Proceso de ablandamiento de aguas: uso de CO2 para reducir la dureza
Como cada lunes, tenemos nuevo post en el blog de Nippon Gases. Hoy es el el turno de nuestro experto en Tratamiento de aguas que se centrará en el proceso de ablandamiento del agua, el uso del CO2 en este proceso y la correcta separación del precipitado formado para evitar incrustaciones o pérdidas de rendimiento en las etapas posteriores de depuración de esas aguas.
La presencia de iones de calcio (Ca2+) y magnesio (Mg2+) es la principal causa de la dureza en el agua. Aunque existen otros cationes como aluminio y hierro en ella, lo cierto es que su presencia es menos crítica. Esta dureza puede ser temporal debido a la asociada a la presencia de calcio en forma de carbonaros/bicarbonatos en el agua (Ca(HCO3) y también existe la dureza permanente que está ligada a sulfatos y cloruros.
Cuando hay presencia de altas concentraciones de cal y magnesio en el agua y éstas no se separan o precipitan correctamente para eliminar su dureza, se produce la formación de cristales e incrustaciones en los circuitos, pudiendo provocar manchas y obstrucciones y llegando incluso a afectar gravemente al proceso y a los costes de mantenimiento asociados a los mismos (pérdidas de carga, mantenimiento de bombas, canalizaciones equipos mecánicos de separación de sólidos…etc).
Fundamentos de la dureza cálcica en las aguas y parámetros a controlar
La dureza se mide normalmente en ºF (grados franceses) y 1 ºF equivale a 10 mg/l de CaCO3 (carbonato cálcico). Podemos clasificar el tipo de agua según su dureza como:
- Blanda: ≤2 ºF
- Leve dura: ≤6 ºF
- Moderada dura: ≤12 ºF
- Dura: ≤18 ºF
- Muy dura >18ºF
Es decir, en aquellas concentraciones por encima de 180 ppm de carbonato cálcico estamos hablando de agua muy dura.
En procesos industriales de determinados sectores y en función del uso de cal o del agua de captación existen concentraciones > a 1500 mg/l de dureza cálcica. Como se mencionaba antes, la mayoría de los problemas conocidos por agua con presencia importante de dureza se relacionan por formación de incrustaciones y atascos. Las incrustaciones a su vez están relacionadas con problemas de manchas y ensuciamiento y pueden además generar aislamientos térmicos. Estas incrustaciones provocan que la trasferencia térmica disminuya y por ello se necesita más tiempo y combustible para calentar el proceso. En los procesos de refrigeración, por el contrario, provoca que aumente el tiempo necesario para el proceso de enfriamiento y también un aumento en el consumo energético de los procesos. Otros de los problemas es el aumento en los gastos de mantenimiento preventivo y correctivo, originado por necesidades de desincrustaciones.
Otro parámetro importante a estudiar, ajustar y controlar en la reducción de la dureza cálcica y el control o prevención de incrustaciones es el pH. El pH es la medida de la acidez o alcalinidad de una disolución. La escala de este parámetro va desde 0 a 14 – siendo aguas acidas desde 0 a 7 y aguas alcalinas las superiores a 7 – y tomándose el valor 7 se toma como el valor neutro. El pH es muy importante, ya que afecta al estado de las disoluciones, es decir, a la forma en la que actúan los distintos compuestos que se pueden añadir a las disoluciones y sus resultados diferentes.
Un pH ligeramente ácido en el agua es un precursor de corrosión por falta de sales y un pH básico es un indicador de posibles formaciones de incrustaciones por lo que el agua dura está relacionada con presencia de cal y magnesio y con un pH alcalino.
Para determinar el carácter agresivo o incrustante del agua normalmente se tiene en cuenta los diversos equilibrios en el agua del ácido carbónico, la relación bicarbonatos-carbonatos, el pH, temperatura, concentración de calcio y alcalinidad; existen varios índices que engloban o ponderan estos factores obteniendo unos rangos de valor para poder definir el carácter de esa agua; el comúnmente utilizado es el Índice de Langelier que relaciona el pH real con el pH de saturación en función de la naturaleza y la previa caracterización del agua.
En función de la naturaleza del agua de captación o las características del agua residual, la acumulación de sales minerales en las distintas líneas de flujo de las diferentes industrias o EDAR, provoca graves problemas de incrustaciones en pozos, orificios, revestidores, tuberías de producción, valvulería, bombas…, y en consecuencia, una reducción importante de la productividad.
Por tanto, para reducir la dureza se debe llevar el equilibrio del CO2 a la formación de carbonatos para que a un pH determinado precipite en forma de carbonato cálcico y con unca correcta separación del precipitado se reduzca a su vez la dureza sin afectar por incrustaciones los procesos posteriores.
Influencia del CO2 en este tipo de aguas
Para evitar los problemas derivados de la alta concentración de dureza cálcica o de las incrustaciones de las aguas si no se separa correctamente el precipitado o se dosifica en el punto exacto el CO2, hay que realizar un óptimo control mediante la estabilización química del agua consistiendo en ajustar el pH, la concentración de dióxido de carbono libre, o la concentración de carbonatos (CaCO3) del agua a su equilibrio de saturación de Ca(HCO3)2. Las aguas pueden contener diferentes cantidades de CO2 libre, el cual influye en el comportamiento del carbonato de calcio contenido en tales aguas. Se dice que el CO2 de equilibrio es la cantidad de dióxido de carbono que debe estar presente en el agua para mantener en solución al bicarbonato que se encuentra en dicha agua. Si existe CO2 en exceso, éste ataca al CaCO3 para aumentar la concentración del bicarbonato y mantener el equilibrio; por otro lado, si hay deficiencia de CO2, el CaCO3 se precipita para disminuir la concentración de bicarbonato, aumentando así el CO2 y restableciendo el equilibrio (ver figura 1).
Si el CO2 libre es mayor que el CO2 de equilibrio, existe exceso, por lo que se considera que el agua es agresiva. Si el CO2 libre es igual al de equilibrio, el agua está en equilibrio. Sin embargo, cuando el CO2 libre es menor que el de equilibrio, existe deficiencia en el CO2 de equilibrio, y se dice que el agua es incrustante.
Cuando el CO2 se disuelve en el agua, reacciona con ella para formar ácido carbónico,disociándose en iones hidrógeno y el ion bicarbonato siguiendo la reacción:
En aguas con elevada dureza cálcica, dosificando de manera óptima CO2, precipitamos los iones causantes de la misma mediante la reacción:
CO2 + Ca(OH)2 ⇒ CO3Ca ↓ + H2O
Realizando posteriormente una correcta separación del precipitado y supervisando el ajuste y control de la dosificación de CO2 gracias al sistema de monitorización AqScan® en función del pH de entrada, pH objetivo y el Índice de Langelier, conseguimos reducir la dureza a la vez que se evita la formación de nuevas incrustaciones en la línea de flujo, reduciendo los costes económicos de mantenimiento y evitando posibles paradas parciales de producción.
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