Tema 09 Aguas naturales

9.1.- PROPIEDADES Y CARACTERÍSTICAS DEL AGUA

La molécula de agua H2O es bipolar. A los enlaces entre moléculas se llama "puentes de hidrógeno"

Los puentes de hidrógeno (PH) son responsables de muchas propiedades que presenta el agua: H2S; H2Te; H2Se: son gases en condiciones normales

Densidad: máxima se alcanza a 4 ºC: 1000 kg/m3. • Si no fuera así, los cuerpos de agua se congelarían desde el fondo. Agua pura a 15ºC, y presión atmosférica: 0.9999 kg/L. En aguas naturales varía con el contenido de sales. El agua de mar, salinidad 35 g/L: 1,0243 kg/L a 20 ºC.

Viscosidad: fuerza de resistencia a todo movimiento:

dv f  S dx

f es la fuerza de rozamiento S es la superficie de contacto dv/dx es un gradiente de velocidad, µ = viscosidad dinámica (en poise)

A 20 ºC y con salinidad 0: 1.005 x 10-3 Kg/m/s (0.01005 poise). 1 poise = 1 g/cm/s = 1 dina · s/cm2

Disminuye cuando aumenta la temperatura. Aumenta conforme aumenta el contenido de sales disueltas. Es un factor de las pérdidas de carga. Desempeña un papel importante en el transporte y tratamiento del agua.

Calor específico: calor necesario para elevar 1 ºC la temperatura de 1 kg de agua. Sustancia que tiene mayor calor específico: 4.180 J/kg/ºC. El del hielo es de 2.090 J/kg/ºC. Varía con la temperatura y presenta un mínimo a 35 ºC.

Calor latente: calor necesario para el cambio de estado. Depende de la presión. La energía requerida para romper un PH y formar vapor es mucho mayor que la requerida por otros compuestos químicos comunes (alcohol, …): 539 kcal/kg (a Patmosférica).

El vapor de agua tiene un alto contenido energético y es un

medio efectivo para transferir energía durante las operaciones industriales, en los hogares, etc. El agua por cada cambio de T(ºC) demanda o libera una gran cantidad de calor: “medio eficaz de transferencia de calor” Por los valores elevados de calor específico y latente, las

grandes masas de agua actúan como termorreguladores, suavizando los climas.

Tensión superficial (TS): reacción a la fuerza de tracción

sobre la superficie del líquido. En Newton/metro. «TS» del agua es muy elevada debido a los «PH». Disminuye al aumentar la temperatura (hielo > líquido > vapor). Las sustancias solubles modifican «TS». Si son hidrófilas aumenta ligeramente (agua de mar).

Si son hidrófobas descenso considerable: se las denomina tenso-activas y se distribuyen en la superficie del líquido. Los

tenso-activos producen espumas con facilidad. Los detergentes son un caso típico.

9.1.2.- Propiedad disolvente del agua Gases: mediante ley de Henry

G D P

G = Solubilidad del gas (kg / m3 de agua)

 = coef. solubilidad del gas (L gas / L agua a P-actual)

D = peso específico del gas (kg/m3) P = presión parcial del gas (atmósferas).

 decrece al aumentar la Temperatura y/o al aumentar la concentración de sales disueltas. Caso oxígeno:

Atmósfera contiene 20,9 % O2. D = 1,429; y  (20 ºC) = 0,03. Así, a P-atmosférica la concentración (solubilidad) de «oxígeno disuelto» (OD) en agua ≈ 9 mg/L.

A la máxima concentración de OD que se puede tener a unas determinadas condiciones de presión y temperatura se denomina concentración a saturación (ODsat).

Déficit de oxígeno: diferencia entre [OD]sat y [OD]actual en la masa de agua. La capacidad del agua de disolver oxígeno es fundamental para el desarrollo de la flora y fauna acuáticas aerobias. Si en la masa de agua hay algas puede darse el caso de tener sobresaturación de OD en el agua, y se estaría transfiriendo oxígeno hacia la atmósfera.

