza total en exceso de la alcalinidad.

La alcalinidad es la capacidad del agua o aguas residuales para neutralizar los ácidos. Esta capacidad es causada por el contenido de agua de carbonato, bicarbonato, hidróxido y, a veces, borato, silicato y fosfato. La alcalinidad se expresa en mg/L 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 es una medida de la cantidad de ácido que se debe agregar a un líquido para bajar el pH a 4.5.

El carbonato de calcio es una expresión de la concentración de componentes especificados en el agua en términos de su valor equivalente al carbonato de calcio.

Los minerales disueltos en el agua causan dificultades para lavar la ropa y lavar platos en el hogar. Estos iones hacen que se forme un recubrimiento dentro del calentador de agua caliente similar al de una tetera después de un uso repetido.

La dureza tiende a acortar la vida de las telas que se lavan en agua dura. La escoria o la cuajada pueden quedar alojadas en las fibras de la tela y hacer que pierdan su suavidad y elasticidad.

En la industria, la dureza puede causar mayores problemas. Muchos procesos se ven afectados por el contenido de dureza del agua utilizada. Las plantas industriales que utilicen calderas para procesar vapor o calor deben eliminar la dureza de su agua de reposición, más allá de lo que harían las plantas de tratamiento de agua. La razón es que los minerales se depositarán en los tubos de caldera y formarán una báscula. Esta báscula forma una barrera de aislamiento que impide la transferencia de calor adecuada, provocando requerimientos excesivos de energía para la caldera.

Además de eliminar la dureza del agua, otros beneficios del ablandamiento incluyen:

• Eliminación de hierro y manganeso
• Control de la corrosión cuando se logra una estabilización adecuada del agua
• Desinfección por altos valores de pH al usar cal
• Una reducción en el sabor y los olores
• Reducción del contenido total de sólidos por el proceso de tratamiento de cal

Algunas de las posibles limitaciones del ablandamiento incluyen las siguientes:

• El cloro residual libre es predominantemente hipoclorito a niveles de pH superiores a 7.5 y es menos potente
• Los costos y beneficios deben sopesarse cuidadosamente para justificar el ablandamiento
• Eliminación definitiva de desechos de proceso
• Los niveles de pH asociados con la precipitación química suavizante de la fracción de trihalometano en el agua tratada pueden aumentar
• Producción de agua agresiva que tendería a corroer iones metálicos de las tuberías del sistema de distribución. El agua dura no corroe la tubería. El agua excesivamente dura puede causar incrustaciones en el interior de las tuberías y restringir el flujo

La decisión de ablandar el agua depende de cada comunidad porque el ablandamiento se realiza principalmente como servicio al cliente. El agua dura no tiene un efecto adverso en la salud pero puede crear varios efectos secundarios no deseados:

• Durante un período de tiempo, el poder de consumo de detergente del agua dura puede ser costoso
• Los problemas de escala en los accesorios serán más notorios
• La vida útil de varios tipos de telas se reducirá con lavados repetidos en agua dura. Además, se puede dejar un residuo en la ropa, creando una apariencia sucia

Se utilizan dos métodos comunes para ablandar el agua. Son precipitación química (ceniza de cal y soda) e intercambio iónico. El ablandamiento por intercambio iónico se aplica al agua de alta dureza no carbonatada y la dureza total no supera los 350 mg/L Este método de ablandamiento puede producir agua de dureza cero, a diferencia del ablandamiento de cal donde no se puede alcanzar una dureza cero.

El ablandamiento de intercambio iónico también eliminará la dureza no carbonatada sin la adición de carbonato de sodio, que se requiere con el ablandamiento de cal. El intercambio iónico es un método no selectivo de ablandamiento. Este método eliminará la dureza total que es la suma total de la dureza de carbonato y no carbonato.

