Impacto en la salud por consumo de agua dura en pobladores de la parte baja del río Chili, Arequipa, Perú (página 3)

Enviado por Willevaldo Melitón León Hancco

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6.1 Cálculos para la determinación de la dureza total del agua.

Establecer un método de ensayo para determinar la dureza total del agua en muestras tomadas en las irrigaciones de la parte baja del río Chili – Arequipa.

1.- Almacenaje de la muestra.

Las muestras han sido recolectadas y almacenada en botellas tipo PET reciclado, bien tapado y colocadas en una caja con hielo a fin de asegurar su preservación durante el transporte hasta el laboratorio.

2.- Campo de aplicación.

El análisis de la dureza total en muestras de aguas es utilizado en la industria de bebidas, lavandería, fabricación de detergentes, acabados metálicos, teñido y textiles. Además en el agua potable, agua para calderas, etc.

6.1.2 Método.

Este método está basado en la cuantificación de los iones calcio y magnesio por titulación con el EDTA y su posterior conversión a Dureza Total expresada como CaCO3.

1.- Principios.

La muestra de agua que contiene los iones calcio y magnesio se le añade la solución buffer de PH 10, posteriormente, se le agrega el indicador eriocromo negro T (ENT), que hace que se forme un complejo de color púrpura (ecuación 1), enseguida se procede a titular con EDTA (sal disódica) hasta la aparición de un color azul (ecuación 2).

Reacciones:

2.- Interferencias.

En la Tabla 6.1, se encuentran la lista de la mayor parte de las sustancias que interfieren. Sí existen más de una sustancia interferentes, los límites dados en la tabla pueden variar. La turbidez se elimina por filtración.

Tabla 6.1 Interferencia de la Dureza Total por otros Elementos

6.1.3 Material y reactivos.

2 matraces volumétricos de 1000 ml
2 matraces volumétricos de 100 ml
1 cápsula de porcelana
1 soporte con pinzas para bureta
2 matraces erlenmayer de 125 ml
1 pipeta de 10 ml
2 frascos goteros de 100 ml

Solución buffer PH 10

Disolver 6.56 gr. de NH4Cl y 57 ml de NH4OH en agua destilada y aforar a 100 ml.

Solución de Eriocromo Negro T

Disolver 0.5 g de Eriocromo negro T y 4.5 gr. de clorhidrato de hidroxilamina en 100 ml de etanol.

Solución de EDTA (sal disódica)

Disolver 2 gr de EDTA (sal disódica) más 0.05 gr de MgCl2.6H2O en agua destilada y aforar a 1000 ml.

Solución de CaCl2 0.01 N

Disolver 0.5 gr de CaCO3 secado a 110 °C durante 2 horas y disolverlo en 10 ml de HCl 3N y aforar a 1000 ml con agua destilada.

6.1.4 Estandarización.

La estandarización del EDTA (sal disódica) se hace de la siguiente manera: colocar 5 ml de solución de CaCl2 en un matraz Erlenmayer de 125 ml, se añaden 5 gotas de solución buffer de pH 10 y 3 gotas de indicador de Eriocromo negro T, aparece un color púrpura en presencia de iones de calcio y magnesio, y se procede a titular con la solución de EDTA cuya molaridad se desea conocer, se termina hasta la aparición de un color azul.

La Molaridad del EDTA es 0.0101 M

6.1.5 Procedimiento

Colocar 5 ml de la muestra de agua en un matraz erlenmayer de 125 ml.
Agregar 5 gotas de solución buffer PH 10.
Añadir 3 gotas de eriocromo negro T.
Titular con EDTA (sal disódica) 0.0101 M.
Vire de púrpura a azul.

6.1.6 Cálculos

Cálculos para dureza total expresada como mg/l (ppm) de CaCO3.

?????? ???? ????????3 ?? ?? ?? ?? 1 000 ???? ???? ???????????????? (???????? ?????????? ????????3
) (3)

Donde:

V = ml gastados de EDTA

M = Concentración del EDTA (0,0101M)

Para determinar la D.T. del agua en cada uno de las irrigaciones ubicadas en la parte baja del río Chili, reemplazamos en la ecuación (3), los valores de la siguiente tabla:

Tabla 6.2 Datos obtenidos para la determinación de la dureza total.

