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CALIDAD DEL AGUA DOMICILIARIA. EXPERIENCIA DE APRENDIZAJE EN EL TRANSCURSO DE UN PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: APLICACIÓN DEL MÉTODO CIENTÍFICO. López Sardi, Estela Mónica. Mirensky, Natacha. Iaconis, Máximo. Broitman, Alejo. Grupo de Investigación en Ingeniería Sustentable (GIIS). Facultad de Ingeniería. Universidad de Palermo. [email protected] – 15 3 338 8098

RESUMEN El plan de estudios correspondiente a la carrera Ingeniería Industrial en la Universidad de Palermo, incluye la obligatoriedad, por parte de los estudiantes, de cursar dos materias denominadas electivas. Dentro de la oferta académica disponible, existe la posibilidad de que los alumnos participen como investigadores auxiliares en los proyectos de investigación que se desarrollan en el ámbito de la Facultad, obteniendo un crédito por cada cuatrimestre de colaboración activa. En este marco se desarrolla el proyecto de investigación denominado “El agua como recurso y necesidad vital”, el cual enfoca el problema del agua en forma integral, desde los aspectos vinculados a la Ingeniería Sanitaria hasta los relacionados con la Ingeniería Sustentable y Ambiental. El presente trabajo se basa en experiencias realizadas por docentes y estudiantes, al analizar la incidencia del mantenimiento de cañerías y tanques, en la calidad del agua domiciliaria. El parámetro evaluado fueron los sólidos disueltos, mediante técnicas conductimétricas. Palabras clave: agua potable; conductividad del agua; sólidos disueltos; método científico. INTRODUCCIÓN Objetivos del trabajo Al enfrentar el estudio de la calidad del agua domiciliaria, los estudiantes plantearon la siguiente hipótesis: “En los edificios de la Ciudad de Buenos Aires, la falta de mantenimiento de cañerías y de limpieza de tanques, puede aumentar la cantidad de sustancias disueltas en el agua en el domicilio del usuario, con respecto al agua suministrada por la empresa potabilizadora.” Para probar la hipótesis planteada, se diseñó un experimento que incluyó la toma de muestras en distintos edificios a dos niveles: una de ellas, de la canilla que existe en la entrada del edificio y que procede directamente de la red de suministro, y la segunda muestra, en la cocina de un departamento perteneciente al edificio. Se recolectaron de este modo, quince muestras. Para evaluar la cantidad de sólidos disueltos en las muestras, se recurrió a la medición de la conductividad eléctrica de las mismas. El presente trabajo tiene los siguientes objetivos:  Describir la experiencia realizada y los resultados, que condujeron a una conclusión muy diferente a la hipótesis planteada al inicio de la investigación.  Poner de manifiesto cómo la aplicación de las etapas básicas del método científico, permitió a los investigadores avanzar hacia la búsqueda de una respuesta frente al fenómeno observado.  Describir una experiencia de interés para los estudiantes de Ingeniería Industrial, que permitió su acercamiento a los métodos físico-químicos de análisis.

2    La conductividad eléctrica La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo para permitir el paso de la corriente eléctrica. La conductividad es la inversa de la resistividad: σ=1/ρ Sus unidades son: S / cm = Ω-1 . cm-1 = [Siemens / centímetro] = [ 1/ (ohm.cm)] Sin embargo, la unidad más utilizada para este tipo de determinaciones es el μS/cm, que equivale a 10-6 S/cm. El agua pura es mala conductora de la corriente eléctrica, mientras que las soluciones acuosas presentan buena conductividad, la cual está determinada por la presencia de sales iónicas disueltas. Este tipo de conductores iónicos en estado líquido se denominan electrolitos. Así, la conductividad de las soluciones resulta ser directamente proporcional a la concentración de sólidos disueltos en el agua. Por este motivo, las medidas de conductividad del agua se utilizan como parámetro para evaluar la cantidad de sólidos disueltos totales (TDS, por su sigla en inglés) y la dureza del agua. La conductividad del agua se determina por un movimiento iónico. Como la temperatura afecta dicho movimiento, se deben efectuar correcciones cuando se realizan mediciones de precisión. La temperatura estándar para expresar los resultados es de 25°C. El coeficiente β de corrección es de 2% / °C. Los equipos electrónicos disponibles para este tipo de mediciones, pueden tener incorporado un sensor de temperatura que realiza automáticamente las correcciones sobre los valores observados. Tanto los sólidos disueltos como la dureza del agua (producida por la presencia de iones Ca2+ y Mg2+), se expresan generalmente en °F (Grados Franceses) o en ppm. Estas unidades evalúan la totalidad de los compuestos disueltos en el agua comparándolos con el efecto producido por una cantidad equivalente de carbonato de calcio (CaCO 3 ) como único soluto: 10 ppm = 1 ° F = 1 mg/ L de CaCO 3 La correlatividad entre las medidas de conductividad y los TDS se establece mediante la ecuación: K . c = TDS Donde K es la conductividad y c es el coeficiente de correlación a temperatura estándar. Se suele adoptar como valor de equivalencia 2 μS/cm = 1 ppm, por lo que c resulta tener un valor de 0,5 ppm / (μS/cm). La siguiente tabla detalla los valores de conductividad eléctrica esperados para distintos tipos de agua, referidos a la temperatura estándar de 25°C. TIPO DE AGUA Agua ultrapura Agua destilada Agua de montaña Agua potable Agua de mar Agua salobre