La limitación de los procesos de ablandamiento de intercambio iónico incluye un aumento en el contenido de sodio del agua ablandada si el intercambio iónico se regenera con cloruro de sodio. El nivel de sodio no debe superar los 20 mg/L en el agua tratada debido al efecto potencialmente dañino en las personas susceptibles a la hipertensión. La eliminación definitiva de la salmuera gastada y el agua de enjuague de los ablandadores puede ser un problema importante para muchas instalaciones.

La dureza se debe a la presencia de cationes metálicos divalentes en el agua. La dureza es un factor comúnmente medido por titulación. Los cationes divalentes individuales se pueden medir en el laboratorio utilizando un espectrofotómetro de absorción atómica para un trabajo preciso. La dureza generalmente se reporta como equivalente de carbonato de calcio. Este procedimiento permite a los operarios combinar o sumar la dureza causada por el calcio y el magnesio y reportada como dureza total.

• Dureza Calcio, mg/L s CaCO3 = (Calcio, mg/L) (Peso Equivalente de CaCO3)/(Peso Equivalente de Calcio)
• Peso Equivalente de Calcio = Peso Atómico/Valencia

Para expresar la dureza de magnesio del agua como equivalente de carbonato de calcio:

• Dureza de Magnesio, mg/L como CaCO3 = (Magnesio, mg/L) (Peso Equivalente de CaCO3)/(Peso Equivalente de Magnesio)

Al tratar el agua el pH es importante. El pH del agua se puede aumentar o disminuir mediante la adición de ciertos químicos utilizados para tratar el agua. En muchos casos, el efecto sobre el pH de la adición de un químico se neutraliza mediante la adición de otro químico. Al ablandar el agua mediante procesos de precipitación química, como el ablandamiento de cal-soda, el pH debe elevarse a 11 para que ocurra la reacción química deseada. Los niveles de dióxido de carbono, ion bicarbonato e ion carbonato en el agua son muy sensibles al pH.

La estabilidad del agua tratada se determina midiendo el pH y calculando el Índice de Langelier. Este índice refleja el pH de equilibrio del agua con respecto al calcio y la alcalinidad.

• Índice de Langelier (LI) = pH — pH 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

Un índice de Langelier negativo indica que el agua es corrosiva y un índice positivo indica que el agua se está formando escamas. Después de que el agua se haya ablandado, el agua tratada distribuida a los consumidores debe ser estable, lo que significa que el agua no puede ser corrosiva ni formadora de incrustaciones.

La alcalinidad es la capacidad del agua para neutralizar los ácidos. Esta capacidad es causada por el contenido de agua de carbonato, bicarbonato, hidróxido, borato, silicato y fosfato. La alcalinidad se expresa en mg/L de carbonato de calcio equivalente. La alcalinidad no es lo mismo que el pH.

La alcalinidad se mide en el laboratorio mediante la adición de soluciones indicadoras de color. La alcalinidad se determina entonces por la cantidad de ácido requerida para alcanzar un punto final de valoración para un cambio de color específico. El punto final de P (fenolftaleína) es pH 8.3. Cuando el pH está por debajo de 8.3, no hay alcalinidad P presente. Cuando el pH es superior a 8.3, se presenta alcalinidad de P. No hay dióxido de carbono presente cuando el pH es superior a 8.3, por lo que no hay dióxido de carbono en el agua cuando la alcalinidad P está presente. Además, la alcalinidad de hidróxido y carbonato no están presentes cuando el pH está por debajo de 8.3.

La relación entre los diversos constituyentes de alcalinidad, como bicarbonato, carbonato e hidróxido, puede estar basada en la alcalinidad P (fenolftaleína) y T (naranja total o metilo).

Cuando el pH es inferior a 8.3, toda la alcalinidad está en forma de bicarbonato y comúnmente se conoce como alcalinidad natural. Cuando el pH es superior a 8.3, la alcalinidad puede consistir en bicarbonato, carbonato e hidróxido. A medida que aumenta el pH, la alcalinidad se desplaza progresivamente a formas de carbonato e hidróxido.