De esta manera tenemos los siguientes resultados:

Determinación de la D.T. para la irrigación de La Joya-El Ramal

?????? ???? ????????3 5,44 ???? ?? 0,0101??????/?? 25 ?????? (100 ????/??????)

?????? ???? ????????30,219957??????*1 000????????

??????????????3=219,96 ????/??

Determinación de la D.T. para la irrigación de La Joya

?????? ???? ????????3 5,48 ?? 0,0101 ?? 1 000 25?? (100)

??????????????3=221,64

Determinación de la D.T. para la irrigación de El Valle de Vítor

?????? ???? ????????3 9,46 ?? 0,0101 ?? 1 000 25?? (100)

??????????????3=382.28

Determinación de la D.T. para la irrigación de La Cano

?????? ???? ????????3 24,37 ?? 0,0101 ?? 1 000 25?? (100)

??????????????3=984,55

Determinación de la D.T. para la irrigación de San Isidro

?????? ???? ????????3 5,38 ?? 0,0101 ?? 1 000 25?? (100)

??????????????3=217,25

Determinación de la D.T. para la irrigación de San Camilo

?????? ???? ????????3 5,45 ?? 0,0101 ?? 1 000 25?? (100)

??????????????3=220,16

Tabla 6.3 Dureza total en las irrigaciones de la parte baja de río Chili.

6.2 Cálculos de ingeniería para reducir la dureza del agua.

Descripción de proceso de precipitación con Cal – Soda.

Este proceso emplea el producto de solubilidad de un compuesto que contiene un ion o radical que es considerado perjudicial y que, en consecuencia debe ser eliminado. El ablandamiento con cal es el proceso de precipitación usado con mayor frecuencia, consiste en la reducción de la dureza por la adición de cal hidratada al agua para precipitar CaCO3, Mg(OH)2 o ambos.

El radical hidroxilo es el componente reactivo de la cal que convierte CO2 y HCO3 en CO3–2, precipitándose CaCO3, como se muestra en las siguientes reacciones:

????(????2+2 ????2?????(??????32
(4)

????(????2+ ????(??????32? ????????3? +2??2?? (5)

También pueden usarse otros compuestos hidróxidos (NaOH o KOH), sin embargo el costo de la cal es más bajo, sólo resultarían convenientes los hidróxidos mencionados si se dispone de ellos como subproductos.

Este método no es tan simple como aparenta, ya que se forman pares de iones y en virtud de las interferencias impide su precipitación en el tiempo normal de la reacción. El equipo empleado lo conforma un tanque con capacidad diseñada de acuerdo a las necesidades y requiere un tiempo de retención.

Esta técnica constituye uno de los métodos generales que se emplean a nivel industrial para ablandar el agua. Este proceso consiste en aplicar cal Ca(OH)2 y carbonato de sodio (Na2CO3) al agua cruda. La cal reacciona con los bicarbonatos solubles de calcio y de magnesio, que son los que causan la dureza por carbonatos y forman carbonato de calcio e hidróxido de magnesio que son insolubles, que corresponde a las siguientes ecuaciones químicas.

????2+ ????(????2 ?????????3? + ??2?? (6)

????(??????32+ ????(????2 ?2????????3? + 2??2?? (7)

????(??????32+ 2????(????2 ?2????????3? + ????(????2? +2??2?? (8)

El carbonato de sodio (Na2CO3) reacciona con los compuestos solubles no carbonatados de calcio y de magnesio que causan la dureza por no carbonatos, precipitando compuestos insolubles de calcio y de magnesio y dejando en solución compuestos de sodio que no consumen jabón.

????????4+ ????(????2 ?????(????2? + ????????4
(9)

????????4+ ????2????3 ?2????????3? + ????2????4
(10)

El sulfato de magnesio es considerado como la dureza no carbonatada, en la ecuación (4) apreciamos que hace un tratamiento con cal hidratada Ca(OH)2, como producto de esta reacción tenemos un precipitado de hidróxido de magnesio y como sub producto sulfato de calcio (CaSO4), el cual también es considerado como dureza no carbonatada y es tratado con carbonato de sodio (Na2CO3), dando un precipitado final de carbonato de calcio (CaCO3) insoluble y sulfato de sodio (Na2SO4), este último no es dañino para la salud.

La separación por coagulación puede ser una buena alternativa cuando el agua presenta turbidez y su calidad es variable, o cuando la recalcinación de lodos puede llevarse a cabo. Se sugiere efectuar una presedimentación cuando el agua está muy turbia, la aglomeración de carbonato de calcio es rápida cuando los cristales de CaCO3 están libres de coloides orgánicos.