Sólidos: los iones «hidratados» pueden dejar el retículo cristalino y desplazarse en la masa de agua transformándose en un ion libre disuelto. Esta sería una disolución verdadera. El aumento de iones disueltos produce un aumento de la conductividad.

No todas las sustancias hidrosolubles producen aumento de conductividad. La sal común (NaCl) al disolverse aumenta la

Cond. Sin embargo, el azúcar común, que también es hidrosoluble, no incrementa la conductividad, pues, no se ioniza para disolverse.

La disolución de sólidos se debe a, o se estimula mediante, reacciones ácido-base, de oxidación-reducción, de hidratación, de hidrólisis, etc. La velocidad de disolución dependerá de: • La concentración del soluto en el agua. • La superficie de contacto entre soluto y disolvente.

• La renovación de la superficie de contacto. • A mayor temperatura la energía cinética molecular es mayor. Las partículas se mueven por difusión y hay más renovación del agua en las proximidades del cristal.

Hidrosolubilidad de líquidos: depende de la polaridad de sus moléculas.

Un líquido polar es aquel que forma puentes de hidrógeno entre sus moléculas o con la de otras sustancias. Si las moléculas del líquido contienen, por ej.:, grupos OH-, como los alcoholes (líquido polar), el líquido será soluble. El aceite es un líquido «no polar» por eso es inmiscible con e insoluble en, agua.

9.2.- IMPURIFICACIÓN NATURAL DEL AGUA

El agua en la naturaleza no está en estado puro, contiene impurezas. La composición general se interpreta mejor desde el ciclo hidrológico: El contenido de sales en el agua de mar es aprox. de 34.500 mg/L. Durante las precipitaciones el agua atraviesa la parte inferior de la atmósfera. En ese trayecto tiene la posibilidad de equilibrarse con los gases de la atmósfera.

N2 y O2 son ligeramente solubles en agua, pero algunos de los otros gases (CO2 y SO2) son muy solubles. El agua de lluvia natural alcanza un pH entre 5.5 y 6.5, ligeramente ácido, menor que el del agua marina de la cual se generó. El agua de lluvia no contiene reguladores, de forma que, no puede mantener su pH inicial en presencia de cantidades pequeñas de gases como el CO2 (forma ácido carbónico). La lluvia (niebla y nieve) que se genera en una atmósfera que contiene altas concentraciones de SO2(g) puede ser muy ácida (smog ácido). Esto sería contaminación y no impurificación natural.

El agua de lluvia entra en contacto con rocas, suelo, sedimentos, así como con animales y vegetales. Durante ese contacto se llevan a cabo procesos y reacciones químicas que modifican la composición del agua: El agua arrastra materiales en suspensión o los disuelve. En la escorrentía habrá: - hojas, residuos (sólidos gruesos) - humus, orgánicos, arcillas, limos (sólidos en suspensión), - sales o sólidos disueltos Las arcillas y los limos, sustancias de gran peso molecular y de alta carga eléctrica, se mantienen en forma de suspensiones coloidales estables que darán origen a turbidez en las aguas.

La clase de formación geológica va a determinar el tipo de sales disueltas. En rocas ígneas, p.e.: granitos, los materiales están cristalizados y apenas se va a producir disolución. Aparecerán aguas muy cristalinas, sin apenas mineralizar, aunque será normal la aparición de sílice en pequeñas concentraciones. En sedimentarias se cargan de sales con más facilidad: Las precipititas (calizas, dolomías) tienen una gran aportación de carbonatos de calcio (CaCO3) y de magnesio (MgCO3).

Evolución del carbonato cálcico: El CaCO3 es poco soluble en agua químicamente pura, pero es muy soluble en agua que contenga abundante ácido carbónico (H2CO3) u otros ácidos. En el suelo se encontrarían elevadas conc. de CO2, debido a

procesos biológicos, que enrarecerían el aire intersticial. Este aire sin renovación puede alcanzar una alta presión parcial

de CO2 (10 a 100 veces su valor en el aire). En el momento que el agua contacta se da una rápida disolución, produciéndose ácido carbónico.