CONDUCTIVIDAD 0,055 μS/cm 0,5 μS/cm 1,0 μS/cm 500 a 800 μS/cm 56 mS/cm 100 mS/cm

Tabla 1. Tipos de Agua y su Conductividad.

3    PRIMERA EXPERIENCIA Hipótesis Al enfrentar el estudio de la calidad del agua domiciliaria, los estudiantes plantearon la siguiente hipótesis: “En los edificios de la Ciudad de Buenos Aires, la falta de mantenimiento de cañerías y de limpieza de tanques, puede aumentar la cantidad de sustancias disueltas en el agua en el domicilio del usuario, con respecto al agua suministrada por la empresa potabilizadora.” Prueba de la hipótesis: Experimentación. Para probar la hipótesis planteada, se diseñó un experimento que incluyó la toma de muestras en distintos edificios a dos niveles: una de ellas, de la canilla que existe en la entrada del edificio y que procede directamente de la red de suministro, y la segunda muestra, en la cocina de un departamento perteneciente al edificio. Se recolectaron de este modo, quince muestras. Para la toma de muestras se utilizaron envases de plástico polipropileno, de 100 cm3, estériles. Para asegurar la homogeneidad de las muestras e impedir su contaminación, se utilizó el siguiente procedimiento: 1.- Hisopado de la canilla con un algodón embebido en alcohol y posterior flameado de la canilla. 2.- Se dejó correr el agua durante 5 minutos. 3.- Se enjuagó dos veces el envase con el agua de la canilla. 4.- Se llenaron a tope los envases y se procedió al cierre. 5.- Las muestras se conservaron refrigeradas hasta el momento del análisis. Las muestras se trasladaron al laboratorio, donde se realizó la medición de la conductividad de cada una de ellas. Se utilizó el instrumento Conductivity Sensor PASPORT PASCO PS 2116A. Las mediciones arrojadas por el instrumento son captadas y analizadas mediante aplicación del software Data Studio y referidas a la temperatura estándar de 25°C. El conductímetro fue calibrado con agua ultrapura (tridestilada, Calidad HPLC), de conductividad 0,055 μS/cm; y con solución estándar de cloruro de potasio (KCL 0,01 M) de conductividad 1408,83 μS/cm. Las lecturas obtenidas se pueden ver en la siguiente tabla: N° MUESTRA 1 2* 3* 4* 5 6 7 8** 9 10 11 12 13 14 15

CONDUCTIVIDAD NIVEL 1 TDS CONDUCTIVIDAD NIVEL 2 (AGUA DE RED) EN μS/cm (ppm) (DEPARTAMENTO) EN μS/cm 320 160 556 669 334,5 619 669 334,5 654 669 334,5 576 516 258 514 524 262 507 646 323 652 1490 745 1190 877 438,5 498 887 443,5 516 688 344 629 602 301 617 573 286,5 561 571 285,5 575 582 291 592 Tabla 2. Resultados de la Primera Experiencia.

TDS (ppm) 278 309,5 327 288 257 253,5 326 595 249 258 314,5 308,5 280,5 287,5 296

*Las muestras 2,3 y 4 se tomaron en tres departamentos distintos de un mismo edificio. **Este edificio sufrió un corte de agua de 24 hs previo a la toma de muestra, lo que podría explicar los valores anormalmente altos de conductividad observados.

4    Los resultados del cuadro anterior, se visualizan en la figura siguiente. En el eje de ordenadas se representan los valores de TDS para cada muestra a Nivel 1(agua de red) y a Nivel 2 (departamento).

Figura 1. Resultados de la Primera Experiencia.

 

Refutación de la hipótesis (antítesis): Los resultados de la medición presentaron una tendencia opuesta a la esperada, dado que, en el 67% de los casos (10 muestras sobre 15), se observó un descenso en la conductividad del agua en las muestras tomadas en el interior de los departamentos, en algunos casos notable, con respecto a las muestras tomadas a nivel de la calle. Conclusión de la Primera Experiencia: La hipótesis planteada inicialmente, no representa en absoluto una tendencia general, ya que la cantidad de sustancias disueltas en el agua del domicilio de los usuarios presenta, en el 67% de los casos, valores de conductividad menores que los observados en el agua que procede directamente de la red de suministro. Por lo tanto, la tendencia más marcada, aunque no general, es hacia la disminución en los TDS del agua de red, durante su pasaje por las instalaciones (cañerías y tanques) de los edificios. SEGUNDA EXPERIENCIA Una nueva hipótesis Los resultados de la experiencia anterior, impulsaron al grupo de investigadores a proponer una nueva hipótesis, que justifique el descenso observado, y a planificar un segundo experimento, para probarla o rechazarla.