Dureza carbonatada (DC) y dureza no carbonatada (DNC).

Aquella parte de la dureza total que es químicamente equivalente a los bicarbonatos presentes en el agua se considera como dureza carbonatada (DC). Como los bicarbonatos es generalmente medido como alcalinidad y expresado en términos de CaCO3 la alcalinidad en la mayoría de las aguas naturales se considera a la dureza carbonatada.

6.2.3 Dureza no carbonatada negativa (-DNC)

Ciertas aguas naturales, en especial aguas alcalinas, contienen alcalinidad en exceso que la dureza total, al realizar la diferencia obtenemos –DNC, este resultado es llamado como dureza no carbonatada negativa. Esto indica que hay más bicarbonatos que los necesarios para combinarse con los iones metálicos bivalentes presentes. El exceso de iones bicarbonatos se combinan con iones metálicos monovalentes (Ejem: Na+ y K+), incluye la dureza no carbonatada, sulfatos, cloruros y nitratos de calcio y magnesio por los tanto:

DC (mg/l) = DT (mg/l) – Alcalinidad (mg/l) (15)

Cálculo de: DT, DC, DNC, Ca, Mg y CO2 (mg/l como CaCO3) "La Cano"

Cálculo de la dureza total: ???? =984,55 ??????????????3, por dato

Cálculo de la dureza carbonatada:

DC = Alcalinidad (ecuación 11)

Alcalinidad total en mg/l de CaCO3

?????? ????????3= ???? á??*?? á??*?????? ????????3*1 000 000???? ???? ??????????????
(16)

?????? ????????3= 0,9*0,0993*0,050*1 000 00025

?????????????????????? =178,74 ?????? ????????3

??í ???? >??????????????????????, según la ecuación (12). Entonces:

????=178,74 ?????? ????????3

Cálculo de la dureza no carbonatada:

DNC = DT – Alcalinidad (ecuación 14)

?????? =984,55 ??????????????3- 178,74 ?????? ????????3

?????? =805,81 ??????????????3

Cálculo de calcio como CaCO3:

?????? ????= (?? * ?????????? * ????????????*1 000 000???? ???? ??????????????
(17)

?????? ????= (18,70 * 0,0101 * 0,10*1 000 00025

????= 755,48 ?????? ????????3

Cálculo de magnesio como CaCO3:

?????? ????= ??????- ??????* ?????????? * ????????????*1 000 000???? ???? ??????????????
(18)

?????? ????= 22,6- 18,70* 0,0101 *0,1*1 000 00025

????= 157,56 ?????? ????????3

Cálculo de CO2 como CaCO3:

??????= 0,00 ?????? ????????3,

6.3 Determinación de la Cal y Soda necesarias en el proceso de ablandamiento.

Hay tres pasos a seguir en la determinación de las cantidades de cal y soda requerida en el proceso de ablandamiento.

1. Determinar la calidad del agua deseada, o sea el grado de ablandamiento. Por lo general se elige una dureza final entre 70 y 100 mg/l como CaCO3. La alcalinidad elegida generalmente está entre 35 y 50 mg/l como CaCO3. Estos intervalos son para aguas clasificadas como duras que se encuentran entre las concentraciones de 150 mg/l de CaCO3 – 300 mg/l de CaCO3.
2. Calcular la cantidad de cal requerida usando la relación.

????????????= ????2+ ????+??????+ ????56100
(19)

Donde:

(CO2) : mg/l CO2 como CaCO3

DC : Dureza carbonatada como CaCO3

?????? : Magnesio carbonatada como CaCO3 menos 41

XS : Exceso de cal sobre estequiometria, generalmente calculado en base a 20% de la suma de ????2+ ????+??????

