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                                                                                                                                         ARRIBA                   ( PRINCIPAL )

 

                                                                                           CLORACION

 

    Introducción . Factores que influyen en la cloración . Reacciones del cloro en el agua                                 

    Demanda de cloro y break point . Cloro residual en la red de distribución

    Equipos e instalaciones de cloración . Absorción y neutralización del cloro en caso de fugas .

    Enlaces relacionados con el cloro . Ensayos de cloración

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 Introducción

Es ampliamente conocido el hecho de que las grandes epidemias de la humanidad han venido por la vía de la contaminación del agua. y aunque en la actualidad han sido prácticamente dominados estos problemas, no quiere decir que hayan desaparecido los peligros que las diferentes contaminaciones del agua pueden originar. Es este el principal motivo que impulsa a aplicar continuamente los procesos técnicos más actuales y el empleo de nuevos productos, para conseguir mediante el tratamiento adecuado, un agua de calidad sanitaria óptima, teniendo en cuenta que el agua, en sus diferentes fuentes de captación, está cada vez más deteriorada.  

En el proceso de oxidación de las diferentes sustancias presentes en el agua y su esterilización, el producto más ampliamente utilizado es el cloro ( en los pequeños abastecimientos se suelen emplear derivados del cloro).Si bien en algunas aguas no llega a lograrse el objetivo deseado, dada la presencia de diversas sustancias, con las que el cloro no es tan efectivo, o bien a que precisamente el cloro conduce en su reacción con otras sustancias orgánicas a la formación de compuestos orgánicos clorados muy cuestionados por su potencial perjuicio para la salud (por ejemplo los trihalometanos). Estas circunstancias han llevado a la utilización de otros productos, que si bien no le sustituyen completamente, sí lo complementan, entre los que destacan principalmente el dióxido de cloro y el ozono.  

No vamos a exponer las características físico-químicas del cloro, pero habrá que tener presente que, para su eficaz y seguro manejo, hay que partir del conocimiento de todas ellas.

La aplicación del cloro, directamente como tal, data de 1912 en EE.UU. En 1913, Wallace y Tiernan introducen unos equipos que permiten medir el cloro gas y formar una solución concentrada que es la que se aplica al agua a tratar. Desde entonces la técnica de la cloración se ha ido perfeccionando y ampliando su adopción como práctica habitual en la desinfección del agua La esterilización es una de las principales fases del proceso de tratamiento del agua. Empleando el cloro en este proceso se contemplan dos etapas: precloración, realizada antes de la fase de coagulación-floculación, y poscloración o esterilización, que suele ser la última etapa del tratamiento.  

Aún cuando el principal objetivo de la cloración comenzó siendo, y aún lo es, la destrucción de gérmenes, dado su gran poder bactericida, no debe olvidarse que su elevado poder oxidante origina otros efectos también muy importantes, como pueden ser la contribución a la eliminación del hierro y manganeso, eliminación de  sulfhídrico, sulfuros y otras sustancias reductoras, reducción de sabores existentes antes de la cloración o bien producidos por los compuestos de adición formados por el cloro, impedir el crecimiento de algas y otros microorganismos que interfieren en el proceso de coagulación-floculación y filtración, mantener los lechos filtrantes libres de posibles crecimientos de bacterias anaerobias, reducción del color orgánico, etc.,

La desinfección del agua y más concretamente la cloración, está siendo objeto de polémica en los últimos años, como consecuencia, principalmente, de los subproductos de la desinfección, llegando a cuestionarse la necesidad de la propia desinfección en muchos casos. Las reglamentaciones de los países difieren bastante a este respecto, algunos incluso no requieren de forma expresa el empleo de desinfectantes en el tratamiento del agua, si bien es cierto que las calidades de las aguas en origen son muy distintas y más aún entre los diferentes países.  

La reciente Directiva Europea relativa a la calidad de las aguas destinadas al consumo humano, no requiere de una forma directa el empleo de desinfectante, ni el mantenimiento de éste en la red de abastecimiento. La Directiva fija unas características microbiológicas mínimas que los distintos países miembros deberán mantener, siendo por tanto éstos los que decidirán el empleo o no de desinfectante para cumplir con los valores paramétricos exigibles.  

Muchos países, dentro y fuera de la UE, debido a las características de sus aguas, generalmente superficiales, acuden a la desinfección, principalmente con cloro y mantienen una determinada concentración de residual en sus redes de distribución. Esta desinfección puede traer consigo la generación de sustancias perjudiciales para la salud de los consumidores, conocidas como subproductos de la desinfección, con valores máximos fijados en la propia Directiva, y que han sido a veces el motivo para no emplear desinfectante o al menos replantearse su empleo. En cualquier caso, como la misma Organización Mundial de la Salud indica, no se debe comprometer o dejar en segundo término, una correcta desinfección, ante los efectos a largo plazo que originarían los subproductos de la desinfección. 

Como quiera que en las redes de los sistemas de distribución es necesario, y a veces obligatorio en algunos países, el mantenimiento de un desinfectante residual, en este artículo se expone y analiza en su parte final, el empleo de las cloraminas como desinfectante secundario (postdesinfección), para mantener durante más tiempo una determinada concentración de cloro residual combinado en el sistema de abastecimiento, y a la vez, dado que las cloraminas penetran más en el biofilm interno de la red, inactivar los microorganismos e inhibir su crecimiento. 

Por otra parte, el empleo de las cloraminas genera menos subproductos de desinfección y presentan  menos tendencia que el cloro a provocar olores y sabores en el agua tratada, sin olvidar algunos problemas ligados al empleo de las cloraminas, destacando principalmente los fenómenos de nitrificación

PROPIEDADES DEL CLORO

Color: Amarillo verdoso.

Olor: Sofocante.

Peso atómico: 35,457.

Peso molecular: 70,914.

Número atómico: 17.

Densidad del gas respecto del aire: 2,49.

Un litro de cloro gas (0 °C, 1 atm) pesa: 3,214 g.

Un kg de cloro gas (0 °C, 1 atm) ocupa: 311 I.

Un volumen de cloro líquido al vaporizarse origina: 457,6 volúmenes de gas.

Temperatura de ebullición (1 atm): - 34,1 °C.

Temperatura de congelación (1 atm): - 101,0 °C.

Viscosidad del gas a 20 °C: 0,013 centipoises.

Viscosidad del líquido a 20 °C: 0,34 centipoises.

Calor específico:

Gas (a 1 atm, 0 °C-100 °C):

Cp: 0,124 kcal/kg. °C.

Cv: 0,092 kcal/kg. °C.

Líquido (0 °C-24 °C) 0,226 kcal/kg. °C.

El «cloro seco» (entendiendo por tal el que contiene menos de 100 mg de agua por metro cúbico) es relativamente estable. A temperatura inferior a 100 °C no ataca al cobre, hierro, plomo, níquel, platino, plata, acero y tántalo. Tampoco reacciona con algunas aleaciones de cobre y hierro, como «Hastelloy», «Monel» y numerosos tipos de aceros inoxidables.

El «cloro húmedo», por el contrario, es muy reactivo. Prácticamente ataca a todos los metales usuales. No así al oro, platino, plata y titanio. A temperaturas inferiores a 149 °C el tántalo es inerte al cloro, bien sea seco o húmedo. Lo resisten bien algunas aleaciones de ferrosilicio.

 

 Factores que influyen en la cloración

 

Entre los principales factores  que influyen en el proceso de desinfección y tratamiento del agua con cloro, figuran los siguientes:

-Naturaleza, concentración y distribución de los organismos que se van a destruir, así como de la concentración y distribución de la sustancia desinfectante y de los productos de su reacción con el agua, así como de las sustancias disueltas o en suspensión presentes en el agua.

-Naturaleza y temperatura del agua objeto del tratamiento.

-Tiempo de contacto entre el cloro y el agua.

-Ph del agua.

Respecto a los anteriores factores, podemos decir, en lo que respecta a los organismos presentes en el  agua, que estos pueden ser muy diversos y con unos requerimientos de cloro para su eliminación muy diferentes.

En el proceso de cloración y en la desinfección en general, las variables usualmente más controlables son:

1)    La naturaleza y concentración del desinfectante

2)    El tiempo de contacto entre el desinfectante y los microorganismos

3)    La mezcla, dispersión y grado de agitación del agua.

 

Para que la cloración resulte eficaz es necesaria una distribución homogénea del cloro en el agua y que la dosis sea adecuada, para obtener un agua tratada inocua. A partir de 0,1 a 0,2 ppm. de cloro libre residual en el agua, ya se percibe sabor, percibiéndose antes cuanto mayor sea la dureza y temperatura del agua. Puede procederse a la decloración o eliminación del cloro en el agua, mediante el empleo de sustancias reductoras,  tales como el anhídrido sulfuroso, el hiposu1fito sódico, etc.,. Utilizando cantidades apropiadas de estos productos se puede eliminar la cantidad de cloro deseada. También se puede eliminar el cloro filtrando el agua a través de carbón activo.

