Agua dura

Agua dura es agua que tiene un alto contenido mineral (a diferencia del "agua blanda"). El agua dura se forma cuando el agua se filtra a través de depósitos de piedra caliza, creta o yeso, que están compuestos en gran parte por carbonatos, bicarbonatos y sulfatos de calcio y magnesio.

El agua potable puede tener beneficios moderados para la salud. Puede plantear problemas críticos en entornos industriales, donde se controla la dureza del agua para evitar costosas averías en calderas, torres de refrigeración y otros equipos que manejan agua. En entornos domésticos, el agua dura suele indicarse por la falta de formación de espuma cuando se agita el jabón en el agua y por la formación de cal en teteras y calentadores de agua. Cuando la dureza del agua es un problema, el ablandamiento del agua se utiliza comúnmente para reducir los efectos adversos del agua dura.

Orígenes

El agua de lluvia natural, la nieve y otras formas de precipitación suelen tener bajas concentraciones de cationes divalentes como el calcio y el magnesio. Pueden tener pequeñas concentraciones de iones como sodio, cloruro y sulfato derivados de la acción del viento sobre el mar. Cuando las precipitaciones caen en cuencas de drenaje formadas por rocas duras, impermeables y pobres en calcio, sólo se encuentran concentraciones muy bajas de cationes divalentes y el agua se denomina agua blanda. Los ejemplos incluyen Snowdonia en Gales y las Tierras Altas Occidentales en Escocia.

Las áreas con geología compleja pueden producir distintos grados de dureza del agua en distancias cortas.

Tipos

Dureza permanente

La dureza permanente del agua está determinada por la concentración de cationes del agua con cargas mayores o iguales a 2+. Normalmente, los cationes tienen carga 2+, es decir, son divalentes. Los cationes comunes que se encuentran en el agua dura incluyen Ca²⁺ y Mg²⁺, que frecuentemente ingresan a los suministros de agua mediante lixiviación de minerales dentro de los acuíferos. Los minerales comunes que contienen calcio son la calcita y el yeso. Un mineral de magnesio común es la dolomita (que también contiene calcio). El agua de lluvia y el agua destilada son blandas porque contienen pocos de estos iones.

La siguiente reacción de equilibrio describe la disolución y formación de carbonato de calcio y bicarbonato de calcio (a la derecha):

CaCO₃ s) + CO₂ (aq) + H₂O (l) ⇌ Ca²⁺ (aq) + 2 HCO⁻
₃ aq)

La reacción puede ir en cualquier dirección. La lluvia que contiene dióxido de carbono disuelto puede reaccionar con el carbonato de calcio y arrastrar consigo iones de calcio. El carbonato de calcio puede volver a depositarse como calcita a medida que el dióxido de carbono se pierde en la atmósfera, formando a veces estalactitas y estalagmitas.

A veces, los ablandadores de agua pueden eliminar los iones de calcio y magnesio.

La dureza permanente (contenido mineral) generalmente es difícil de eliminar mediante ebullición. Si esto ocurre, normalmente es causado por la presencia de sulfato de calcio/cloruro de calcio y/o sulfato de magnesio/cloruro de magnesio en el agua, que no precipitan al aumentar la temperatura. Los iones que causan la dureza permanente del agua se pueden eliminar utilizando un ablandador de agua o una columna de intercambio iónico.

Dureza temporal

La dureza temporal es causada por la presencia de minerales de bicarbonato disueltos (bicarbonato de calcio y bicarbonato de magnesio). Cuando se disuelven, este tipo de minerales producen cationes de calcio y magnesio (Ca²⁺, Mg²⁺) y aniones carbonato y bicarbonato ( CO²⁻
₃ y HCO⁻
>₃). La presencia de cationes metálicos endurece el agua. Sin embargo, a diferencia de la § dureza permanente causada por compuestos de sulfato y cloruro, esta dureza "temporal" La dureza se puede reducir hirviendo el agua o añadiendo cal (hidróxido de calcio) mediante el proceso de ablandamiento de la cal. La ebullición promueve la formación de carbonato a partir del bicarbonato y precipita el carbonato de calcio fuera de la solución, dejando el agua más blanda al enfriarse.

Efectos

Con agua dura, las soluciones jabonosas forman un precipitado blanco (espuma de jabón) en lugar de producir espuma, porque los iones 2+ destruyen las propiedades tensioactivas del jabón al formar un precipitado sólido (espuma de jabón). Un componente importante de dicha espuma es el estearato de calcio, que surge del estearato de sodio, el componente principal del jabón:

2 C₁₇H₃₅COO⁻ (aq) + Ca²⁺ (aq) → (C₁₇H₃₅COO)₂Ca (s)

La dureza puede definirse así como la capacidad de absorción de jabón de una muestra de agua, o la capacidad de precipitación del jabón como una propiedad característica del agua que evita la formación de espuma. Los detergentes sintéticos no forman tales espumas.

Debido a que el agua blanda tiene pocos iones de calcio, no se inhibe la acción espumante de los jabones y no se forma espuma de jabón en el lavado normal. Del mismo modo, el agua blanda no produce depósitos de calcio en los sistemas de calentamiento de agua.