Las reacciones de disolución en el agua carbónica serían: CO2  H 2O   H 2CO3 (ácido carbónico ) H 2CO3  CaCO3   Ca ( HCO3 ) 2

A medida que el agua carbónica disuelve CaCO3 aumenta el pH, próximo a 7. Las dos reacciones se suman para dar:

H 2O  CO2  CO3Ca   Ca (CO3 H ) 2 El bicarbonato de calcio «Ca(CO3H)2» es muy inestable y particularmente soluble en agua. La velocidad de disolución del CaCO3 es mayor conforme aumenta la temperatura, pero es menos soluble.

La precipitación de CaCO3 es particularmente importante en los lugares donde las aguas afloran después de un recorrido

subterráneo. Las corrientes son capaces de transportar al aire libre hasta 60 mg/L CaCO3. Esta cantidad, mucho menor que lo que se puede encontrar en agua subterránea o aguas ricas en ácidos orgánicos, es suficiente para asegurar la exportación constante de materia desde las regiones calcáreas al mar.

Otras rocas que producirán gran cantidad de sales en disolución son las evaporitas. Los yesos (CaSO4) y la sal común (NaCl) son ejemplos típicos:

SO 4 Ca  SO 4  Ca  

También se puede encontrar Fe y Mn como impurezas

comunes. En zonas volcánicas puede ser normal la solubilización del flúor.

9.3.- FACTORES QUE INCIDEN EN LA IMPURIFICACIÓN: RESUMEN

Composición de suelos y terrenos. Determinados por el tipo de roca madre que ha ido degradándose.

Temperatura. La solubilidad de la mayoría de las sales aumenta a mayor temperatura. Excepciones importantes y notables son CaCO3, CaSO4, MgCO3 y Mg(OH)2. Los gases son menos solubles si aumenta la T (ºC). Superficie de contacto. El nivel de contacto entre agua y sólido influye sobre el grado de disolución. Las aguas superficiales se cargan menos de sales que las subterráneas, que tienen un contacto mucho mayor con los materiales a disolver (arenas, diaclasas, gravas). Tiempo de contacto.

9.3.- FACTORES QUE INCIDEN EN LA IMPURIFICACIÓN

CO2. Altas concentraciones de anhídrido carbónico aumentan la capacidad para disolver carbonatos (CO3=). Contenido de sales. La cantidad de oxígeno que podrá disolver un agua será menor cuanto mayor sea su concentración de sales. La presencia de cloruros va a favorecer la solubilidad de sulfatos y carbonatos.

Intercambio iónico. Las arcillas ricas en Na+ en contacto con agua que presente Ca++ realizan intercambio de iones con facilidad. Los iones sodio pasan al agua y los de calcio a las arcillas. Evaporación. En el suelo y en las masas de agua aparecen concentraciones elevadas no habituales de sales debido a un intenso proceso de evaporación natural (p.e.: el mar Muerto).

9.4.- CUANTIFICACIÓN DE IMPUREZAS

Para evaluar la calidad de un agua natural se debe medir la concentración de impurezas que contiene. La concentración se expresa en miligramo de soluto por litro de disolución (mg/L). Si la densidad de la solución acuosa = 1, se puede hablar indistintamente de mg/L o partes por millón en peso (ppm). Otras unidades son: microgramos por litro (g/L o ppb), miliequivalente por litro (meq/L) molaridad (mol/L o mmol/L).

Se puede diferenciar dos tipos de medidas: directa e indirecta. A su vez, entre medida directa individual o agrupada. Una medida directa individual determina o mide la concentración de un determinado componente o propiedad. Por ejemplo:

Gases: el OD (mg/L de OD en un agua) Cationes: Ca++ , Mg++, Na+, K+, NH4+

Aniones: SO4=, Cl-, PO4-3, NO2-, NO3-, pH, etc. Conductividad; Color; Turbidez

Conductividad: El agua pura es ligeramente conductora de la electricidad, pero aumenta su conductividad si se añaden sales u otros materiales ionizables. La unidad de medida es microsiemens por centímetro (µS/cm). Color: Incluso el agua pura no es incolora; tiene un tinte azul verdoso en grandes volúmenes. Pero es necesario diferenciar entre color organoléptico (visual) y color «analítico».

