objetivo


conceptualizar y definir las causas, consecuencias y procesos fisicoquimicos que intervienen en la dureza del agua y a su vez, brindar los conocimientos básicos para la eliminación de la dureza.

Introducción

El agua, elemento primordial, prácticamente fuente de toda vida, constituye parte integrante de todos los tejidos animales y vegetales, siendo necesaria como vehículo fundamental para el proceso de las funciones orgánicas, pero, además es indispensable para toda una serie de usos humanos que comportan un mayor bienestar, desde la salud y la alimentación, a la industria y al esparcimiento.





El agua procede de lagos, ríos y otras fuentes subterráneas. Gran parte de esta agua debe ser tratada para eliminar bacterias y otras impurezas peligrosas. Después de este tratamiento el agua no se encuentra totalmente pura, ya que todavía contiene pequeñas cantidades de sales disueltas, particularmente cloruros, sulfatos, fluoruros e hidrógeno carbonatos de sodio, potasio, magnesio y calcio. Estas sales no producen efectos nocivos en las bajas concentraciones en las que se encuentran habitualmente y además proporcionan los minerales esenciales para el organismo.




Dureza del agua 


la dureza del agua se define como la concentración de todos los cationes metálicos no metálicos presentes ( iones de calcio, estroncio, bario y magnesio en forma de carbonatos o bicarbonatos) y se expresa en equivalentes de carbonato de calcio y constituyen un parámetro muy significativo en la calidad del agua. Estos minerales tienen su origen en las formaciones rocosas calcáreas, y pueden ser encontrados, en mayor o menor grado, en la mayoría de las aguas naturales. A veces se da como límite para denominar a un agua como dura una dureza superior a 120 mg CaCO3/L.


causas




la dureza es causada cuando pasa a través de las formaciones geológicas que contienen los elementos minerales que la producen y por su poder solvente los disuelve e incorpora. El agua adquiere el poder solvente, debido a las condiciones ácidas que se desarrollan a su paso por la capa de suelo, donde la acción de las bacterias genera CO2, el cual existe en  equilibrio con el ácido carbónico. En estas condiciones de pH bajo, el agua ataca las rocas, particularmente a la calcita (CaCO3), entrando los compuestos en solución.









El carbonato cálcico (CaCO3) es el carbonato más importante, que se presenta en la naturaleza como caliza, mármol y, en estado puro, como calcita. El CaCO3 se produce como precipitado difícilmente soluble al pasar CO2 a través de una disolución de hidróxido cálcico, así como durante el fraguado del mortero de cal, que es una mezcla de arena, cal apagada [Ca (OH)2] y agua:

Ca2 + 2OH- + CO2    CaCO3 (Precipitado) + H2O


Otros minerales importantes del tipo de los carbonatos son la dolomita (Ca,Mg)CO3, en el que la mitad de los iones Ca2+ han sido sustituido por iones Mg2+ y además el carbonato de zinc, el carbonato de manganeso y el carbonato de hierro. Los últimos constituyen minerales valiosos.


La calcita es un mineral que puede cristalizar en varias formas dando lugar a cristales generalmente blancos o incoloros, pero que a veces están teñidas de otras coloraciones. Su nombre viene del latín Calx, que significa cal viva. Es el mineral más estable que existe de carbonato de calcio, frente a los otros dos polimorfos con la misma fórmula química aunque distinta estructura cristalina: el aragonito y la vaterita, más inestables y solubles.





El agua que contenga CO2 al tomar contacto con las formaciones de calcita, se transformara paulatinamente en hidrogeno carbonato, con lo que se disolverá:



CaCO3 + H2O + CO2     Ca (HCO3)2
El proceso real es:

CO32- + CO2 + H2O      2HCO3-

El CaCO3 se disuelve tanto más, cuanto mayor sea la cantidad de CO2 que contiene el agua.

De esta forma se produce la “dureza debida a los carbonatos” de las aguas Naturales, es decir, debida a su contenido en iones HCO3- Las aguas subterráneas y que discurren por campos con formaciones de calcita son particularmente duras. Por el contrario, el agua de los grandes lagos suele ser relativamente blanda, puesto que las algas y las plantas superiores durante los procesos de asimilación substraen CO2 a los iones HCO3- y con ello se puede producir la precipitación del carbonato cálcico.