El agua dura también forma depósitos que obstruyen las tuberías. Estos depósitos, llamados "incrustaciones", están compuestos principalmente de carbonato de calcio (CaCO₃), hidróxido de magnesio (Mg(OH)₂) y calcio. sulfato (CaSO₄). Los carbonatos de calcio y magnesio tienden a depositarse como sólidos blanquecinos en las superficies interiores de tuberías e intercambiadores de calor. Esta precipitación (formación de un sólido insoluble) es causada principalmente por la descomposición térmica de los iones bicarbonato, pero también ocurre en los casos en que el ion carbonato se encuentra en una concentración de saturación. La acumulación de sarro resultante restringe el flujo de agua en las tuberías. En las calderas, los depósitos perjudican el flujo de calor hacia el agua, reduciendo la eficiencia de calefacción y permitiendo que los componentes metálicos de la caldera se sobrecalienten. En un sistema presurizado, este sobrecalentamiento puede provocar un fallo de la caldera. El daño causado por los depósitos de carbonato de calcio varía según la forma cristalina, por ejemplo, calcita o aragonita.

La presencia de iones en un electrolito, en este caso, agua dura, también puede provocar corrosión galvánica, en la que un metal se corroerá preferentemente al entrar en contacto con otro tipo de metal, cuando ambos están en contacto con un electrolito. El ablandamiento del agua dura mediante intercambio iónico no aumenta su corrosividad per se. De manera similar, cuando se utilizan plomería de plomo, el agua ablandada no aumenta sustancialmente la solvencia de la plomería.

En las piscinas, el agua dura se manifiesta por una apariencia turbia o turbia (lechosa). Los hidróxidos de calcio y magnesio son ambos solubles en agua. La solubilidad de los hidróxidos de los metales alcalinotérreos a los que pertenecen el calcio y el magnesio (grupo 2 de la tabla periódica) aumenta a medida que desciende la columna. Las soluciones acuosas de estos hidróxidos metálicos absorben dióxido de carbono del aire, formando carbonatos insolubles que dan lugar a la turbidez. Esto suele deberse a que el pH es excesivamente alto (pH > 7,6). Por lo tanto, una solución común al problema es, manteniendo la concentración de cloro en el nivel adecuado, reducir el pH mediante la adición de ácido clorhídrico, estando el valor óptimo en el rango de 7,2 a 7,6.

Suavizamiento

A menudo es conveniente ablandar el agua dura. La mayoría de los detergentes contienen ingredientes que contrarrestan los efectos del agua dura sobre los tensioactivos. Por esta razón, a menudo no es necesario ablandar el agua. Cuando se practica el ablandamiento, a menudo se recomienda ablandar solo el agua enviada a los sistemas de agua caliente sanitaria para evitar o retrasar ineficiencias y daños debidos a la formación de incrustaciones en los calentadores de agua. Un método común para ablandar el agua implica el uso de resinas de intercambio iónico, que reemplazan iones como Ca²⁺ por el doble de monocationes como iones de sodio o potasio.

El bicarbonato de sodio (carbonato de sodio, Na₂CO₃) se obtiene fácilmente y se utiliza desde hace mucho tiempo como descalcificador de agua para la ropa doméstica, junto con el jabón habitual. o detergente.

El agua que ha sido tratada mediante un ablandamiento de agua puede denominarse agua ablandada. En estos casos el agua también puede contener niveles elevados de sodio o potasio e iones de bicarbonato o cloruro.

Consideraciones de salud

La Organización Mundial de la Salud dice que "no parece haber ninguna evidencia convincente de que la dureza del agua cause efectos adversos para la salud de los humanos". De hecho, el Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos ha descubierto que el agua dura en realidad sirve como un suplemento dietético de calcio y magnesio.

Algunos estudios han demostrado una débil relación inversa entre la dureza del agua y las enfermedades cardiovasculares en los hombres, hasta un nivel de 170 mg de carbonato de calcio por litro de agua. La Organización Mundial de la Salud revisó la evidencia y concluyó que los datos eran inadecuados para permitir una recomendación sobre un nivel de dureza.

Se han hecho recomendaciones para los niveles mínimos y máximos de calcio (40–80 ppm) y magnesio (20–30 ppm) en el agua potable, y una dureza total expresada como la suma de las concentraciones de calcio y magnesio de 2– 4 mmol/L.

Otros estudios han demostrado correlaciones débiles entre la salud cardiovascular y la dureza del agua.

La prevalencia de la dermatitis atópica (eczema) en niños puede estar relacionada con el nivel de carbonato de calcio o la "dureza" de agua doméstica, cuando se utiliza para beber. Vivir en áreas con agua dura también puede influir en el desarrollo de la EA en las primeras etapas de la vida. Sin embargo, cuando la EA ya está establecida, el uso de ablandadores de agua en casa no reduce la gravedad de los síntomas.