5    Esta segunda hipótesis fue: “El depósito de sedimentos en los tanques de agua, consecuencia de la falta de limpieza, puede adsorber u ocluir a los solutos del agua, lo que se traduce en un descenso de la conductividad eléctrica de las segundas muestras con respecto a las primeras.” Prueba de la hipótesis: Experimentación Se diseñó una experiencia que consistió en observar los efectos de diferentes sustancias sedimentables sobre la conductividad de la solución estándar de cloruro de potasio (primera parte) y sobre la conductividad de una muestra de agua domiciliaria tomada en el interior del laboratorio (segunda parte). Se trató de replicar, en el laboratorio y a pequeña escala, las condiciones de un tanque de agua que contiene sedimentos varios, fruto de la falta de higiene. Se seleccionaron como sustancias sedimentables a usar durante la experiencia, arena, tierra (humus), arcilla y una mezcla de masas equivalentes de las tres. La elección de estas sustancias en particular, surgió luego de investigar la composición habitual de los sedimentos químicos presentes en tanques de agua carentes de limpieza frecuente. Las muestras se prepararon en recipientes de plástico polipropileno estériles. En todos los casos se colocaron 10 g del sedimento en el fondo del recipiente y luego se introdujeron 100 cm3 de la solución estándar de KCl, en forma turbulenta, de forma de imitar las condiciones de entrada de agua a los tanques durante la carga. La medición de la conductividad se realizó en dos oportunidades: a los 10 minutos y a los 20 minutos luego de la introducción del líquido. Las diferencias entre los valores observados en ambas mediciones se justifican por la distinta movilidad iónica en la solución, influida por la acción de la gravedad sobre las partículas sedimentables. Primera parte: Acción de los sedimentos sobre la conductividad de solución estándar de cloruro de potasio. Los efectos de la presencia de sedimentos en el fondo del recipiente, sobre la conductividad de la solución estándar de cloruro de potasio se muestran en la siguiente tabla: SEDIMENTO Sol. STD. pura Sol. STD + Arena Sol. STD + Humus Sol. STD + Arcilla Sol. STD + Mezcla

CONDUCTIVIDAD A LOS 10 MIN. (μS/cm) 1408,83 1357,8 1348,5 1288,1 1325,0

CONDUCTIVIDAD A LOS 20 MIN. (μS/cm) 1408,83 1197,6 1186,0 1151,2 1179,1

Tabla 3. Influencia de los sedimentos sobre la conductividad de la solución estándar.

Los gráficos que siguen, realizados con el software Data Studio en tiempo real durante la medición, ilustran las medidas de conductividad de las muestras, iniciadas a los 10 y a los 20 minutos de agregada la solución.

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Figura 2. Conductividad a los 10 minutos.

Figura 3. Conductividad a los 20 minutos.

7    Segunda parte: Acción de los sedimentos sobre la conductividad del agua potable. Los efectos de la presencia de sedimentos en el fondo del recipiente, sobre la conductividad de una muestra de agua potable se muestran en la siguiente tabla: SEDIMENTO Agua potable Agua potable + Arena Agua potable + Humus Agua potable + Arcilla Agua potable + Mezcla

CONDUCTIVIDAD A LOS 10 MIN. (μS/cm) 276,2 236,6 204,1 174,1 197,1

CONDUCTIVIDAD A LOS 20 MIN. (μS/cm) 276,2 157,8 181,0 183,4 178,7

Tabla 4. Influencia de los sedimentos sobre la conductividad del agua potable.

A continuación, los gráficos que ilustran las medidas de conductividad de las muestras, iniciadas a los 10 y a los 20 minutos de agregada el agua potable.

Figura 4. Conductividad a los 10 minutos.

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Figura 5. Conductividad a los 20 minutos.