Entre las múltiples sustancias que pueden contener las aguas naturales, algunas influyen en gran medida en la eficacia de la cloración. Por ejemplo, en presencia de sustancias orgánicas, la acción desinfectante del cloro es menor. El amoníaco y otros compuestos orgánicos nitrogenados consumen cloro. El hierro y el manganeso reaccionan con el cloro aumentando la demanda de éste, y, una vez oxidados, contribuyen a aumentar la turbiedad del agua.

Las bacterias y virus pueden quedar protegidos de la acción del cloro por los sólidos suspendidos en el agua; de aquí que la eficacia de la cloración se vea  aumentada mediante la subsiguiente filtración y una posterior esterilización.

                            

 

Respecto a la temperatura, la eficacia de cloración aumenta al aumentar aquélla, naturalmente siempre que las demás condiciones permanezcan invariables. A pesar de esto, ocurre que como en el agua a baja temperatura el cloro permanece más tiempo, puede llegar a compensarse la mayor lentitud de la desinfección con la mayor duración del cloro en el agua.

El tiempo de contacto es otro factor importante a tener en cuenta, ya que durante este tiempo tienen lugar las reacciones entre el cloro y el agua y las sustancias en ella presentes. El tiempo de contacto mínimo suficiente para una cloración eficaz es, a su vez, función de la temperatura, pH, concentración y naturaleza de los organismos y sustancias presentes en el agua, así como de la concentración y estado en que se halle el cloro. Como mínimo, el tiempo de contacto deber de ser de diez a quince minutos.

Para que la acción de un desinfectante sea eficaz, hay que mantener una determinada concentración del desinfectante  durante un período de tiempo, es decir, la expresión  C.t, representaría la concentración del desinfectante final en mg./l. (C) durante el tiempo mínimo  de exposición en minutos (t ). La expresión  que nos muestra el efecto de la concentración del desinfectante sobre la velocidad de destrucción de bacterias, se expresa más correctamente por    Cn . t   = Constante.

El exponente n para el cloro varía entre  0.5 y 1.5, dependiendo de la temperatura y del pH

El pH juega un papel de suma importancia y nos detendremos en él cuando tratemos de las reacciones del cloro en el agua. Por ahora diremos que el poder bactericida del cloro es menor para un pH superior a 7, que para otros valores de pH más bajos a éste.  

El tiempo de contacto para lograr  un determinado grado de desinfección disminuye  al aumentar la concentración y tambien como se acaba de indicar, al disminuir el pH. En el gráfico siguiente se observa lo indicado, relacionando el tiempo de contacto necesario para destruir el 90 % de  coliformes a diferentes pH.

   

 

   Reacciones del cloro en el agua

Las reacciones que tienen lugar entre  el cloro  y el agua,  aunque en principio parecen muy simples,  no siempre lo son, ya que el agua objeto de la cloración no sólo es  H2O, sino que en ella  hay diversas sales y materias orgánicas en solución y suspensión. Pero trataremos  en principio sólo de las reacciones de  equilibrio que tienen lugar al reaccionar el  cloro con el agua,que son reacciones de  hidrólisis , se originan ácidos hipocloroso y clorhídrico :  

CL2 + H2O  ↔  CLOH + CLH   (1)

            El ácido clorhídrico es neutralizado por la alcalinidad del agua y el ácido hipocloroso se ioniza, descomponiéndose en iones hidrógeno e iones hipoclorito:

CLOH    H+ + CLO-    (2)

  La  constante de ionización del anterior equilibrio es:

 

                                                         [ H+] * [CLO-]

                                                       ----------------------- = Ki (3)

                                                             [ CLOH ]

           

            La constante de ionización K1 varía con la temperatura como se indica en la siguiente tabla:           

 

  Temper. ºC

5

10

15

20

25

(Moles/l) Ki

1,5.10-8

1,5.10-8

2,0.10-8  

2,2.10-8

2,5.10-8

2,7.10-8

 

                La constante de hidrólisis de la reacción (1) es de tal orden que no existe en el agua una concentración apreciable de CL2 a no ser que la concentración de H+ sea elevada, es decir, que el pH del agua sea bajo, menor de 3, y haya una concentración total de cloruros mayor de 1.000 mg/l.  

            A las temperaturas ordinarias del agua, la hidrólisis del cloro es prácticamente completa en algunos segundos y la ionización del ácido hipocloroso  es una reacción reversible instantánea. El sentido de esta reacción, es fácil ver que se encuentra dirigido por la concentración de iones hidrógeno, es decir del pH. Por tanto, se puede decir que según sea el pH del agua, se obtendrán unos porcentajes diversos de CLOH y CIO- , porcentajes que pueden calcularse mediante la ecuación (3) y la tabla anterior en la que figuran los valores de Ki  partiendo de la relación:

 

                   [ClOH]                                    [CIO-]        

    —————————-  = 1  ÷   ( 1 + ————-)                        (4)

         [ClOH ] [ClO-]                               [ClOH]

 

 

                                                                 [CLO-]                 Ki                          

Y deduciendo de la ecuación (3) que:    ---------------  =   ----------

                                                               [CLOH]                     [H+]

  

  

                           [CLOH]                             Ki

sustituyendo en (4), resulta :     --------------------------  = 1 ÷ ( 1 +  ----------)     (5)

                                                       [CLOH] + [CLO-]                   [H+]

  

           

  

Por ejemplo a 20 º C y pH = 7 , el porcentaje  de ClOH será según (5) :

  

                                                    1

                            _______________________        ;      de donde CLOH = 80 %

                                             2,5 . 10-8                                                                     

                                      1+   --------------

                                                  10-7                                                 

 

 

           

 

                Fig.  1 1.b)  Distribución del ClOH y ClO- en función del pH

 

En las figuras 1.a) y 1.b) se muestran los porcentajes de distribución de ClOH y ClO- , o sus fracciones expresadas en cloro libre,  a varios pH calculados como en el ejemplo anterior. Entre pH 6 y pH 9.5, hay equilibrio entre el ácido hipocloroso sin disociar y disociado. Para pH mayor de 9.5, está prácticamente todo el ácido hipocloroso disociado en ión hipoclorito.

 En forma de tabla se recoge a continuación:                

Distribución de OCl- y HOCl en función del pH del agua

 

pH

OCl- (%)

HOCl (%)

5,5

0,23

99,77

6

0,46

99,54

6,5

1,45

98,55

7

4,46

95,54

7,5

12,86

87,14

8

31,82

68,18

8,5

59,61

40,39

9

82,36

17,64

9,5

93,65

6,35

            El ácido hipocloroso tiene mayor poder oxidante y bactericida que el ión hipoclorito, razón esta que es muy importante tener en cuenta, ya que, como hemos visto, la proporción de ácido hipocloroso e ión hipoclorito es función del pH, debiendo operarse, a ser posible, al pH más idóneo para lograr una más eficiente desinfección.        

La eliminación de bacterias y otros microorganismos, disminuye por tanto al aumentar el pH, La eliminación de bacterias y otros microorganismos, disminuye por tanto al aumentar el pH, así por ejemplo en el rango de pH 7 a 8, la velocidad de destrucción disminuye unas 5 veces al pasar de  pH 7 a pH 8 , por lo que para mantener el mismo ritmo de destrucción de bacterias , la concentración de cloro debe mantenerse 5 veces más alta. El hecho de que la  concentración de ClOH disminuya  al aumentar el pH no supone que disminuya el contenido de cloro libre, sino que la velocidad de reacción es menor.

Teniendo en cuenta que la relación entre las concentraciones de HClO (ácido hipocloroso) y ClO- (hipoclorito) permanecen constante siempre que se mantenga el pH, si una porción de ácido hipocloroso se consume en la oxidación de la materia orgánica y en la destrucción de las bacterias, parte del hipoclorito se combinará con los iones H+ para formar ácido hipocloroso para mantener la relación de concentraciones entre ambos. Lógicamente, se producirá una disminución del cloro libre.

            Por otra parte hay que  tener presente que la eficacia relativa de los distintos desinfectantes que pueden emplearse en la desinfección del agua, a igualdad de factores tan importantes, como el pH y la temperatura, es muy diferente. En el siguiente gráfico de la figura 2 se muestran estas diferencias.

 

                                                                                                   

                                                                                                                                          CONCENTRACION DE DESINFECTANTE (mg./l.)

    Fig.-2. Eficacia relativa de los diferentes desinfectantes químicos ante Coolí a un pH. de 7.5 y una temperatura de 5 ºC  

 

                               Demanda de cloro y break point

La cantidad de cloro que debe utilizarse para la desinfección del agua, se determina generalmente mediante el método de la demanda de cloro  y el de breakpoint.

            Al incorporar el cloro al agua, reacciona con las sustancias que ésta contiene, quedando menos cloro en disposición de actuar como desinfectante. Entre estas sustancias destacan el manganeso, hierro, nitritos, sulfhídrico y diferentes materias orgánicas, las cuales, además de consumir cloro, producen compuestos orgánicos clorados que pueden ser la causa de olores y sabores desagradables. Otra sustancia presente, a veces ,en el agua y que reacciona de una forma muy particular con el cloro es el amoníaco. En este caso se forman compuestos denominados cloraminas, las cuales poseen poder desinfectante, aunque en menor grado que el cloro.