Según la Organización Mundial de la Salud (OMS), el grado de dureza se clasifica de la siguiente forma:


Concentración de
CaCO3/mg/L
Tipo
Codificación*
0 - 60
Blanda
Azul
61 - 120
Moderadamente dura
Verde
121 - 180
Dura
Amarillo
180
Muy dura
Rojo





tipos de dureza


Cuando la dureza es numéricamente mayor que la suma de las alcalinidades de carbonatos y bicarbonatos, la cantidad de dureza que es su equivalente a esta suma se le llama dureza carbonatada, también llamada (temporal), ya que al aumentarle la temperatura del agua hasta el punto de ebullición, el calcio y el magnesio se precipitan en forma de carbonato de calcio e hidróxido de magnesio respectivamente.

CaCO3(s) + H2O (l) + CO2 (g) ↔ Ca (HCO3)2 (ac)



El carbonato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua fría, así que al hervir (que contribuye a la formación de carbonato) se precipitará el bicarbonato de calcio fuera de la solución, dejando el agua menos dura.



Los carbonatos pueden precipitar cuando la concentración de ácido carbónico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye, y si el ácido carbónico aumenta puede aumentar la solubilidad de fuentes de carbonatos, como piedras calizas, con lo que la dureza temporal aumenta. Todo esto está en relación con el pH de equilibrio de la calcita y con la alcalinidad de los carbonatos. Este proceso de disolución y precipitación es el que provoca las formaciones de estalagmitas y estalactitas.



dureza permanente


La dureza residual se conoce como dureza no carbónica o permanente. La dureza permanente no puede ser eliminada al hervir el agua, es usualmente causada

por la presencia del sulfato de calcio y magnesio y/o cloruros en el agua, que son más solubles mientras sube la temperatura hasta cierto valor, luego la solubilidad disminuye conforme aumenta la temperatura. Puede ser eliminada utilizando el método SODA (sulfato de sodio).


Eliminación de la dureza



Si ya se ha formado la dureza hay productos antical, aunque un método muy válido para diluir los carbonatos es aplicar un ácido débil (acético, cítrico, etc.) en los depósitos. El proceso de reducción de la dureza del agua se denomina ablandamiento del agua.
El ablandamiento más usado es la de “adición de carbonato sódico”, que conlleva la eliminación de Ca2+ mediante la reacción:

Ca2 + (aq) + CO3- (aq)  → CaCO3 (precipitado)

Entre estos procesos se pueden mencionar el ablandamiento con cal, cal-soda e intercambiadores iónicos como ciertas resinas.


1. Método de cal – soda 


El proceso de ablandamiento con cal – soda (Ca(OH)– Na2CO3) precipita la dureza del agua. En este proceso se llevan a cabo las siguientes reacciones, las cuales se deben de tener en consideración para estimar las cantidades de cal y soda necesarias para el ablandamiento.


1.      CO2 + Ca(OH) 2 → CaCO3 + H2O
2.      Ca (HCO3)2 + Ca (OH) 2 → 2CaCO 3 + 2H2O
3.      Mg (HCO3)2 + Ca (OH) 2 → CaCO3 + MgCO3 + 2H2O
4.      MgCO3 + Ca(OH) 2 → Mg(OH) 2 + CaCO3
5.      2NaHCO3 + Ca(OH) 2 → CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O           
6.      MgSO4 + Ca(OH) 2 → Mg (OH) 2 + CaSO4
7.      CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 + Na2SO4



   2.  Método de intercambio iónico

Este método es una aplicación de un viejo proceso que desde hace años se ha usado para suavizar el agua doméstica. El sistema funciona mediante el intercambio de iones de una solución con los iones de carga similar de una resina.

Se utiliza con mayor frecuencia para eliminar grandes cantidades de sulfato del agua para suministros comerciales, ganaderos y públicos, pero normalmente no se usa el tratamiento de agua en casas particulares. Es un proceso donde un elemento o producto químico es sustituido por otro. Muchas personas están familiarizadas con el ablandamiento de agua, un tipo común de sistema de intercambio iónico. El ablandamiento de agua se realiza pasando agua dura –agua con calcio y magnesio a través de un tanque relleno con una resina especial saturada con iones de sodio Los minerales responsables de la dureza se pegan a la resina, y el sodio 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 está en la resina. Cuando la resina está llena de sulfato en toda su capacidad, debe ser "regenerada" con una solución salina. Los ablandadores del agua para la eliminación de la dureza no eliminan el sulfato, y los sistemas de eliminación de sulfato no eliminan la dureza, aunque algunos equipos comerciales contienen ambas resinas y pueden así eliminar tanto la dureza como el sulfato.



