Eliminación de sulfatos y cloruros en aguas de consumo humano

Introducción

El agua subterranea contiene algunas impurezas, incluso sino queda afectado por actividades humanas. Los tipos y concentraciones de impurezas naturales dependen de la naturaleza del material geológico a partir del cual se mueve el agua subterranea, y la calidad del agua de reposición. El agua subterranea que se mueve a través de rocas y suelos sedimentarios puede sucederse en grandes cantidades materiales y compuestos como el Mg, Ca y cloruros, entre muchos mas.

La presencia de cloruros en el agua subterranea se debe fundamentalmente a la contaminación de la actividad agrícola. Dicha contaminación se produce generalmente mediante procesos difusos como por ejemplo el uso excesivo de fertilizantes y pesticidas.

Los sulfatos, por su parte, se encuentran en casi todas las aguas naturales y la mayor parte de ellos se originan a partir de la oxidación de las menas de sulfato, la presencia de esquistos (grupo de rocas metamórficas de grado medio, como la mica, la clorita, el talco…), y la existencia de residuos industriales.

El sulfato es uno de los principales constituyentes disueltos de la lluvia y tiene la característica de poder ser atacado o reducido por la presencia de bacterias, las cuales hacen que se forme sulfuro de hidrógeno gas que da un sabor y olor desagradable al agua.

Tanto los sulfatos como los cloruros llegan a las aguas subterraneaspuesto que dicha agua se mueve a través de formaciones rocosas y suelos que contienes dichos iones de manera que éstos se disuelven en ella.

El nivel maximo de sulfato sugerido por la Organización Mundial de la Salud en las Directrices para la calidad del agua potable, establecidas en Génova en 1993, es de 500mg/l, mientras que para los cloruros el nivel maximo es de 250mg/l.

Efectos de los cloruros y sulfatos presentes en las aguas destinadas al consumo humano

La exposición al cloro puede ocurrir en el lugar de trabajo o en el medio ambiente a causa de escapes en el aire, el agua o el suelo, aunque generalmente, el cloro se encuentra solamente en instalaciones industriales.
Los efectos del cloro y sus derivados en la salud humana dependen de la cantidad de cloro presente, y del tiempo y la frecuencia de exposición. Aunque dichos efectos dependen también de la salud de la persona y de las condiciones del medio cuando la exposición tuvo lugar.

Sin embargo, dichos efectos asociados con el consumo de cloro en pequeñas cantidades durante periodos prolongados de tiempo no son conocidos.

Por otro lado, aquellas personas que no estan acostumbradas a beber agua con elevados niveles de sulfato pueden experimentar diarrea y deshidratación. Los niños son a menudo mas sensibles al sulfato que los adultos, por ello, si el nivel de sulfato presente en el agua es superior a los 400 mg/l no es recomendable el uso de dicha agua para lapreparación de sus alimentos.

Otro efecto negativo, que produce los niveles elevados de sulfatos en el agua, es un sabor amargo o medicinal que puede hacer que sea desagradable beber esa agua.

A pesar de que tanto los cloruros como los sulfatos pueden estar presentes en el agua de bebida, se considera que sus concentraciones estan muy por debajo de presentar efectos tóxicos sobre la salud.

No obstante, los altos niveles de sulfatos pueden también corroer tuberías, particularmente las de cobre. Por ello, en areas con altos niveles de sulfatos, normalmente se utilizan materiales mas resistentes a la corrosión para las tuberías, tales como tubos de plastico.

Tratamiento de aguas subterraneas

Como las aguas subterraneas contienen mas iones libres que las aguas superficiales vamos a considerar para este caso que partimos de un agua subterranea poco turbia, poco coloreada y poco cargada de materia organica.

Para que la calidad del agua sea lo mejor posible, su tratamiento constara de los siguientes pasos