La alcalinidad total es la suma del bicarbonato, carbonato e hidróxido. Cada uno de estos valores se puede determinar midiendo la alcalinidad P y T en el laboratorio. La alcalinidad se expresa en mg/L como equivalentes de carbonato de calcio.

## Suavizante

La dureza no se elimina completamente por los métodos de precipitación química utilizados en las plantas de tratamiento de agua. La dureza no se puede reducir a cero usando el método de precipitación química para ablandar el agua. El agua que tiene una dureza de 150 mg/L como carbonato de calcio o más generalmente se trata para reducir la dureza a 80 a 90 mg/L cuando se usa ablandamiento como opción de tratamiento de agua.

La dureza mínima que se puede lograr mediante los procesos de ablandamiento de cal y ceniza de sosa es de alrededor de 30 a 40 mg/L como carbonato de calcio. Independientemente del método utilizado para ablandar el agua, el consumidor suele recibir agua mezclada con una dureza de 80 a 90 mg/L como carbonato de calcio cuando el ablandamiento se utiliza en instalaciones de tratamiento de agua.

El ablandamiento de cal y soda produce beneficios además del ablandamiento del agua. Las ventajas incluyen:

• Eliminación de hierro y manganeso
• Reducción de sólidos
• Eliminación e inactivación de bacterias y virus del alto pH involucrado en el tratamiento
• Eliminación del exceso de fluoruro

Las limitaciones del proceso de ablandamiento de cal-soda incluyen:

• Una incapacidad para eliminar toda la dureza
• Se debe ejercer un alto grado de control del operador para lograr la máxima eficiencia en costos, eliminación de dureza y estabilidad al agua
• La eliminación del color puede complicarse por el proceso de ablandamiento debido a los altos niveles de
• Se crean grandes cantidades de lodo que deben manejarse y eliminarse de manera aceptable

## Reacción Química

En la precipitación química, los iones causantes de dureza se convierten en formas insolubles. El calcio y el magnesio se vuelven menos solubles a medida que aumenta el pH. El calcio y el magnesio se pueden eliminar del agua como precipitados insolubles a altos niveles de pH.

La adición de cal al agua aumenta las concentraciones de hidróxido para que el pH aumente. La adición de cal al agua también convierte la alcalinidad de la forma de bicarbonato a la forma de carbonato, lo que hace que el calcio se precipite como carbonato de calcio. A medida que se agrega cal adicional al agua, la alcalinidad de la fenolftaleína aumenta hasta un nivel donde el hidróxido se hace presente, permitiendo que el magnesio precipite como hidróxido de magnesio.

Siguiendo el proceso de ablandamiento químico, el pH es alto y el agua se sobresatura con exceso de alcalinidad cáustica en forma de hidróxido o carbonato. El dióxido de carbono se puede utilizar para disminuir la causticidad y las tendencias de formación de incrustaciones del agua antes de la filtración.

Las reacciones químicas que tienen lugar en el agua durante el proceso de precipitación química dependen de si la dureza a eliminar es la dureza carbonatada o no carbonatada. Dureza carbonatada, dureza temporal, se puede eliminar con el uso de cal solamente. La eliminación de dureza no carbonatada, dureza permanente, requiere cal y ceniza de sosa.

## Químicos

La cal utilizada en el proceso de ablandamiento por precipitación química puede ser cal hidratada, (Ca (OH) 2,, hidróxido de calcio, u óxido de calcio, CaO. La cal hidratada se puede utilizar directamente. El óxido de calcio o cal viva primero debe apagarse. Este proceso implica agregar el óxido de calcio al agua y calentarlo para provocar el apagado, que es la formación de hidróxido de calcio (Ca (OH) 2) antes de su uso. Las instalaciones pequeñas suelen utilizar cal hidratada. Grandes instalaciones encuentran más económico usar cal viva (CaO) y escabullirla en el sitio.