            Si se continúa añadiendo cloro en exceso, de manera que reaccione con todas las sustancias presentes, llegará un momento en que el cloro sobrante aparecerá como cloro residual libre, que es el que realmente actúa ahora como agente desinfectante.

La demanda de cloro es la diferencia entre la dosis de cloro añadida y el contenido de cloro residual al cabo de un tiempo de contacto suficiente para completar las reacciones antes expuestas.

El control perfecto de la desinfección, se efectúa mediante los correspondientes exámenes bacteriológicos del agua, pero para un control más rápido del contenido en cloro libre y combinado de un agua tratada, se determina la concentración de cloro residual mediante el método del DPD, o bien por yodometría y valoración con tiosulfato sódico; también, en instalaciones importantes suelen emplearse instrumentos automáticos de medida permanente, mediante determinaciones colorimétricas o determinaciones amperométricas.

El cloro presente en el agua tratada que se conoce como «cloro residual», puede presentarse como «cloro residual libre» o como «cloro residual combinado».

 El cloro residual libre está constituido esencialmente por el ácido hipocloroso y el ión hipoclorito; y el cloro residual combinado lo forman generalmente las cloraminas.

Para que el cloro residual libre esté presente en un agua tratada con cloro después del suficiente tiempo de contacto, es necesario que la cloración se lleve a cabo mediante una dosis lo suficientemente elevada de cloro, hecho conocido como «dosificación con cloro sobrante», «cloración por el punto crítico» o «cloración al breakpoint», con lo cual el cloro oxidará todas las sustancias que estén en disposición de ser oxidadas, se combinará, destruirá y eliminará otras, como por ejemplo las cloraminas , y después de todo esto aún quedará un exceso de cloro libre residual. La dosis de cloro a la cual comienza a aparecer el cloro libre residual es la llamada dosis de breakpoint. Indicaremos ahora, y después ampliaremos, que algunas de las sustancias orgánicas cloradas  formadas con el cloro libre son causa de preocupación desde el punto de vista sanitario.

Teóricamente, en un agua totalmente pura, al ir adicionando cloro, la concentración residual medida del mismo sería igual al cloro incorporado. Pero esto no ocurre así en aguas que no son completamente puras, que es el caso general. Entonces, al ir adicionando cloro y después de haberse oxidado las diversas sustancias que ya indicamos y formado las cloraminas, si había presente amoníaco y otros compuestos clorados de adición, si medimos ahora el cloro residual, se observará que éste no corresponde al añadido, sino que es menor, llegando incluso a un punto, en que en lugar de ir aumentando la concentración de cloro residual ésta disminuye. La explicación de este descenso se justifica por el hecho de que una vez formados los diversos derivados orgánicos del cloro y las cloraminas, llegan a destruirse mediante la adición de más cloro, formándose otros compuestos que no suministran cloro residual. Cuando se han destruido estos compuestos clorados, comienza a aparecer el cloro residual libre, ya medida que se añade cloro al agua aumenta la concentración de cloro residual libre, pudiendo subsistir a la vez una pequeña concentración de cloro residual combinado, debido a compuestos que no han sido destruidos totalmente. Se considera que cuando el 85 % ó más del cloro residual del agua está en forma libre, la desinfección se ha realizado al breakpoint.

    

  Fig. 3

En la figura 3 queda mostrado de forma gráfica lo anteriormente expuesto. El breakpoint es la dosis correspondiente al mínimo de la curva. Este punto no lo presentan claramente las aguas con poca materia orgánica o compuestos nitrogenados.

Cuando se realiza una cloración al breakpoint, no sólo es el CIOH que persiste al terminar las reacciones ( cloro residual libre) el que se utiliza para la desinfección, sino que también se está utilizando, en parte, para la desinfección, el CIOH que existe durante el desarrollo y consecución del breakpoint. Esta disponibilidad temporal de CIOH es función del pH, temperatura y concentración de cloro y amoníaco. 

Demanda de cloro

La cantidad de cloro que debe utilizarse para la desinfección del agua, se determina generalmente mediante el método de la demanda de cloro  y el de breakpoint.

            Al incorporar el cloro al agua, reacciona con las sustancias que ésta contiene, quedando menos cloro en disposición de actuar como desinfectante. Entre estas sustancias destacan el manganeso, hierro, nitritos, sulfhídrico y diferentes materias orgánicas, las cuales, además de consumir cloro, producen compuestos orgánicos clorados que pueden ser la causa de olores y sabores desagradables. Otra sustancia presente, a veces ,en el agua y que reacciona de una forma muy particular con el cloro es el amoníaco. En este caso se forman compuestos denominados cloraminas, las cuales poseen poder desinfectante, aunque en menor grado que el cloro.

            Si se continúa añadiendo cloro en exceso, de manera que reaccione con todas las sustancias presentes, llegará un momento en que el cloro sobrante aparecerá como cloro residual libre, que es el que realmente actúa ahora como agente desinfectante.

La demanda de cloro es la diferencia entre la dosis de cloro añadida y el contenido de cloro residual al cabo de un tiempo de contacto suficiente para completar las reacciones antes expuestas.

El control perfecto de la desinfección, se efectúa mediante los correspondientes exámenes bacteriológicos del agua, pero para un control más rápido del contenido en cloro libre y combinado de un agua tratada, se determina la concentración de cloro residual mediante el método del DPD, o bien por yodometría y valoración con tiosulfato sódico; también, en instalaciones importantes suelen emplearse instrumentos automáticos de medida permanente, mediante determinaciones colorimétricas o determinaciones amperométricas.

El cloro presente en el agua tratada que se conoce como «cloro residual», puede presentarse como «cloro residual libre» o como «cloro residual combinado».

 El cloro residual libre está constituido esencialmente por el ácido hipocloroso y el ión hipoclorito; y el cloro residual combinado lo forman generalmente las cloraminas.

Para que el cloro residual libre esté presente en un agua tratada con cloro después del suficiente tiempo de contacto, es necesario que la cloración se lleve a cabo mediante una dosis lo suficientemente elevada de cloro, hecho conocido como «dosificación con cloro sobrante», «cloración por el punto crítico» o «cloración al breakpoint», con lo cual el cloro oxidará todas las sustancias que estén en disposición de ser oxidadas, se combinará, destruirá y eliminará otras, como por ejemplo las cloraminas , y después de todo esto aún quedará un exceso de cloro libre residual. La dosis de cloro a la cual comienza a aparecer el cloro libre residual es la llamada dosis de breakpoint. Indicaremos ahora, y después ampliaremos, que algunas de las sustancias orgánicas cloradas formadas con el cloro libre son causa de preocupación desde el punto de vista sanitario.

 

Cloro residual en la red de distribución     

 

            El consumo de cloro en el agua de una red de distribución se debe, por una parte, al consumo del cloro por la propia agua (sustancias presentes en ella y otras condiciones físicas) y por otra, al consumo que se produce en la interfase con las paredes de las conducciones. 

            En el agua, el consumo depende principalmente de la temperatura y del contenido en materias orgánicas disueltas (COT).

            En la interfase con las paredes, el consumo de cloro se produce por la interacción con los productos de corrosión y por los depósitos y biomasa fijada en las paredes.

            La disminución del cloro residual en una masa de agua, viene expresada por la ecuación exponencial siguiente:

                        C(t) = C0.e-kt 

            C(t) = Concentración de cloro (mg/l.) en el tiempo t.

            C0   = Concentración inicial de cloro (mg/l.)

            t      = Tiempo de reacción.

Es decir, hay una disminución exponencial de cloro residual con el tiempo.

La constante K puede ser calculad por la siguiente ecuación:

 

                        K =  ln (C0/Ct)                                 

                                   T

            Un tiempo de exposición mínimo es necesario para que la concentración de cloro aplicado garantice la desinfección.

  En 1908, los investigadores Chick y Watson desarrollaron lo se llamó la ley de Chick . Este principio describe el tiempo y la concentración de desinfectante que se necesita para matar los microbios en el agua , determinaron que al aumentar el tiempo de  duración del contacto del desinfectante en el agua, disminuye el número de microbios en esta comprobandose que este producto es importante en la destrucción de microbios potencialmente nocivos.

            Para un agua correctamente pretratada, se debe mantener un C.t del orden de 15 (mg.min/.l),  por ejemplo 0,5 mg/l. de cloro libre durante 30 minutos, ó 0,25 mg/l. durante 1 hora.

            A título de ejemplo comparativo, se muestran valores C.t para diversos desinfectantes:

            Cloro              = 15 (0,25 mg/l. durante 60 minutos)

            Ozono             = 1,6 (0,40 mg/l. durante 4 minutos)

            ClO2               = 10 (0,30 mg/l. durante 33 minutos)

            Monocloramina         = 100 (0,80 mg/l. durante 120 minutos)

La United States Environmental Protection Agency (USEPA) ha publicado tablas con valores de CT para inactivación de Giardia a diferentes temperaturas y pH. Así por ejemplo a la temperatura de 25ºC y pH 8,0, con un cloro residual en el rango de 1 a 2,6 mg/l, es necesario un tiempo de contacto de 54 – 65 minutos para conseguir una reducción en Giardia del 99,9 % ( 3-log.) Cuando la temperatura se reduce a 10 ºC el tiempo de contacto de eleva a 162 -194 minutos y para una temperatura de 5 ºC el tiempo de se incrementa a 304 – 368 minutos. En las tres siguientes tablas se muestran estos resultados.