1) Toma de la muestra: en dicha toma se debe intentar arrastrar la menor cantidad posible de arena, hojas, juncos, cuerpos flotantes, hidrocarburos, etc. para evitar posibles problemas en sus tratamientos posteriores. No obstante, en la toma de muestra de este tipo de aguas no se conoce ningún modelo de toma ideal. La toma de muestra vendra acompañada de una etapa de precloración para conseguir un agua mas cristalina. Enocasiones, esta precloración va seguida de una eliminación de cloro que generalmente se efectúa con dióxido de azufre o tiosulfato sódico.
2) Aereación: esta etapa es necesaria puesto que, como ya se dijo anteriormente, las aguas subterraneas normalmente suelen ser deficientes en oxígeno. De manera que con esta etapa se consigue la oxidación de los iones ferrosos y manganosos, la nitrificación del amoníaco y el aumento del contenido en oxígeno con el fin de que el agua sea agradable a la bebida. Para conseguir un aumento de oxígeno normalmente se suele agitar vigorosamente el agua en un recipiente.
3) Clarificación por coagulación parcial, microfloculación y filtración: en este caso la clarificación tiene lugar por coagulación parcial puesto que la turbiedad del agua es baja, esta poco coloreada (inferior a 30mg/l) y presenta poca materia organica en suspensión. Generalmente la adición del coagulante (fija la turbiedad final) exige un cierto tiempo de contacto antes de que el agua llegue a los filtros, mientras que la del ayudante de floculación (hace mas lenta la penetración, en el lecho filtrante, de los flóculos muy finos y con poca cohesión) debe efectuarse a su entrada.
4) Desinfección: esta etapa se debe realizar siempre, sea cual sea el contenido medio de bacterias y gérmenes patógenos presentes en el agua.Para llevar a cabo la desinfección se pueden emplear diversos desinfectantes. La elección del desinfectante se realiza en función de criterios técnicos y económicos. Entre esos desinfectantes, se encuentran el cloro e hipocloritos sódicos (usados antes de un tratamiento final sobre carbón en grano, para eliminar las materias organicas que producen los sabores), clorominas (reducen o eliminan los sabores que se producen por un tratamiento previo de cloro), dióxido de cloro (se usa para eliminar el sabor debido a la presencia de clorofenol), los rayos ultravioletas (se utilizan para eliminar la presencia de virus) y el ozono, siendo éste el mejor desinfectante pero también el mas caro. En nuestro caso, se utilizaría el cloro y los hipocloritos.
5) Depósitos: En ellos se deposita el agua una vez que ésta ha sido tratada.
6) Red de distribución: El agua se distribuye para su consumo.

Técnicas de eliminación de cloruros y sulfatos en aguas de consumo humano

Las técnicas fundamentales de eliminación de sulfatos y cloruros son las resinas de intercambiadores de iones y la desalinización.

Resinas de intercambiadores de iones

Un intercambiador de iones, para poder utilizarse industrialmente, debe responder a las siguientes especificaciones

a) Su estructura química, generalmente macromolecular, debe ser tal que incluya en su molécula uno o varios radicales de función acida o basica. La presencia de estos radicales hace que puedaequipararse un intercambiador de cationes con un acido de forma H-R, y un intercambiador de aniones con una base de forma R-OH.
Se dice que un intercambiador es monofuncional si en su molécula sólo existe un tipo de radicales y polifuncional si la molécula posee radicales de naturaleza diferente.

b) El producto debe ser insoluble en las condiciones normales de empleo.

c) El producto debe presentarse en granos de la mayor homogeneidad posible y de tales dimensiones que su pérdida de carga en la filtración sea aceptable.

d) La variación de los iones retenidos por el intercambiador no debe producir la degradación de su estructura física.

Es un proceso donde un elemento o producto químico es sustituido por otro.

En el proceso de cambio, el intercambiador puede fijar iones o complejos ionizados, de dimensiones y pesos muy variables. Existen dos grandes grupos de intercambiadores de iones: los intercambiadores de cationes y los intercambiadores de aniones.

Los primeros se caracterizan por la presencia, en su molécula, de radicales de función acida, sulfónica o carboxílica capaces de fijar cationes minerales u organicos y de intercambiarlos entre sí, o por el ion hidrógeno H+. Los segundos contienen radicales de función basica capaces de fijar aniones minerales u organicos y de intercambiarlos entre sí o por el ion hidroxilo OH-.

En nuestro caso, para la eliminación de sulfatos y cloruros (aniones) se utilizaría los intercambiadores deaniones que a su vez pueden ser de dos tipos: intercambiadores débil o medianamente basicos (poseen una mezcla de aminas primarias, secundarias, terciarias y a veces, cuaternarias) o intercambiadores fuertemente basicos (poseen grupos de amonio cuaternario).

Sin embargo, el intercambio iónico es el método menos utilizado para el agua en casas particulares pero sí es muy usado para eliminar grandes cantidades de sulfatos del agua para suministros comerciales, ganaderos y públicos.

El ablandamiento del agua es un tipo común de intercambio iónico y se realiza pasando agua dura (que contiene Ca y Mg) a través de un tanque relleno con una resina especial saturada con iones de sodio. Los minerales responsables de la dureza del agua se pegan a la resina, y el Na es disuelto en el agua.