La aplicación de cal para la eliminación de la dureza del carbonato también elimina el dióxido de carbono. El dióxido de carbono no contribuye a la dureza y no necesita ser eliminado. Sin embargo, el dióxido de carbono consumirá una porción de la cal que se usa y debe ser considerada en el proceso de dosificación.

Cuando se agrega cal al agua, el dióxido de carbono presente en el agua se convierte en carbonato de calcio si se agrega suficiente cal. Añadiendo más cal, el bicarbonato de calcio se precipitará como carbonato de calcio. Para eliminar el bicarbonato de calcio y magnesio, se debe utilizar un exceso de cal.

La dureza del carbonato de magnesio requiere la adición de cal y carbonato de sodio, Na2CO3.

Los principales productos de las reacciones químicas del proceso de ablandamiento de cal-soda son carbonato de calcio e hidróxido de magnesio. El agua tratada ha sido modificada químicamente y ya no es estable debido a cambios de pH y alcalinidad. El agua ablandada con ceniza de cal y sosa suele estar sobresaturada con carbonato de calcio. El grado de inestabilidad y exceso de carbonato de calcio depende del grado en que se ablanda el agua. La dureza del carbonato de calcio se elimina a un pH menor que la dureza del carbonato de magnesio. Si se practica la eliminación máxima de la dureza del carbonato para que se requiera un pH alto para eliminar la dureza del carbonato de magnesio, el agua se sobresaturará con carbonato de calcio e hidróxido de magnesio. Bajo estas condiciones, la deposición de precipitados ocurrirá en filtros y tuberías.

La adición excesiva de cal para eliminar la dureza del carbonato de magnesio da como resultado condiciones sobresaturadas y un residuo de cal, lo que producirá un pH de aproximadamente 10.9. El exceso de cal se llama alcalinidad cáustica ya que eleva el pH. Si luego se baja el pH, se producirá una mejor precipitación de carbonato de calcio e hidróxido de magnesio. También se bajará la alcalinidad. Este proceso generalmente se logra bombeando gas dióxido de carbono al agua. Esta adición al agua tratada se llama re-carbonatación.

La re-carbonatación se puede llevar a cabo en dos etapas. La primera adición de dióxido de carbono seguiría a la adición de cal en exceso para disminuir el pH a aproximadamente 10.4 y fomentar la precipitación de carbonato de calcio e hidróxido de magnesio. La segunda adición de dióxido de carbono después del tratamiento elimina la dureza no carbonatada. El pH se baja a aproximadamente 9.8 y favorece la precipitación. Al llevar a cabo la re-carbonatación antes de la filtración, se evitará o minimizará la acumulación de exceso de cal y carbonato de calcio e hidróxido de magnesio precipitados en los filtros.

Se debe tener cuidado al usar la re-carbonatación. Alimentar el exceso de dióxido de carbono puede resultar en una disminución de la dureza al hacer que los precipitados de carbonato de calcio vuelvan a la solución y causen dureza de carbonato.

Un método alternativo al proceso de ablandamiento de cenizas de cal y sosa es el uso de hidróxido de sodio (NaOH), que se llama soda cáustica. Las reacciones químicas con sosa cáustica demuestran que al eliminar la dureza de dióxido de carbono y carbonato, se forma carbonato de sodio (ceniza de sosa), que reaccionará con para eliminar la dureza no carbonatada. El hidróxido de sodio sustituye la ceniza de sosa y parte de la cal para eliminar la dureza del carbonato. El uso de sosa cáustica puede tener varias ventajas, incluyendo estabilidad en el almacenamiento, menor formación de lodo y facilidad de manejo.