 

Valores estimados de CT para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 25 ºC

 

                                                                    pH 7                                  pH8

                                                      Log inactivación                  Log inactivación

                                                ____________________      ___________________

   Cloro (mg/l)                               1              2            3               1           2              3

   ==========================================================

    1                                               12            25          37                18         36           54

    1,6                                            13            27          40                19         39           58

    2                                               14            27          41                20         41           61

    2,6                                            15            29          44                22         43           65

 

 Fuente: EPA, 1990

  

Valores estimados de CT para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 10 ºC

_____________________________________________________________

                                                                    pH 7                             pH 8

                                       Log inactivación                Log inactivación

                                   __________________        ________________

     Cloro (mg/l)                   1            2          3                     1          2          3

_____________________________________________________________

    1                                              37         75        112                   54       108      162

    1,6                                           40         79        119                   58       116      174

    2                                              41         83        124                   61       121      182

    2,6                                           44         87        131                   65       129      194

_____________________________________________________________

 Fuente: EPA, 1990

 

 

Valores estimados de CT para la inactivación de quistes de Giardia con cloro libre a 5 ºC

______________________________________________________________________

                                                                    pH 7                                pH 8

                                             Log inactivación                Log inactivación

                                                   ___________________              ___________________

Cloro (mg/l)                                1             2            3                            1            2           3

                                                                                                                                           

1                                                    70         140        210                       101        203      304

1,6                                                 75         151        226                       110        219      329

2                                                    79         157        236                       115        231      346

2,6                                                 84         168        252                      123        245      368

_______________________________________________________________

  A efectos comparativos de diversos desinfectantes, se representa a continuación los valores CxT para el cloro, cloraminas, dioxido de cloro y ozono en la inactivación de virus

Valores de C*T para inactivación de virus con cloro libre (mg/l* min). (Fuente: EPA, «Disinfection Profiling and Benchmarking Guidance Manual», Agosto 1999)

 

Temperatura (°C)

Log de inactivación

2,0 log

3,0 log

4,0 - log

pH 6-9

PH 10

PH 6-9

pH 10

pH 6-9

pH 10

0,5

6

45

9

66

12

90

5

4

30

6

44

8

60

10

3

22

4

33

6

45

15

2

15

3

22

4

30

20

1

11

2

16

3

22

25

1

7

1

11

2

15

 

 

Valores de C*T (mg/l*min), para inactivación de Virus con cloraminas, pH

6-9 (Fuente: AWWA, 1991 en Alternative Disinfectants and Oxidants Guidance Manual, Abril 1999)

 

 

Temperatura (°C)

Inactivation

5

10

15

20

25

2-log

857

643

428

321

214

3-log

1.423

1.067

712

534

356

4-log

1.988

1.491

994

746

497

 

Valores de C*T para inactivación de Virus con Dióxido de Cloro, pH 6-9

(Fuente: Disinfection Profiling and Benchmarking Guidance Manual, EPA 815-R-99-

013, Agosto 1999)

 

INACTIVACIÓN

(LOG)

T E M P E R A T U R A (ºC)

1

5

10

15

20

25

2

8,4

5,6

4,2

2,8

2,1

1,4

3

25,6

17,1

12,8

8,6

6,4

4,3

4

50,1

33,4

25,1

16,7

12,5

8,4

 

Valores de C*T para inactivación de Virus con Ozono (Fuente: Disinfection

Profiling and Benchmarking Guidance Manual, EPA 815-R-99-013, Agosto 1999)

 

INACTIVACIÓN

(LOG)

T E M P E R A T U R A (ºC)

1

5

10

15

20

25

2

0,90

0,60

0,50

0,30

0,25

0,15

3

1,40

0,90

0,80

0,50

0,40

0,25

4

1,80

1,20

1,00

0,60

0,50

0,30

 

 

 

          

 

En la figura anterior se representa un esquema de la cinética de la disminución del cloro en el agua de una vasija inerte y en una canalización (red):

Las dos técnicas de cloración generalmente empleadas son la cloración residual libre y la cloración residual combinada (más la primera que la segunda).

 

La técnica de la cloración residual libre supone la aplicación de cloro al agua para conseguir que ya sea directamente o bien después de la destrucción del amoníaco, quede un cloro residual libre, tanto a la salida de la planta como en la red de abastecimiento.

 

La técnica de la cloración residual combinada implica la reacción del cloro con el amoníaco natural o añadido (sin llegar a la destrucción de éste) y mantener este cloro residual combinado en la red.

 

Empleando cloro como oxidante/desinfectante primario, se ha comentado que la formación de THMs y otros subproductos se ve favorecido con el aumento de la dosis de cloro  y con el aumento del tiempo de contacto agua-cloro. Por otra parte, se sabe que para una efectiva desinfección (cloración) hay que mantener una adecuada concentración de cloro libre residual durante un determinado tiempo de contacto. El producto de la concentración de cloro libre en mg/l. y el tiempo de contacto en minutos, es decir C.t. es un indicador del potencial de desinfección en el proceso de cloración.

Está comprobado que los contenidos de THM a la salida de las estaciones de tratamiento se incrementan posteriormente en muchos casos, ya en la red, debido principalmente al mayor tiempo de contacto del cloro con la materia orgánica que sale de la estación y con las sustancias orgánicas que forman el biofilm de la red.  

La desinfección debe realizarse en la estación de tratamiento y no contar con el tiempo que el agua ha de estar en la red para que se garantice el producto C.t. de forma que el primer consumidor de agua de la red beba un agua perfectamente desinfectada.

Se presenta entonces el dilema de si mantener o no una determinada concentración de cloro residual para prevenir posibles recontaminaciones, recrecimiento del biofilm y otros objetivos que posteriormente se indicaran. La necesidad de mantener un residual, está también siendo cuestionada; ya dijimos al principio que sólo en España y Portugal dentro de la UE requieren legalmente mantener un desinfectante residual en el sistema de abastecimiento. Esta necesidad depende en gran medida de las condiciones locales y circunstanciales climáticas y geográficas en general, y en cuanto a la cantidad o concentración a mantener, depende mucho de la tradición y aceptación de los consumidores.

Si se opta por mantener un desinfectante residual en la red, cloro libre, habría que volver a reclorar el agua y mantenerla así durante el largo período de estancia de los grandes y extensos sistemas de distribución, es decir, aumentando dos de los factores (C y t) que potencian la formación de THMs. La incapacidad del cloro para mantener una concentración residual consistente y estable en los sistemas de distribución extensos, le limita como un adecuado desinfectante secundario.

 ¿Sería conveniente entonces buscar una alternativa al cloro libre que además de no formar estos subproductos sea más estable y por tanto su concentración se mantenga casi constante desde  que el agua sale de la estación de tratamiento hasta que llega al consumidor más alejado?. Aparece entonces la solución del cloro residual combinado, en forma de cloraminas, como una eficaz alternativa. 

La desinfección del agua potable no conduce a una completa esterilización, es decir a una completa eliminación de patógenos y no patógenos, por tanto y aceptando la presencia de nutrientes, son posibles los recrecimientos de bacterias y otros microorganismos. Aunque el proceso de tratamiento aplicado al agua sea correcto, algunos organismos pueden sobrevivir a este tratamiento y pasar al sistema de distribución junto a pequeñas fracciones de sustancias orgánicas que inducen a la formación del biofilm. Este biofilm a su vez puede proporcionar una cierta protección a los microorganismos patógenos, protección que será difucultada si se emplea cloro residual en la red.

Pueden aducirse varias razones en favor del mantenimiento de un desinfectante residual en el sistema de distribución:

1) Controlar y minimizar el recrecimiento del biofilm.  

2) Reducir el riesgo de una contaminación por intrusión desde el     exterior al interior del sistema de distribución

3) El uso de cloro residual y su control continuo, servirá como indicador de roturas de un sistema de distribución y puede ser usado para detectar intrusiones más rápidamente que una monitorización microbiológica y además su análisis continuo abarca o afecta a prácticamente todo el volumen de agua del sistema.

4) Estabilizar la calidad del agua en el sistema, no sólo en cuanto a controlar la formación de biofilm y recrecimiento bacterianos, sino también reducir los fenómenos de corrosión de la red, la corrosión es un factor importante en la reducción del cloro residual.  

 

Elección del desinfectante residual

Aceptando el mantenimiento de un desinfectante residual, se debe minimizar este residual y los subproductos formados para lo cual es necesario y fundamental:

1) Tratar el agua para reducir la materia orgánica natural (MON) que sirve como precursor de los subproductos de la desinfección.  