Color analítico:

Verdadero: debido a las sustancias disueltas Aparente: debido a la materia o sólidos en suspensión.

El color afecta estéticamente la potabilidad de las aguas. Afecta como colorante la fabricación de ciertos productos.

Las medidas de color analítico se hacen por comparación con un estándar o patrón (sol. de cloruro de cobalto, Cl2Co, + cloroplatinato de potasio, Cl6 Pt K2). Se expresa en escala de unidades de Pt-Co (unidades Hazen) o simplemente “escala Pt”. A. subterráneas: 150 En tto. se corrige por descarbonatación con cal, tratamiento con ácido, o desmineralización por intercambio iónico.

Dureza: indica la presencia de sales disueltas de calcio y magnesio. En menor medida Fe y Mn. Capacidad de un agua para producir incrustaciones. Las incrustaciones son típicas en intercambiadores de calor, calderas, tuberías, etc. (a) Dureza total, grado o título hidrotimétrico, TH: mide el contenido total de Ca+2 y Mg+2. Se puede distinguir entre dureza de Calcio (TH-Ca) y dureza de Magnesio (TH-Mg). (b) Dureza permanente o no carbonatada: mide el contenido de sulfatos y cloruros de Ca y Mg después de someter el agua a ebullición durante media hora. El método es de poca exactitud y depende de las condiciones de la ebullición. (c) Dureza temporal o carbonatada: mide el contenido de bicarbonato y carbonato de Ca y Mg; = (a) - (b).

Por ebullición, se rompen HCO3-, los CO3-2 precipitan al subir la temperatura y el CO2 se evapora. En el fondo del recipiente se forma una fina capa de precipitado, que constituye la diferencia entre la dureza total y permanente. Cuando hay una proporción grande de sales de Mg++ y Cl-, el método es poco preciso. Es preferible hablar de dureza carbonatada (suma de carbonato y bicarbonato correspondientes al TAC) y no carbonatada (= TH - TAC). Se expresa en mg/L CaCO3.

Blandas: TH < 50 ppm CaCO3

Ligeramente duras: < 100 ppm CaCO3 Duras: < 200 ppm CaCO3 Muy duras: > 200 ppm CaCO3 Para disminuir la dureza, las aguas se pueden someter a tratamiento de ablandamiento o desmineralización.

Residuo seco: Al evaporar a 105 ºC un agua con impurezas de sales, se obtendrá un residuo seco. Este englobará las sales y

otras sustancias, se pesa y se expresa en mg/L.

Mediciones de forma indirecta. Un método de medida indirecta de sales es la conductividad. El agua aumenta su conductividad si se le añaden materias ionizables. Medir la conductividad toma 5 segundos, mientras que determinar el contenido de sólidos disueltos es cuestión de horas (> 6 horas).

Se utiliza un conductivímetro cuyo fundamento es la medida de la resistencia del medio acuoso al paso de la electricidad. La resistividad es la medida inversa de la conductividad. Debe especificarse la temperatura de medición. A 25 ºC se mide la Cond. Específica.

La unidad estándar es microsiemens por centímetro (S/cm). Un agua ultrapura tiene 0.05483 S/cm a 25 ºC (18.24 Mohms.cm). Se puede hacer una estimación del contenido de sales disueltas (SDT), en mg/L, multiplicando el valor medido en S/cm por un coeficiente que oscila entre 0.7 y 1,4.

Conductivímetro

Oxímetro

Finalmente, el agua «tiene que ser» eléctricamente neutra:  Cationes =  aniones Las sumatorias hay que hacerlas en unidades equivalentes, por ejemplo: meq, mg CaCO3/L. 1 mg/L Ca+2 «no aporta» la misma carga eléctrica que 1 mg/L de CO3-2. Sin embargo, 1 meq Ca+2 si aporta la misma carga que 1 meq CO3-2 o que 1 meq Cl-, etc.