Demostración de la hipótesis Los resultados obtenidos en la segunda etapa de experimentación, permiten afirmar que, en el 100% de los casos observados, la presencia de sedimentos depositados en el fondo de los recipientes afectó la conductividad de las soluciones, provocando un marcado descenso de esta propiedad. La explicación que los investigadores proponen es que los sedimentos están compuestos por sustancias capaces de adsorber algunos de los iones disueltos en el agua, provocando de este modo la disminución de TDS en la solución. Para afirmar los resultados experimentales, se trabajó a continuación, en la búsqueda de antecedentes y de experiencias de otros investigadores sobre el fenómeno observado. La adsorción es un fenómeno mediante el cual, átomos, iones o moléculas quedan atrapadas o retenidas sobre la superficie de un sólido (adsorbente). El motivo por el cual se produce este fenómeno, está vinculado con la discontinuidad de enlaces químicos que ciertos materiales presentan en su superficie. En el interior del material todos sus enlaces químicos (ya sean iónicos, covalentes o metálicos) se encuentran satisfechos. Por definición, la superficie presenta una discontinuidad de esos enlaces. Por este motivo el proceso de adsorción de un adsorbato (que viene a completar esos huecos de enlace), es energéticamente favorable y por lo tanto, espontáneo. Los lugares en que se produce la adsorción se conocen como nanoporos o sitios activos. La cinética de la adsorción superficial en sólidos, ha sido estudiada por Langmuir, quien, en términos sencillos, expresa que al agitar un sólido finamente dividido en una solución, se puede observar una disminución en la concentración del soluto en la solución. La cantidad de sustancia adsorbida o adsorbato, identificada por m, a temperatura constante, será calculada por la expresión: 1/m = 1/b + 1/ (b K)

9    En esta expresión b representa una constante experimental para el sistema y K es la constante de equilibrio para la adsorción, calculada en función de las fracciones molares de los sitios activos ocupados en la superficie del adsorbente, θ, y de sitios activos libres sobre dicha superficie, (1- θ). Entonces: K = θ / (1 – θ) Se encontró abundante información sobre la capacidad de adsorción de iones que poseen las arcillas, arenas y otros sedimentos, en relación al estudio de las propiedades de los suelos (edafología), la calidad de los recursos hídricos y la depuración de aguas mediante el uso de lodos activos. Para citar un ejemplo, haremos referencia a García Romero (2010), quien expresa que “…Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales (superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas adsorbido, denominado adsorbato)…” También están largamente probadas las capacidades de adsorción de la bentonita, usada como agente clarificante en múltiples industrias. Actualmente se aplican también como adsorbentes otras arcillas, entre ellas la sepiolita y la paligorskita. Así mismo, existen múltiples usos prácticos, para los adsorbentes de sílice o arenas de adsorción. Conclusión de la Segunda Experiencia En razón de los resultados obtenidos, se elaboró la siguiente conclusión: “Sustancias tales como la arena, las arcillas y la tierra (humus) han demostrado tener un importante efecto de adsorción sobre los iones de las sales que componen los TDS del agua potable, provocando un marcado descenso en la conductividad eléctrica de la solución” A partir de la anterior conclusión, se formula la siguiente explicación para los resultados de la primera experiencia: “Suponer la presencia de sedimentos depositados en el fondo de los tanques de agua de algunos de los edificios en los que se tomaron las muestras, permite explicar el descenso de la conductividad eléctrica observado en el 67% de los casos analizados durante la primera experiencia. Cómo el estado sanitario no es el mismo en todos los edificios, este descenso presenta variaciones en su magnitud en las diferentes muestras evaluadas.” Referencias y bibliografía     

CASTELLÁN, G. (1978) "Fisicoquímica". 2da edición. Fondo Interamericano S.A., México. FARRINGTON D. (1984) "Tratado de Fisicoquímica". 2da edición. Ed. Continental, México. GARCÍA ROMERO, E. (2010) “Las arcillas, propiedades y usos” Universidad Complutense de Madrid. http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/arcillas.htm KOLTHOFF, I. M.; SANDELL, E. B.; MEEHAN, E. J. ; BRUCKENSTEIN, S. (1979) “ Análisis químico cuantitativo”. 5ta edición. E. Nigar, Buenos Aires. MEDINA, CANDAL, LUTHER, DO SANTOS AFONSO. (2011) “Caracterización de aguas y sedimentos en cuerpos de agua”. XVII Congreso Argentino de Físico

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Química y Química Inorgánica. http://www.xviicongresoaaifq.com.ar/resumenes/[email protected]_Saleh%20 Medina%20et%20al.pdf MYERS, A. L. (2004) “Thermodynamics of Adsorption. Chemical Thermodynamics for Industry”. Ed. T. M. Letcher. RODIER, J. (2009) “Análisis del agua”, 9na edición, AMV Ediciones, Madrid.

Agradecimientos Nuestro agradecimiento al Sr. Decano de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Palermo, Ing. Esteban di Tada, por el constante apoyo a nuestro Grupo de Investigación en Ingeniería Sustentable (GIIS). Agradecemos a la Lic. Patricia González, Secretaria Académica de la Facultad, por su impulso, entusiasmo y participación. Queremos destacar también el esfuerzo y la dedicación de los alumnos de Ingeniería Industrial Manuel Ricca, José Seoane y Ricardo Pesce, colaboradores activos del proyecto.