2) Tratar el agua para mejorar la estabilidad del desinfectante residual, ya que cuanto más estabilidad del residual, menor desinfectante será necesario.

3) Hacer una cuidadosa elección del oxidante/desinfectante, siguiendo los criterios de máxima estabilidad, máximo control del biofilm, mínima toxicidad directa y mínima formación de subproductos.

  En el siguiente cuadro se comparan las tres principales alternativas para el mantenimiento de un residual desde las perspectivas o criterios antes señalados; 1) Estabilidad del residual, 2) Toxicidad del residual (según límites de la USEPA), 3) Control del Biofilm y 4) Formación de subproductos.  

 

Oxidante

 

Estabilidad residual

 

Límite del residual mg/l (USEPA)

 

 

Control biofilm

 

 

Subproductos

 

Cloro libre

Dióxido de cloro

Cloraminas

 

Muy buena

Buena

Excelente

 

4

0,8

4

 

Buena

Buena

Muy buena

 

Mala

Buena

Muy buena

  

De las tres substancias indicadas, el cloro libre es el más utilizado pero su mal comportamiento en cuanto a la formación de subproductos limitará su empleo en el futuro a aguas con muy pocos precursores.

Las cloraminas y concretamente la monocloramina es una importante alternativa, siendo su principal desventaja el hecho de estar sujeta a una nitrificación en el sistema de distribución, por diferentes factores como alta temperatura, puntos muertos o retenciones excesivas donde el residual desaparece y el biofilm se elimina con dificultad, y exceso de amoníaco. Hay que tener presente que las cloraminas no suelen emplearse en la desinfección primaria. Son más empleadas en Estados Unidos que en Europa, donde se emplea más el dióxido de cloro que por su parte presenta problemas debidos a su propia toxicidad y a la formación de clorito y clorato que se producen como substancias oxidadas.

Aunque puede concluirse que no hay un desinfectante perfecto, el más adecuado y la cantidad a aplicar dependerá de las condiciones y circunstancias locales que al fin nos lleve a disponer de un agua con el más bajo olor y sabor al desinfectante y subproductos derivados de él, a la vez que se consiga la mayor efectividad de desinfección

 Dado el menor poder oxidante y de desinfección del cloro residual combinado, se suele emplear éste para una desinfección secundaria, después de aplicar la técnica de la cloración libre dentro del proceso de tratamiento hasta la etapa de filtración y a continuación, tras la filtración, se aplica amoníaco y más cloro, si es necesario, para lograr la concentración de cloro combinado (cloramina) deseada, es decir, que después de destruir las cloraminas que pudieran haberse formado con el amoníaco o substancias orgánicas nitrogenadas presentes en el agua bruta y satisfacer la demanda de cloro de este agua, quede aún cloro libre residual (cloración con cloro sobrante) que será transformado en cloro combinado al incorporar amoníaco. 

 

         Equipos e instalaciones de cloración

               

Tanto para la dosificación del cloro, como para la del amoníaco, se emplean equipos similares, aunque, naturalmente, y dado el diferente comportamiento químico de estas dos sustancias, se introducen algunas diferencias, principalmente en cuanto a la naturaleza de los materiales de la instalación.

El cloro que se emplea en las instalaciones de cloración, en estaciones de tratamiento, suele suministrarlo la industria en botellones de 50 kgs. y tanques o bidones de 1.000 kgs., en los cuales el cloro está a presión en fase líquida en equilibrio con la parte gaseosa. Estos bidones tienen dos tomas: la parte superior, por la que se puede extraer el cloro gas directamente (las posibilidades de vaporización de un contenedor son del orden de 1,5 % y por hora de su contenido), y la parte inferior, por la que se extraerá el cloro líquido cuando el consumo es más elevado, requiriendo en este caso la instalación el empleo de evaporadores que, en realidad, son unas cubas de acero en cuyo interior se encuentran en equilibrio el cloro líquido y el cloro gas y por el exterior están rodeadas por una cuba de agua calentada por resistencias eléctricas con los correspondientes mecanismos de regulación.

El cloro gas que sale del evaporador pasa a un filtro para que queden retenidas las pequeñas impurezas que puedan acompañar al cloro y no lleguen a la válvula reguladora ni a los cloradores. Esta válvula se encarga de reducir adecuadamente la presión del gas a la salida del evaporador, para conseguir que el cloro se mantenga en forma gaseosa en el resto de la instalación e impedir una relicuación del cloro y que llegue en estado líquido al clorador, lo que provocaría su destrucción. 

                                                                                                                     

                          Instalación de evaporación de cloro                                                                                                                         Detalle de evaporador

 

                                                    

Esquema de extracción de cloro gas        Esquema de extracción de cloro liquido

Los cloradores o clorómetros, a donde llega el cloro gas que sale de los evaporadores (o directamente procedente de los contenedores en el caso de pequeñas instalaciones, que no requieren evaporador), regulan la cantidad de cloro a dosificar .El principio de funcionamiento de los cloradores se basa en la transmisión del vacío creado por la circulación de agua a través de un inyector a una válvula diferencial, que mantiene una presión diferencíal constante en un regulador de caudal, con válvula de orificio de sección variable, para regular el caudal. Por su parte, el cloro a presión llega a una válvula reguladora de presión, hasta quedar a una presión inferior a la atmosférica, y de aquí a un rotámetro para medir el caudal. El cloro pasa a la válvula de presión diferencial ya continuación al inyector, donde se mezcla con una corriente de agua auxiliar, obteniéndose un agua fuertemente concentrada (entre 1 y 3 gr/l) que es la que se envía al agua objeto de la cloración. El clorador descrito, completado con los correspondientes manómetros y válvulas de seguridad y drenaje, así como el esquema completo de una instalación de cloración clásica ,se representan en las figuras 4 y 5.

                                             

                                                                              

 Fig. 4      Esquema funcional de un clorador                  Fig. 5. Esquema de instalaciones de cloración

                Un clorador más simple para instalar generalmente sobre el propio contenedor de cloro, que en este caso suele ser en la parte superior de una botella, lo constituye un regulador similar al descrito y que consta fundamentalmente de una válvula de entrada de cloro gas,  una cámara con una membrana o diafragma, que es desplazada por el vacío al que se la somete, de forma que actúa sobre un muelle y eje con obturador, para abrir o cerrar el paso del gas y un tubo rotámetro para medir el caudal de gas  mediante la adecuada válvula de regulación. En los esquemas de la figura 6, se observan estos cloradores. Cuando el conjunto regulador se somete al vacío creado por el eyector, el diafragma se moverá (hacia la izquierda en el esquema), comprimiendo el muelle y desplazando a su vez el eje obturador de la válvula de entrada, de forma que abre el paso de gas hacia el clorador. Si se interrumpe el vacío, la válvula de entrada se volverá a cerrar por la acción del muelle.                       

                                                                             

                                                            Fig. 6.- Esquema clorador sobre botella

En estos sistemas de cloración, con los cloradores descritos, mediante vacío, aseguran que si ocurre alguna rotura en la línea de cloro gas sometida a vacío (por ejemplo el tubo rotámetro de cristal),se cerraría la válvula de entrada de gas, al anularse el vacío, evitando la salida de cloro al exterior.

                                                                   

                              Cabinas para dosificación de cloro y dióxido de cloro

      


                                                                                                                

  Absorción y neutralización del cloro en caso de fugas

                                                                                                                                                                                    

Es sobradamente conocido que el cloro es un fuerte irritante de las vías respiratorias y que puede llegar a producir graves intoxicaciones e incluso la muerte en caso de inhalación de importantes concentraciones, la gravedad dependerá del tiempo de exposición y de la concentración en el aire que respiramos. En el siguiente cuadro se indican la reacciones fisiológicas de las personas ante estas situaciones.

                      EFECTOS

              ppm

  (ml Cl2 / m3 de aire)

   mg. Cl2 / m3 aire

 Mínima cantidad para producir síntomas leves tras     varias horas de exposición

               1

                3

Mínimo olor perceptible, ligera irritación ocular

               3

                9       

Irritación en garganta

             15

              45

 

Mínima cantidad que produce tos persistente

              30      

              90

Peligro grave, aún a corta exposición

            40-60

          120-180

Fatal después de 30 minutos de exposición

             400

            1200

Rapidamente fatal en unas pocas inhalaciones (muerte en pocos segundos)

           1000

            3000

Las fugas o escapes de cloro pueden ser de poca entidad o fugas menores y fugas de gran importancia o fugas mayores, que generalmente están con el cloro liquido. Las fugas menores suelen deberse a fallos en los ajustes de válvulas, juntas, o en los propios equipos de dosificación. Las fugas mayores suelen ocurrir principalmente por rotura en los contenedores o sus válvulas, roturas de conducciones y conexiones flexibles y en general roturas en conducciones y equipos donde el cloro está a presión y en estado liquido.

Cálculo de una fuga de cloro.

A este respecto se han realizado estudios y pruebas para evaluar el caudal o tasa en la fuga de cloro que se origina como consecuencia de una rotura en una instalación de cloración ,así por ejemplo, el Chlorine Institute ha dado unas "fórmulas sobre el caudal de escape", para el caso de fugas de cloro liquido o cloro gaseoso.