## Ablandamiento de intercambio

Los átomos o moléculas cargados eléctricamente se conocen como iones. Los procesos de tratamiento de intercambio iónico utilizan resinas especiales para eliminar contaminantes inorgánicos cargados como arsénico, cromo, nitrato, calcio, radio, uranio y exceso de fluoruro del agua. Cuando el agua de origen pasa a través de una serie de perlas de resina, intercambia sus contaminantes cargados por los iones cargados inofensivos almacenados en la superficie de la resina. Los contaminantes se acumulan en las resinas y deben limpiarse periódicamente con una solución que recargue los iones intercambiables.

La resina de intercambio iónico viene en dos formas: resinas catiónicas, que intercambian cationes como calcio, magnesio y radio, y resinas aniónicas, que se utilizan para eliminar aniones como nitrato, arseniato, arsenito o cromato. Cada tipo de resina generalmente se regenera con una solución salina (cloruro de sodio). En el caso de las resinas catiónicas, el ión sodio desplaza el catión del sitio de intercambio, y en el caso de las resinas aniónicas, el ion cloruro desplaza el anión del sitio de intercambio. Por regla general, las resinas catiónicas son más resistentes al ensuciamiento que las resinas aniónicas. Las resinas se pueden diseñar para mostrar una preferencia por iones específicos para que el proceso se pueda adaptar fácilmente a una amplia gama de diferentes contaminantes. Este proceso de tratamiento funciona mejor con agua libre de partículas, ya que las partículas pueden acumularse en la resina y limitar su efectividad.

El intercambio iónico es un sistema común de tratamiento de agua que se puede escalar para adaptarse a instalaciones de tratamiento de cualquier tamaño. También se puede adaptar para tratar el agua en los niveles de punto de uso y punto de entrada.

El tratamiento con alúmina activada se utiliza para atraer y eliminar contaminantes, como el arsénico y el fluoruro, que tienen iones cargados negativamente. La alúmina activada (óxido de aluminio) se aloja típicamente en botes a través de los cuales se pasa el agua fuente para su tratamiento. Una serie de tales botes se pueden unir entre sí para que coincidan con los requisitos de volumen de agua de cualquier sistema en particular.

La calidad del agua de origen es una consideración importante para los sistemas de alúmina activada. El agente de tratamiento atraerá contaminantes, así como otros iones cargados negativamente que se encuentran en el agua fuente. Esta característica puede limitar la capacidad de la alúmina para atraer y eliminar los contaminantes objetivo.

La tecnología de alúmina activada puede ser costosa, y sus costos están asociados con la eliminación del agua contaminada que se crea cuando la alúmina se purga de contaminantes y se recarga para uso futuro. Los sistemas de alúmina activada a gran escala también requieren un alto nivel de experiencia operativa y de mantenimiento y, en consecuencia, son relativamente raros. Los sistemas a pequeña escala son más comunes y se pueden adaptar para adaptarse a requisitos específicos de volumen de agua.

## Blending

Los ablandadores de intercambio iónico producirán agua con dureza cero. El agua con dureza cero no debe ser enviada al sistema de distribución. El agua con dureza cero es corrosiva y a lo largo de un período de tiempo atacará las tuberías de acero del sistema y causará problemas de agua roja.

En la mayoría de las plantas de ablandamiento, el efluente de dureza cero de los ablandadores se mezcla con agua filtrada que tiene una concentración de dureza conocida. Una cierta cantidad de agua que produce la planta pasa por alto el proceso de ablandamiento. Esta agua tiene una concentración de dureza conocida y se mezcla en diversas proporciones con el efluente del ablandador para llegar al nivel deseado de dureza en el agua terminada.

La mezcla de agua es simple y generalmente se controla mediante una válvula y un medidor. El operador ajusta los galones exactos por minuto evitando el suavizante para producir la dureza deseada.