56100 : Factor de conversión de mg/l como CaCO3 a mg/l como CaO

3. Calcular la cantidad de soda requerida en base a la relación.

??????????2????3= ??????- ??106100
(20)

Donde:

DNC : Dureza no carbonatada

X : Cantidad de dureza no carbonatada como CaCO3 que no se desea remover

106100 : Factor de conversión de mg/l como CaCO3 a mg/l como Na2CO3

Cálculo de Cal y Soda: La Cano

El agua de La Cano, tiene un análisis de:

Dureza total : 984,55 mg/l de CaCO3

Dureza carbonatada (DC) : 178,74 mg/l de CaCO3

Dureza no carbon. (DNC) : 805,81 mg/l de CaCO3

Ca como CaCO3 : 755,48 mg/l de CaCO3

Mg como CaCO3 : 157,56 mg/l de CaCO3

CO2 como CaCO3 : 0 mg/l de CaCO3

Calidad de agua deseada

Fijamos una dureza total de 200 mg/l de CaCO3 (agua dura), y alcalinidad de 100 mg/l de CaCO3 como propósitos de ablandamiento. Debido que en la irrigación La Cano tenernos un agua clasificada como muy dura (984,55 mg/l de CaCO3).

Cal requerida

Reemplazamos en la ecuación (19), todos los valores necesarios para poder determinar la cantidad de cal (CaO).

????????????= 0 + 178,74 157,56-41+ ????56100

????????????= 0 + 178,74 116,56+ ????56100

????????????= 295,30+ ????56100

???? :???? ???? 20% ???? ???? ???????? ???? ????2+ ????+??????; ????=295,30(0,20) Entonces ????=59,06 ?????? ????????3

????????????= 295,30+ 59,0656100

??????= 198,44 ??????

Soda requerida

Reemplazamos en la ecuación (20), para poder determinar la cantidad de carbonato de sodio por litro de agua dura.

??????????2????3= 805,81- 100106100

????2????3=748,16 ??????

Aplicación y obtención de resultados.

Se toma un litro de agua en un vaso de precipitado, clasificada como agua muy dura porque tiene una dureza total de 984,55 mg/l de CaCO3.
Pesar 0,2523 gramos de CaO y 0,5586 gramos de Na2CO3. Luego verter al vaso que contiene la muestra y hacer una dilución por completa.
Dejar precipitar por una hora, si no existe una precipitación completa se procedemos a filtrar para poder realizar el análisis del agua filtrado.

El proceso de ablandamiento puede ser selectivo en cuanto a la remoción de dureza de calcio y magnesio. El agua que contiene magnesio en bajas concentraciones puede ser tratada con cal para remover el carbonato de calcio que se forma, un exceso de cal es suficiente para remover el magnesio. Cuando se tienen grandes cantidades de magnesio, es necesario agregar cal suficiente para estabilizar el pH en 10,5 por lo menos, que es el punto de máxima precipitación del hidróxido de magnesio. En caso de tratarse de un no carbonato, éste puede reducirse mediante la adición de Na2CO3 y el hidróxido de sodio es sustituido por cal y Na2CO3

Figura 6.1 Ablandamiento en una etapa y recarbonatación

Cuando se adiciona el Ca(OH)2 se precipita CaCO3 además de Ca(HCO3)2, si se elige la adición de cal mas carbonato de sodio se produce CaCO3 como precipitado, así como Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 , CaSO4 y MgSO4. En la etapa de recarbonatación el carbonato de calcio se convierte en Ca(HCO3)2. Si es necesario se hace un ablandamiento en una segunda etapa, si existe la presencia de magnesio en altas concentraciones.

Se obtiene los siguientes resultados a nivel del Laboratorio:

Dureza total en mg/l de CaCO3:

?????? ???? ????????3 5,90 ?? 0,0101 ?? 1 000 25?? (100)

?????????? ?????????? =238,36 ??????????????3

Cálculo de la alcalinidad total en mg/l de CaCO3:

?????? ????????3= 0,6*0,0993*0,05*1 000 00025

?????????????????????? ?????????? =119,16 ?????? ????????3

Cálculo de calcio en mg/l de CaCO3:

?????? ????= (2,40 * 0,0101 * 0,040*1 000 00025

????= 96,96 ?????? ????????3

Cálculo de magnesio en mg/l de CaCO3:

?????? ????= 5,90- 2,40* 0,0101 *0,0243*1 000 00025

????= 141,40 ?????? ????????3

Ha realiza el cálculo de la cantidad requerida de cal y soda, solamente para la irrigación La Cano, debido que estos pobladores tienen mayor incidencia de Litiasis Urinaria, por la ingesta diaria de aguas muy duras. De esta manera se puede determinar para cada una de las irrigaciones de la parte baja del río Chili, y también para cualquier tipo de agua que son clasificadas como aguas duras y muy duras.