Para el caso de cloro de liquido: 

                                   Q = 77A √(P1 -P2 ) . r    (libras/seg.)

   donde :

      A = Superficie de la apertura o rotura abierta a la atmósfera en pies cuadrados (ft2)
      P1= Presión en la zona anterior a la rotura en psi
      P2= Presión en la zona posterior a la rotura en psi
      r  = Densidad del cloro liquido, anterior a la rotura abierta a la atmósfera en lb/ft3

La anterior ecuación, expresada en otras unidades, quedaría de forma aproximada en :

                                    Q = 0,0096 A√(P- P2 ). r   ( Kg./seg.)

    donde ahora :

      A = (cm2 )
      P1 y P2 = (psi)
      r  = ( Kg./m3 )

Para el caso de una fuga de cloro gas:

                                    Q = 36,6 A √ P/V     (libras/seg.)

 

En esta ecuación, V = Volumen específico del cloro gas, anterior a la rotura abierta a la atmósfera (1/r), en ft3/lb ).

Si se expresa Q en Kg./seg. , A en cm2 , y V= 1/r , en m3/Kg. , la anterior ecuación quedaría así :

                                  Q = 0,00447 A √ P / V = 0,00447 A √ P. r  ( Kg./ seg.)           

  Ejemplos :

A) Supuesto de escape de cloro liquido a través de un orificio de 0,5 cm. de diámetro, en la línea de cloro liquido, incluido el propio contenedor. La presión de en el interior del contenedor (función de la temperatura), se puede fijar en 8 Kg./cm2 , aproximadamente 110 psi y cae a cero en el punto de fuga. La densidad del cloro en el interior del contenedor puede considerarse del orden de 1300 Kg./m3 .

Aplicando la primera formula:

                                   Q = 0,0096 π d2 /4 √ (110-0) . 1300  = 0,0096 x 3.14x0,52 / 4 x 378,1 = 0,712 Kg./seg. = 42,7 Kg. /minuto

Esta situación es la peor de todos los casos, al no haber considerado en la rotura las restricciones al paso del cloro liquido por las distintas válvulas, conectores flexibles, etc.

B) Supuesto de escape de cloro en fase gaseosa. Este caso pone de manifiesto la diferencia en el caudal de fuga, cuando esta tiene lugar en un punto donde el cloro está en forma gaseosa y por tanto la conveniencia de colocar el contenedor, en caso de fuga, de forma que esta se sitúe en la zona del gas, en este caso el escape de cloro enfriará el liquido en 3 o 4 minutos, la presión del contenedor disminuirá, llegando tan baja como 2 a 3 kg./ cm2 . La densidad del cloro gas a la presión atmosférica es 3,2 kg./m3 .

Aplicando la 2ª formula, el caudal de escape será:

                                    Q = 0,0047 π d2 /4 √ (40-0) . 3,2  = 0,0047 x 3,14 x 0,52 / 4 x 11,3  = 0,010 Kg./seg. = 0,600 Kg. /minuto

 

Como ejemplo algo más ilustrativo vamos a exponer el volumen de aire y la concentración en cloro de esta masa de aire que se ve afectada por una determinada fuga de cloro. Teniendo en cuenta el anterior cuadro y considerando que aproximadamente una concentración de 100 mg. de cloro por m3 de aire, es ya una concentración que hace inhabitable ese lugar, podemos calcular el caso de una fuga de cloro de 1 kg., admitiendo que se ha difundido de forma homogénea en todas direcciones. Para alcanzar la concentración mencionada (100 mg/m3), el volumen ocupado sería 10.000 m3 . Si ahora suponemos que este volumen ocupara la forma geométrica de una semiesfera sobre el suelo alrededor del punto de fuga, la superficie sobre el suelo sería de unos 900 m2 , con un radio de 17metros.

Si suponemos que la fuga es de 100 Kg. de cloro, el volumen ocupado (para llegar a la concentración de 100 mg/m3 ) sería 1.000.000 m3 y la superficie sobre el suelo, unos 19.000 m2 con un radio de 78 m.

Si la fuga de cloro es la de un tanque de 1.000 Kg., el volumen afectado sería 10.000.000 m3, con una superficie afectada de unos 89.000 m2 y un radio de 168 m.

En realidad las superficies afectadas son mayores que las indicadas, ya que al ser el cloro gas más denso que el aire, la semiesfera perfecta que hemos supuesto, sería más aplastada, ocupando más superficie; también hay que tener en cuenta que hemos supuesto una difusión uniforme, lo cual no es muy probable debido a las corrientes de aire. Estos datos nos dan idea de la gravedad de estas situaciones. Por otra lado, como factor que compensa, en parte, la gravedad de la exposición anterior , hay que señalar que el tiempo necesario para la difusión uniforme y homogénea del cloro en el aire, si no hay viento, es relativamente lenta. La difusión de 1 Kg. de cloro ,de forma homogénea, en 10.000 m3 de aire puede ocupar varias horas. 

           El tamaño y tiempo de exposición de un área afectada dependerá de:

-Cantidad de cloro liberado a la atmósfera

-Tasa de la fuga de cloro

-Altura del punto donde ocurrió el escape

-Estado físico del cloro liberado

-Líquido ó Gaseoso

-Condiciones ambientales

-La concentración de cloro en el ambiente puede variar desde baja a alta concentraciones

            Las fugas de cloro en las Estaciones de Tratamiento de Agua son un hecho potencial que obliga a adoptar medidas que neutralicen estas posibles fugas. En instalaciones de cierta importancia y en el caso de locales cerrados lo habitual es disponer de un equipo o instalación de absorción y neutralización de estas fugas, conocida generalmente como “torre de absorción”, en realidad es un sistema de Scrubber diseñado para vehicular hacia él todo el aire contaminado del lugar donde se produce la fuga. Usualmente se diseña para proporcionar una completa renovación del aire del local cada 6 o 7 minutos. En el diseño de las instalaciones de absorción se deben tener en cuenta diversos factores, tales como el caudal del ventilador-extractor y la cantidad y concentración de la solución absorbente o neutralizante.

            Sobre las instalaciones de absorción de fugas de cloro, se recogen diversas disposiciones en la Normativa de la ITC MIE, APQ-003 “Almacenamiento de cloro”. A continuación se transcriben los Art. 19 y 20 del Capítulo V, sobre “Instalaciones de absorción de cloro”.

            Art. 19: La cantidad de agente neutralizante (hidróxido sódico, sulfito sódico, entre otros), disponible en la instalación debe ser suficiente para tratar todo el volumen del cloro contenido en el recipiente de mayor capacidad existente en el almacenamiento.

            Art. 20: Cuando se trata de almacenamiento en el interior de un edificio cerrado, se asegurarán, cuando menos, diez renovaciones por hora del aire interior. La instalación de absorción en este supuesto, será capaz de tratar todo el caudal de gases, admitiendo un contenido en cloro del 10 %.

            El aire cargado de cloro es aspirado por un extractor que lo impulsa hacia la parte inferior (de abajo hacia arriba) de la torre de absorción, rellena de anillos Raschig, para aumentar la superficie de contacto, y a contracorriente se hace pasar una lluvia de una solución absorbente generalmente hidróxido sódico. Sería aconsejable que el aire exento de cloro que sale por la parte superior de la torre pudiera recircular en circuito cerrado, durante los primeros ciclos, hacia el mismo local, y posteriormente cuando la concentración de cloro en la sala de fuga ha decrecido, podría ya evacuarse el aire totalmente exento, que sale de la torre, hacia la atmósfera.

            La concentración de la solución de NaOH suele ser del 27% o menor, dependiente del riesgo de cristalización en épocas de bajas temperaturas.

            La reacción del cloro con la sosa, en la torre de absorción produce hipoclorito sódico, que puede ser enviado a un depósito de neutralización con hiposulfito sódico en solución al 5%.

            La reacción química en la absorción viene dado por:

           

            2NaOH + Cl2 + xH2O = 2ClONa + (x+1)H2O

 

            Teniendo en cuenta la dilución de la sosa y que al final de la operación debe haber un exceso de ésta del orden del 3%, la ecuación de la reacción será:

 

                   2,3NaOH + Cl2 + 14H2O        =        ClONa + ClNa + 15H2O + 0,3NaOH

         

                

415                                                                         415

 

Según la anterior ecuación 1 kg de cloro necesitaría 1,3 kg de NaOH o 4,8 kg de solución al 27%.

La reacción es exotérmica (352 Kcal/kg de Cl2) y elevará la temperatura en la zona de reacción de la torre (anillos Raschig).

El hipoclorito formado puede neutralizarse con una solución al 5% de hiposulfito sódico (la reacción es muy exotérmica y debe, por tanto, manejarse soluciones muy diluidas).