En general se utilizan tres sistemas comunes de intercambio iónico : el intercambio iónico convencional, la precipitación in situ y el circuito electrolítico de intercambio iónico (combinación de los dos primeros métodos).


Intercambio iónico convencional

La unidad de intercambio iónico colecta la plata del blanqueador-fijador. Después se relava con tiosulfato de amonio [(NH4) 2S2O3)] y, luego se desplata electrolíticamente. El efluente que sale de la unidad de desplatado se usa entonces para la siguiente etapa de relavado.

Intercambio iónico con precipitación in situ

Se utiliza ácido sulfúrico diluido para que la plata se precipite en los trozos de resina como sulfuro de plata, en vez de extraerla con un regenerador. La resina puede usarse en muchos ciclos sin que pierda su capacidad de recuperar plata. Cuando finalmente la pierde (al cabo de seis meses a un año), o cuando la plata es insuficiente para que la recuperación sea costeable, la resina se envía a un refinador de plata, que la incinera para extraer el metal.

Sistema electrolítico e intercambio iónico combinados

Este método usa un sistema electrolítico para la recuperación primaria, y un sistema de intercambio iónico con precipitación in situ para desplatar aún más el efluente.




Consecuencias del Agua dura



La dureza es indeseable en algunos procesos, tales como el lavado doméstico e industrial, provocando que se consuma más jabón, al producirse sales insolubles e
incrustaciones en los tanques de caldera.

Cuando se lava con jabón empleando aguas naturales, se forma un precipitado debido a la presencia de calcio, magnesio y hierro. Los iones de calcio de esta agua dura se unen con los iones estearato y oleato del jabón disuelto, para formar sales insolubles, este proceso gasta el jabón y produce un sólido grumoso indeseable que permanece en la ropa. En consecuencia es conveniente eliminar los iones calcio del agua, para usarse en lavanderías.





Las principales problemáticas derivadas de la existencia de agua dura a la cual no se le aplica un correcto tratamiento de agua son la corrosión y la incrustación. El primero de ellos se produce en el caso que exista líquido que al convertirse en vapor seco derive en la generación de condensados altamente corrosivos en calderas y sistemas enfriados por agua, en las tuberías y una pérdida en la eficiencia de la transferencia de calor.

Si no se detecta el proceso a tiempo ni se le aplica un tratamiento de agua correcto, se generan varias cuestiones que tienen que ver con una gran pérdida material y económica. Entre las principales consecuencias se encuentra la reducción de los diámetros de las cañerías y tuberías, el bloqueo de las válvulas, obstrucción de los grifos, manchas y dificultad a la hora de la limpieza.

El agua dura ocasiona que los depósitos de calcio se  acumulen en los enfriadores por evaporación, calentadores de agua, lavaplatos, cafeteras y lavadoras.

En muchos casos la dureza también le da un sabor indeseable al agua potable.

Grandes cantidades de dureza son indeseables por las razones antes expuestas y debe ser removida antes de que el agua tenga uso apropiado, en particular para las industrias de bebidas, lavanderías, acabados metálicos, teñidos y textiles entre otras.

para la salud

Las aguas duras no causan problemas al cuerpo humano y son tan satisfactorias como las aguas blandas sin embargo, la aceptación del público es variable de un lugar a otro, y su sensibilidad depende del grado de dureza al que las personas estén acostumbradas. Muchos consumidores ponen objeción cuando la dureza del agua excede de 150 mg/1 CaCO3.


dureza del agua





el ciclo de agua y su dureza




BIBLIOGRAFIA


Especialización y Maestría en Ingeniería Ambiental. Editorial de la Universidad Tecnológica Nacional-Disponible en:  http://www.edutecne.utn.edu.ar/agua/dureza_agua.pdf

documento revision bibliografica. Disponible en:
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/leip/valenzuela_m_td/capitulo3.pdf