Es necesario deshidratar los lodos de cal carbonato resultante para lograr su adecuada disposición, mientras menor sea el volumen de lodos, menor será el costo. Estos lodos secan en tiempos razonables en lechos al sol, dichos lechos contienen membranas impermeables para proteger el suelo y evitar que se percuele algo a los mantos freáticos. Cuando los lodos se secan, se remueven como finas capas que se llevan a un tratamiento posterior.

Se puede recuperar la cal y los carbonatos al incorporarlos nuevamente al proceso de elaboración de cal. Si se encuentra presente magnesio, es necesario recarbonatar los lodos antes de deshidratarlos, lo cual se logra con una mezcla de aire – CO2 (25/75). Segundo, los residuos sólidos se calcinan a temperaturas del orden de 871º-1204ºC. Un análisis típico de la cal recalcinada es: CaO 90,8%; MgO 4,1%; SiO2 2,1%. Por cada tonelada de cal usada para el ablandamiento, se recupera de 1,2 a 1,3 toneladas de cal, por lo tanto, el exceso puede venderse para diversas aplicaciones tales como:

Estabilizador de suelos de caminos, carreteras y aeropuertos.
Procesos de obtención de metales no ferrosos como cobre, zinc, uranio, aluminio y oro.
Fabricación de gabinetes de computadora, teléfonos y cables de fibra óptica.
Fabricación de pinturas, espuma de bajo alfombras y algunos plásticos.
Purificación de metales para joyería.
Fabricación de papel y producción de botellas.
Para actividades de curtiduría, etc.

Conclusiones

PRIMERA

Las irrigaciones de: La Joya-El Ramal, La Joya, San Camilo y San Isidro (con DT de: 219,96; 221,64; 220,16 y 217,25 mg/l de CaCO3 respectivamente) se abastecen de aguas tipificadas como "duras", mientras que La Cano y el Valle de Vítor se abastecen para consumo humano de aguas "muy duras" (984,28 mg/l y 382,28 mg/l de CaCO3 respectivamente). Según la clasificación del MISA.

SEGUNDA

El consumo prolongado de aguas que presentaban concentraciones > 120 mg/l de CaCO3 presentan un factor de riesgo para el padecimiento de esta enfermedad, según estudio de Mora et al. 2002. Lo que concordó con nuestro estudio, que concentraciones =300 mg/l de CaCO3 estuvieron asociadas a una alta prevalencia de litiasis. De 90 personas encuestadas en el Valle de Vítor y en La Cano, 23 dijeron haber sufrido la enfermedad; y de un total de 170 personas encuestados en La Joya-El Ramal, La Joya, San Camilo y San Isidro, sólo 26 sufrieron la enfermedad.

TERCERA

La morbilidad por litiasis de cálculo al riñón y de uréter, es de 9%, 28% y 13% que corresponden a las irrigaciones de La Joya-La Cano, San Isidro-San Camilo y El Valle de Vítor respectivamente, siendo más alto en el segundo grupo, debido que no cuentan con ningún tipo de tratamiento de agua de consumo humano.

CUARTA

Al realizar un tratamiento a nivel del laboratorio las aguas de la irrigación La Cano, se logró reducir la dureza total de 984,55 mg/l de CaCO3 a 238,36 mg/l de CaCO3, así como la alcalinidad a 119,16 mg/l de CaCO3, calcio a 96,96 mg/l de CaCO3 y magnesio a 141,40 mg/l de CaCO3.

Recomendaciones

PRIMERA

Hacer un pre-tratamiento las aguas que son clasificados como aguas muy duras, aplicando la técnica de ablandamiento con Cal – Soda, para reducir la dureza temporal y la dureza permanente respectivamente, después de este recién se recomienda el uso intercambiadores iónicos u otra técnica similar.

SEGUNDA

En caso de personas con antecedentes de cálculos en las vías urinarias, se sugiere consumir más de 8 vasos diarios de agua con niveles inferiores a 120 mg/l de CaCO3.

TERCERA

Mejorar los centros de Salud, implementándolos con mejores equipos urológicos que permitan manejar la alta prevalencia de litiasis en la zona.

CUARTA

Solicitar al gobierno local y regional la construcción de represas para hacer el tratamiento con cal – soda a estas aguas duras y muy duras, debido a que estos compuestos son de bajos costos.

QUINTA

Efectuar estudios a futuro para definir otros factores o solutos que podrían estar involucrados en el desarrollo de la enfermedad.

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