 

            2S2O3Na2 + ClONa + xH2O = S4O6Na2 + 2Na(OH) + (x-1)H2O

 

La reacción de neutralización, teniendo en cuenta el grado de dilución de hiposulfito, viene dada por:

 

 

               2S2O3Na2 + ClONa + ClNa + (334+15)H2O + 0,3NaOH   =    S4O6Na2 + 2ClNa + 2,3NaOH + 348H2O

                                  

           

                                                           6743                                                                                 6743

                                                                 

                                                               Instalación de absorción

                                                  

 

 

 


                                   

            Para 1 kg de cloro absorbido por la sosa (y convertido en hipoclorito sódico) son necesarios 4,45 kg de hiposulfito sódico ó 89 kg de solución al 5%.

            Además de las reacciones indicadas, hemos de tener en cuenta otras que pueden suceder como consecuencia de la alta concentración del hipoclorito, que se ha producido en la torre de absorción al reaccionar el cloro con la sosa cáustica.

            El hipoclorito sódico formado se puede descomponer de la siguiente forma:

 

            3ClONa = ClO3Na + 2ClNa         (I)

 

            2ClONa = 2ClNa + O2                  (II)

 

            La reacción (I) está fuertemente afectada por la temperatura y el pH en la zona de contacto del cloro y la sosa cáustica.

            Por otra parte cuando el hipoclorito sódico sigue sometiéndose a cloración, se descompone formándose ClOH, según la reacción:

 

            ClONa + Cl2 + H2O = 2ClOH + ClNa      (III)

 

y a partir de este ClOH, la formación de clorato ocurrirá según la reacción:

 

            2ClOH + ClONa = ClO3Na + 2ClH          (IV)

 

            La tasa de formación de clorato de la última reacción (IV) es mayor que la formación según la reacción (I). A su vez el ClH formado en (IV) se combina con el ión hipoclorito formando más ClOH y por tanto se favorece más aún la formación de clorato.

            Finalmente cabe indicar que si la reacción (II) de formación de O2 es apreciable, el vapor de agua que puede generarse y el propio oxígeno favorecerán la aparición de espumas que dificultarían la absorción de cloro en la torre; el exceso de sosa cáustica evitará esta situación.

FICHA DE ALMACENAMIENTO DE CLORO

 

Valoración de la riqueza en NaOH de la solución de sosa empleada para la neutralización del cloro

Considerando que recién adquirida o preparada la solución de hidróxido sódico (sosa caustica) para la torre de absorción de fugas de cloro es una solución exclusivamente de NaOH, tendrá un alcalinidad a la fenolftaleina (TA) igual a la alcalinidad total al naranja de metilo (TAC) y por tanto en una simple valoración con ácido 1 N, el volumen de ácido gastado dividido por el volumen de solución de hidróxido sódico tomado nos dará la normalidad y por tanto la concentración de esa solución.

Ejemplo:

Si se toman 10 ml. De solución de hidróxido sódico al 27 % recién preparada (suele ser la concentración inicial en el depósito de la instalación de absorción de fugas de cloro) y se valora con solución de ClH 1 N en presencia de fenolftaleina, se gastarán 67,5 ml de ácido, por tanto la normalidad de la solución de sosa será 6,75 N y de aquí se obtendría que la concentración en NaOH es 6,75 x 40 = 270 g./l.  (40 es el equivalente químico del NaOH).

A medida que pasa el tiempo y la torre de absorción se va utilizando en la absorción de pequeñas fugas de cloro, la riqueza en hidróxido sódico, es decir la alcalinidad cáustica libre, va disminuyendo, ya que por un lado se forma hipoclorito sódico  y por otro lado hay una cierta carbonatación debido al CO2. En general casi siempre será el TA mayor que ½ TAC y en este caso la alcalinidad puede ser debida a hidróxidos y a carbonatos. La alcalinidad debida a hidróxidos será 2TA – TAC y la alcalinidad por carbonatos será 2(TAC – TA), es decir, la alcalinidad por hidróxidos disminuirá a costa de ir aumentando la alcalinidad por carbonatos.

Si el pH es < 9,4, no habrá hidróxido en la solución y la alcalinidad puede deberse entonces a carbonatos y bicarbonatos.

Ejemplo real de calculo de la concentración en NaHO de una solución de sosa cáustica de una instalación de neutralización de fugas de cloro después de haber pasado 30 días desde su preparación con una concentración inicial del 27 %:

Se toma una muestra de de la solución, obteniéndose los siguientes resultados:

pH = 13, 2

Valoración de 1 ml. de la muestra con ácido 1 N:

 Con el indicador fenolftaleina (TA): 6,6 ml (parte para neutralizar todos OH- y otra para reaccionar con ½ de los CO3= ).

 Con el indicador naranja de metilo (TAC): 7,0 ml (parte para neutralizar todos los OH- y otra         para reaccionar con todos los CO3= )

De estas dos valoraciones se deduce que la diferencia 7,0 ml – 6,6 ml = 0,4 ml son los empleados en valorar la mitad de los carbonatos, por tanto 6,6 – 0,4 = 6,2 ml de ácido empleado en valorar los hidróxidos (procedentes de la sosa), luego la riqueza de esta solución de sosa será:

6,2 x 40 (eq. de la sosa cáustica) = 248 g / litro, es decir 24,8 %

Nota: Si se toma una muestra de la solución de la torre de absorción en la cual puede haber hipoclorito sódico, este se deberá destruir previamente añadiendo a la muestra pequeñas cantidades de agua oxigenada al 10 % hasta que cese la efervescencia y después se continúa con la determinación de la alcalinidad.                                             

 En los esquemas siguientes, del Sindicato Nacional Profesional de la Industria Electrolítica de Cloruros Alcalinos y  de las Industrias del Bromo y Derivados del Cloro y del Fluor, de Francia, se representan diversos esquemas de una instalación de absorción y neutralización de cloro.


 

 


 


  Ensayos de cloración

 

ANALISIS DE AGUAS Y ENSAYOS DE TRATAMIENTO. Rafael Marín Galvín

 Ensayos de oxidación-desinfección ( De " Análisis de Aguas y ensayos de tratamiento" R. Marin Galvín) 

Generalidades

1, Existen en la bibliografía multitud de referencias acerca de la utilidad práctica de los distintos oxidantes químicos frente a problemas más o menos habituales de contaminación de un agua. Se recomienda a este particular, y a fin de no ser exhaustivo, la consulta de las referencias (3.8, 9, 14.323, 335.389.392, 393) .

Habida cuenta de los variados reactivos que pueden aplicarse para desinfección y oxidación de un agua vamos a estructurar separadamente los más habitualmente empleados: cloro, ozono, ClO2 y KMnO4. Nótese, no obstante que el procedimiento de todos estos ensayos es muy similar. A título informativo, la tabla 16.3 recoge las dosis teóricas (según estequiometría) necesarias para eliminar varias sustancias típicas por oxidación química.

16.5.1. Ensayos de cloración

(a) Principio

La cloración de un agua, proceso clásico de oxidación y desinfección, suele conseguir la eliminación de cantidades discretas de Fe, Mn, amonio, nitritos, H2S y la flora microbiana habitual de un agua bruta. El ensayo proporciona la dosis de cloro para la cual, después de las reacciones correspondientes entre el oxidante y las sustancias del agua, se obtiene una concentración de cloro residual libre que pueda ser idónea para su aplicación en planta: ésta suele ser de alrededor de 1 mg/l de Cl2 libre en agua tratada (8, 9, 409).

Se trata, pues, de adicionar cantidades crecientes de disolución de cloro de concentración conocida a un agua problema y determinar la dosis necesaria para reducir el problema concreto que tenga el agua a testar. En concreto, la reacción más típica de cloración es la experimentada por el amonio de un agua. En este caso, el cloro adicionado va reaccionando en varios pasos con el amonio hasta su eliminación total: primero se forman monocloraminas (CINH2), después dicloraminas (Cl2NH). en tercer lugar tricloruro de nitrógeno (Cl3N), para finalmente detectar cloro libre. Obsérvese que en esta secuencia, se obtiene una curva de demanda de cloro no lineal.

Al principio, para incrementos de dosis de cloro se producen ligeros incrementos en las concentraciones de cloro residual debido a la formación de compuestos aminados. En una segunda fase el cloro residual desciende (por destrucción de los compuestos anteriores) hasta llegar a un punto, denominado punto de ruptura o break-point a partir del cual, nuevos incrementos de cloro añadido suponen efectivamente incrementos de cloro libre ( ver fig.16.2).


(b) Materiales y Reactivos

- Los recogidos para los ensayos de jar-test (ap. 16.3).

- Disolución de cloro (en realidad hipoclorito sódico) de riqueza conocida. Esta se obtiene mediante la aplicación del método recogido en el Capítulo siguiente.

-Disolución de cloro de 1 mg/ml. Se prepara por dilución de la anterior. La adición de 1 ml a 1 l de agua equivale a dosis industriales de 1 g/m3.

(c) Procedimiento

El test-cloro puede realizarse sólo con disolución de cloro o bien adicionando posteriormente a ésta la dosis óptima de coagulante y/o floculante obtenidas mediante jar-tests anteriores. En este secundo caso se trata de un ensayo de test- cloro completo, mientras en el primer caso sería un ensayo de test-cloro simple.