Los sistemas de intercambio iónico para el retiro del sulfato trabajan de manera similar, pero usan un tipo diferente de resina. Los iones sulfato en el agua se intercambian con otros iones, por lo general cloruro, que esta en la resina. Cuando la resina esta llena de sulfato en toda su capacidad, debe ser regenerada con una solución salina.
Desalinización

Es el proceso de eliminar la sal del agua de mar o salobre, obteniendo agua dulce. Este proceso puede tener lugar por dos métodos: por destilación instantanea o a través de membranas que a su vez pueden realizarse por electrodialisis o por ósmosis inversa.

La desalinización por destilacióninstantanea se realiza mediante varias etapas, en cada una de las cuales una parte del agua salada se evapora y se condensa en agua dulce. La presión y la temperatura van disminuyendo en cada etapa lograndose concentración de la salmuera resultante. El calor obtenido de la condensación sirve para calentar de nuevo el agua que hay que destilar.

Como se dijo anteriormente, la desalinización a través de membranas se puede llevar a cabo por dos procesos diferentes

a) Electrodialisis: proceso de difusión selectiva a través de una membrana, que se logra estableciendo una diferencia de potencial eléctrico entre electrodos situados a ambos lados de la membrana.
Los principales inconvenientes del método son: la imposibilidad de conseguir aguas altamente desmineralizadas, un costo del agua que rapidamente aumenta con la salinidad entrante y ademas debe eliminarse previamente el conjunto de sales susceptibles de precipitar en los compartimientos de concentración.
Se tendra en cuenta la polarización que tiende a sobreconcentrar los iones comunes del agua a tratar y también a modificar el pH, lo que puede reforzar la tendencia a la precipitación de ciertos compuestos.
El principal campo de la electrólisis es la producción de agua potable a partir de agua salobre poco mineralizada (0 a 2 g/l), campo en el que se encuentra en competencia con la ósmosis inversa.

b) Ósmosis inversa: La ósmosis natural o directa se traduce por una transferencia de agua puradel compartimiento B hacia el compartimiento A. El nivel asciende en el compartimiento A hasta que la presión engendrada por la columna de líquido anula el flujo de agua pura alcanzandose así el equilibrio osmótico. Al valor de esa presión hidrostatica se le denomina presión osmótica de la solución A.
Si se aplica ahora, por encima de la solución salina, una presión hidrostatica superior a su presión osmótica, se observa un flujo de agua pura en sentido inverso al anterior, quedando las sales retenidas por la membrana. Este fenómeno recibe el nombre de ósmosis inversa para la cual se utilizan unas membranas llamadas semi-permeables, que dejan pasar el agua en tanto que retienen del 90 al 99% de todos los elementos minerales disueltos, del 95 al 99% de la mayoría de los elementos organicos y el 100% de las materias coloidales mas finas (bacterias, virus…).

Tratamiento específico de eliminación de cloruros y sulfatos en aguas de consumo humano

Puesto que no esta autorizada la eliminación de sulfatos y cloruros mediante resinas de intercambio iónico, en el tratamiento de un agua potable, deben utilizarse otros procedimientos que exigen mayores gastos económicos pero tienen la ventaja de que sus gastos de explotación son menores.

En el caso de grandes caudales de agua de mar, o de aguas salobres (agua que mas sal disuelta que el agua dulce pero menos que el agua de mar), se emplea normalmente la desalinización por destilación instantanea(flash).

Una solución mas simple, en el caso de caudales pequeños y medios, es la desalinización a través de membranas, que pueden realizarse por dos procedimientos principales

a) Electrodialisis: en el que, por medio de membranas especiales y bajo la acción de una corriente eléctrica, se divide el agua a tratar en dos partes: una solución salina concentrada y un agua parcialmente desmineralizada.
Este procedimiento sólo se aplica en el caso de aguas poco salobres, ya que la capacidad de caudal de las membranas disminuye cuando aumenta la salinidad del agua que debe tratarse. Sólo es económico cuando se trata de agua cuya salinidad sea inferior a 3 g/l que lleva a 0,5 g/l.
Cuanta menos salina es el agua, mayor es el consumo de corriente, debido al incremento de resistividad del agua desmineralizada. Por ello, este procedimiento apenas se utiliza para tratar aguas con una salinidad inferior a 0,5 g/l.
Este método puede aplicarse a caudales que pueden llegar a varios millares de m3/día.

b) Ósmosis inversa: en este caso, el agua pura atraviesa las membranas bajo la acción de una presión superior a la presión osmótica.
Otra diferencia fundamental: puede tratarse un agua de salinidad inferior a 500 mg/l con un grado muy fuerte de reducción de su mineralización y un gasto muy pequeño de energía. Este procedimiento se adapta lo mismo a las aguas muy concentradas, como es el agua de mar, que a las poco salinas cuya salinidad se quiere mejorar.