## Preguntas de revisión

1. Describir el agua dura y blanda.
2. Explicar la dureza del agua.
3. Explicar el agua blanda.

## Preguntas de prueba

1. ________ se considera generalmente como una expresión de la concentración total de iones calcio y magnesio que están presentes en el agua.
2. Dureza
3. Estabilización
2. ________ es la capacidad del agua o aguas residuales para neutralizar los ácidos. Esta capacidad es causada por el contenido de agua de carbonato, bicarbonato, hidróxido y, a veces, borato, silicato y fosfato.
2. Dureza
3. Estabilización
3. ______se expresa en mg/L de carbonato de calcio equivalente.
2. Dureza
3. Estabilización
4. Además de eliminar la dureza del agua, ¿cuál de las siguientes no es un beneficio del ablandamiento?
1. Eliminación de hierro y manganeso
2. Control de la corrosión cuando se logra una estabilización adecuada del agua
3. Desinfección por altos valores de pH al usar cal
4. Producción de agua agresiva que tendería a corroer iones metálicos de las tuberías del sistema de distribución
5. ¿Cuál de las siguientes no es una limitación típica del ablandamiento?
1. El cloro residual libre es predominantemente hipoclorito a niveles de pH superiores a 7.5
3. Eliminación de desechos de proceso
4. A los niveles de pH asociados con la precipitación química suavizante del trihalometano
5. La fracción en el agua tratada puede aumentar
6. _________ se utiliza para ablandar agua que es alta en dureza no carbonatada y donde la dureza total no supera los 350 mg/L.
1. Lima
2. Ceniza de cal y soda
3. Hidróxido de calcio
4. ablandamiento por intercambio iónico
7. La limitación de los procesos ________ incluye un aumento en el contenido de sodio del agua ablandada si el intercambio iónico se regenera con cloruro de sodio. El nivel de sodio no debe superar los 20 mg/L en el agua tratada debido al efecto potencialmente dañino en las personas susceptibles a la hipertensión.
1. Lima
2. Ceniza de cal y soda
3. Hidróxido de calcio
4. ablandamiento por intercambio iónico
8. Los productos de las reacciones químicas primarias del proceso de ablandamiento de cal-soda son _______ y __________.
1. Hidróxido de calcio, hidróxido de magnesio
2. Carbonato de calcio, carbonato de magnesio
3. Carbonato de calcio, hidróxido de magnesio
4. Hidróxido de calcio, carbonato de magnesio
9. Los átomos o moléculas cargados eléctricamente se conocen como ______.
1. Cationes
2. Aniones
3. Electrones
4. Iones
10. Las resinas generalmente se regeneran con _______.
1. Cloruro de sodio
2. Cloruro de potasio
3. Cloruro férrico
4. Ácido clorhídrico
11. El tratamiento con alúmina activada se utiliza para atraer y eliminar ______, que tienen iones cargados negativamente. La alúmina activada (óxido de aluminio) se aloja típicamente en botes a través de los cuales se pasa el agua fuente para su tratamiento. Una serie de tales botes se pueden unir entre sí para que coincidan con los requisitos de volumen de agua de cualquier sistema en particular.
1. Hierro y magnesio
2. Magnesio y calcio
3. Nitrato y nitrito
4. Arsénico y fluoruro
12. Los ablandadores de intercambio iónico producirán agua con dureza cero. El agua con dureza cero no debe ser enviada al sistema de distribución. El agua con dureza de ceros es ___________.
1. Agua dura
2. Agua corrosiva
3. Escalado que forma el agua
4. Aguas Negras
13. En la mayoría de las plantas de ablandamiento, el efluente de dureza cero de los ablandadores se mezcla con agua filtrada que tiene una concentración de dureza conocida en un proceso llamado ______.
1. Blending
2. Conservación
3. Oxidación
4. Ninguna de las anteriores
14. La dureza del calcio es causada por iones de calcio (Ca+2). La dureza del magnesio es causada por iones magnesio (Mg +2). La dureza total es la suma de la dureza causada por los iones calcio y magnesio. La dureza del carbonato es causada por el _______ presente en el agua hasta la dureza total.