- Llenar los vasos de precipitados con 1 1 de agua problema. Poner el sistema en agitación rápida (120 rpm).

- Añadir cantidades crecientes de disolución de cloro de forma que se obtenga una secuencia ascendente. Agitar 30 segundos a velocidad rápida.

- Opcionalmente, añadir las dosis óptimas de coagulante y/o floculante. Agitar otros 30 segundos a velocidad rápida.

- Mantener agitación lenta (25 rpm) durante 10 minutos.

- Esperar 4 horas y proceder a la lectura del cloro residual (ver el método de análisis recogido después).

(d) Expresión de Resultados

Se puede proceder a la confección de una curva de demanda de cloro. representando gráficamente en abcisas las dosis de cloro adicionadas y en ordenadas, las concentraciones residuales obtenidas para cada dosis (para cada vaso).

Figura 16.2: Curva práctica de demanda de cloro

La dosis óptima del ensayo será aquella que corresponda a un residual de alrededor de 1 mg/l de Cl2 residual libre, después del punto de ruptura. Está suficientemente comprobado que un agua con estos contenidos de cloro libre se encuentra razonablemente exenta de presencia microbiana en general (y patógena en particular).

A título orientativo, conocidas las concentraciones de Fe, Mn, nitrito, amonio y DQO-Mn se puede estimar aproximadamente la dosis de cloro requerida por un agua, aplicando las ecuaciones de la tabla 16.3. Además. cada mg/l de DQC-Mn consume en términos generales 1 mg/l de cloro (296) . Conocida la dosis aproximada, el ensayo deberá utilizar una serie dosis en un intervalo que comprenda aquel valor. En el orden práctico, aguas brutas de buena calidad suelen presentar demandas de cloro inferiores a 4-5 g/m3, aguas de calidad media (contenidos moderados de Fe, amonio y DQO-Mn) requieren hasta 10-12 g/m3, mientras aguas de mala calidad exhiben demandas de cloro superiores a 20 g/m3.

Otras informaciones que pueden extraerse de los ensayos del test-cloro son los relativos a las concentraciones residuales de sustancias potencialmente oxidables presentes en el agua, formación de trihalometanos. etc...


Determinación de cloro residual en aguas

(a) Principio

Se basa en la formación de un complejo coloreado susceptible de medida colorimétrica entre el cloro libre y el DPD, o N-N'dietil para-feniléndiamina en un medio tamponado [90, 205, 222].

Tabla 16.3 Reacciones típicas de oxidación en tratamiento de aguas y dosis teóricas de oxidante para eliminación de Fe, Mn y amonio.

La adición al medio de reacción de un agente complejante de los cationes mayoritarios presentes en el agua (AEDT) y de una sal de Hg eliminan interferencias del método. Podría utilizarse además del recocido a continuación una valoración con tiosulfato sódico en medio ácido similar a la que se expondrá para determinar la riqueza de disoluciones comerciales de hipoclorito sódico (ver Cap. 17).

Sin embargo, esta titulación adolece del defecto de no poder especiar entre diferentes tipos de sustancias doradas del agua.

(b) Materiales y Reactivos

- Espectrofotómetro o colorímetro capaz para medidas de absorbancia a 515 nm equipado con cubetas de 1 cm de paso óptico.

- Material de vidrio de laboratorio.

- Disolución tampón: disolver 24 g de Na2HPO4 y 46 g de KH2PO4 en unos 500 ml de agua destilada. Añadir 800 mg de AEDT y 20 mg de HgCl2. Disolver. Diluir hasta un total de 1.000 ml de disolución, con agua destilada.

Disolución de DPD: disolver 1,0 g de oxalato de DPD ó 1,1 g de sulfato de DPD en unos 500 ml agua destilada conteniendo 8 ml de H2SO4 (1:3) (v/v) y 200 mg de AEDT. Enrasar a 1.000 ml con agua destilada. Esta disolución guardada en frasco oscuro permanece inalterable durante 2 meses. Se debe descartar siempre que presente coloración o fenómenos de precipitación.

- Disoluciones patrón de cloro. Se pueden preparar por dilución de una disolución patrón concentrada de cloro de concentración conocida y valorada. Concentraciones comprendidas entre 0.05 y 3 mg/l dan buenos resultados para la obtención de curvas de calibrado prácticas.


(c)
Procedimiento

- La curva de calibrado se obtiene por adición a 10 ml de patrón de concentración conocida de 10 gotas de disolución tampón y otras 10 gotas de disolución de DPD. Mezclar y anotar la transmitancia (o absorbancia) como función de la concentración de cloro en mg/l.

- Si el agua problema presenta ligera coloración y/o turbidez, centrifugar a 5.000 rpm durante 5 minutos.

- A un tubo de ensayo añadir 10 ml de agua problema.

- Añadir 10 gotas de disolución tampón y mezclar por invers~on.

- Añadir 10 gotas de disolución de DPD y mezclar por inversión. Inmediatamente tomar la lectura en el colorímetro y anotar los mg/l de cloro "A".

- A la disolución anterior añadir 0,1 mg de KI y mezclar por inversión. Inmediatamente anotar la lectura en el colorímetro que serán "B" mg/l.

- A la disolución anterior añadir 0.1 g de KI, mezclar para disolución y esperar 2 minutos. Anotar la lectura en el colorímetro que corresponderá a "C" mg/l.

- A 10 ml de agua problema sin adición de ningún reactivo, añadir 0.1 mg de KI y mezclar. Añadir posteriormente, 10 gotas de disolución tampón y mezclar; añadir después otras 10 gotas de disolución de DPD y mezclar. Obtener la medida inmediata de cloro de la curva de calibrado que será "N" m/l.

(d) Expresión de Resultados

En general, la lectura de "'A" corresponderá al cloro libre residual del agua analizada. Las demás lecturas permiten el cálculo de las diferentes formas de cloro residual combinado del agua, si es que existieran. En este sentido, la tabla 16.4 permite determinar en mg/l los contenidos en Cl2 libre, monocloramina. dicloramina y tricloruro de nitrógeno del agua. Existen en el mercado colorímetros portátiles que facilitan la determinación rutinaria de cloro en aguas. Estos aparatos ya vienen calibrados electrónicamente y requieren un mínimo mantenimiento.

                 

Tabla 16.4 Determinación de los contenidos en cloro libre y otras especies cloradas de un agua mediante el método del DPD (*).

A continuación se muestra la ficha tecnica de seguridad química del cloro editada por el Instituto Nacional de Seguridad e Higiene en el Trabajo

    ITC MIE APQ-3: «Almacenamiento de cloro»

      La normativa sobre almacenamiento de productos químicos ha sido totalmente sustituida por el Real Decreto 379/2001, de 6 de abril por el que se aprueba el Reglamento de almacenamiento de productos químicos y sus instrucciones técnicas      complementarias. BOE núm. 112 de 10 de mayo de 2001.

   Modificación de la ITC MIE APQ-3  . Almacenamiento de cloro.

Real Decreto 105/2010, de 5 de febrero, por el que se modifican determinados aspectos de la regulación de los almacenamientos de productos químicos y se aprueba la instrucción técnica complementaria MIE APQ-9 "almacenamiento de peróxidos orgánicos".

(Se señala aquí  solo el Art. 5 )

 


 

   Enlaces relacionados con cloración

Eventos que extendieron la aplicación del cloro en el agua potable de USA. Datos recogdos en la página de Americanchemistry

Desinfección con cloro : Publicación de AWWA, recogido en la página de CEPIS (Textos Completos), en inglés, con esquemas sencillos sobre equipos e instalaciones empleados en la cloración.

Cloro. Como se fabrica. Publicación de Solvay en distintas fichas.

 Guia básica para la e laboración rústica del cloro para potabilizar agua en áreas rurales. Publicado por el Instituto Politecnico Nacional. Unidad Politécnica para el Desarrollo y Competitividad Empresarial - México.

Cloro . Artículo de Keith A.Christman. Consejo de Química del Cloro. Arlinton.VA.USA. Publicado en la página de Ingenieroambiental.com

100 años de desinfección del agua.Video de Americanchemistry

Chlorine in water disinfection. Artículo de Hend Galai-Gorchev. Organización Mundial de la Salud.

Sistemas de cloración alternativos. Artículo de José T. Masis en la página de Aguamarquet, recogiendo una breve exposición sobre generadores de hipoclorito de sodio in-situ.

Clorato en el hipoclorito sódico

Desinfección del agua con cloro como estrategia de protección a la salud pública

Tratando agua almacenada con cloro. Monty C. Dozier, Mark L. McFarland, El Sistema Universitario Texas A&M

Cloración del agua potable. A Review of Disinfection Practices and Issues Una revisión de las prácticas de desinfección y Asuntos. Publicación de www.waterandhealth.org

BelgoChlor

Canadian Chlorine Coordinating Committee

Chlorine Institute , Inc

CIA Chlorine Sector Group

Amiclor

Clorofilos

Chlorine Chemistry Council

Euro Chlor

Cloro Sur

 


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