Medición

La dureza se puede cuantificar mediante análisis instrumental. La dureza total del agua es la suma de las concentraciones molares de Ca²⁺ y Mg²⁺, en unidades mol/L o mmol/L. Aunque la dureza del agua normalmente mide sólo las concentraciones totales de calcio y magnesio (los dos iones metálicos divalentes más frecuentes), el hierro, el aluminio y el manganeso también están presentes en niveles elevados en algunos lugares. La presencia de hierro característicamente confiere un color parduzco (similar al óxido) a la calcificación, en lugar de blanco (el color de la mayoría de los otros compuestos).

La dureza del agua a menudo no se expresa como una concentración molar, sino en varias unidades, como grados de dureza general (dGH), grados alemanes (°dH), partes por millón (ppm, mg/L o grados americanos).), granos por galón (gpg), grados ingleses (°e, e o °Clark) o grados franceses (°fH, °f o °HF; se utiliza f minúscula para evitar confusiones con grados Fahrenheit). La siguiente tabla muestra los factores de conversión entre las distintas unidades.

Conversión de unidad de dureza.

	1 mmol/L	1 ppm, mg/L	1 dGH, °dH	1 gpg	1 °e, °Clark	1 °fH
mmol/L	1	0,009991	0.1783	0.171	0.1424	0,09991
ppm, mg/L	100.1	1	17.85	17.12	14.25	10
DGH, °dH	5.608	0,05603	1	0.9591	0,786	0,603
Gpg	5.847	0,05842	1.043	1	0.8327	0,542
°e, °Clark	7.022	0,07016	1.252	1.201	1	016
°f H	10.01	0.1	1.785	1.712	1.425	1

Las diversas unidades alternativas representan una masa equivalente de óxido de calcio (CaO) o carbonato de calcio (CaCO₃) que, cuando se disuelve en una unidad de volumen de agua pura, daría como resultado el mismo molar total. concentración de Mg²⁺ y Ca²⁺. Los diferentes factores de conversión surgen del hecho de que las masas equivalentes de óxido de calcio y carbonatos de calcio difieren y de que se utilizan diferentes unidades de masa y volumen. Las unidades son las siguientes:

• Partes por millón (ppm) se define generalmente como 1 mg/L CaCO₃ (la definición utilizada a continuación). Es equivalente a mg/L sin compuesto químico especificado, y Grado americano.
• Grainas por Gallon (gpg) se define como 1 grano (64.8 mg) de carbonato de calcio por galón estadounidense (3.79 litros), o 17.118 ppm.
• a mmol/L es equivalente a 100,09 mg/L CaCO₃ o 40.08 mg/L Ca²⁺.
• A grado de dureza general (dGH) o grado alemán (°dH, deutsche Härte)) se define como 10 mg/L CaO o 17.848 ppm.
• A Grado de Clark (°Clark) o Grados en inglés (°e o e) se define como un grano (64.8 mg) de CaCO₃ por galón Imperial (4.55 litros) de agua, equivalente a 14.254 ppm.
• A Grado francés (°fH o °f) se define como 10 mg/L CaCO₃, equivalente a 10 ppm.

Clasificación dura/blanda

Como es la mezcla precisa de minerales disueltos en el agua, junto con el pH y la temperatura del agua, los que determinan el comportamiento de la dureza, una escala de un solo número no describe adecuadamente la dureza. Sin embargo, el Servicio Geológico de Estados Unidos utiliza la siguiente clasificación para agua dura y blanda:

Clasificación	dureza en mg-CaCO3/L	dureza en mmol/L	dureza en dGH/°dH	dureza en gpg	dureza en ppm
Suave	0-60	0-0.60	0–3.37	0–3.50	0-60
Moderado duro	61–120	0,61–1.20	3.38–6.74	3.56–7.01	61–120
Duro	121 a 180	1.21–1.80	6.75 a 10.11	7.06-10.51	121 a 180
Muy duro	≥ 181	≥ 1,81	≥ 10.12	≥ 10.57	≥ 181

El agua de mar se considera muy dura debido a varias sales disueltas. Normalmente, la dureza del agua de mar ronda las 6.630 ppm (6,63 gramos por litro). Por el contrario, el agua dulce tiene una dureza que oscila entre 15 y 375 ppm.

Indexes

Se utilizan varios índices para describir el comportamiento del carbonato de calcio en mezclas de agua, petróleo o gases.

Índice de saturación de Langelier (LSI)

El índice de saturación de Langelier (a veces índice de estabilidad de Langelier) es un número calculado que se utiliza para predecir la estabilidad del carbonato de calcio del agua. Indica si el agua precipitará, se disolverá o estará en equilibrio con el carbonato de calcio. En 1936, Wilfred Langelier desarrolló un método para predecir el pH al que el agua se satura en carbonato de calcio (llamado pH_s). El LSI se expresa como la diferencia entre el pH real del sistema y el pH de saturación:

LSI = pH (medido) - pH_s

• Para LSI 0, el agua es súper saturada y tiende a precipitar una capa de escala de CaCO₃.
• Para LSI = 0, el agua está saturada (en equilibrio) con CaCO₃. Una capa de escala de CaCO₃ no es precipitado ni disuelto.
• Para LSI 0, el agua está saturada y tiende a disolver la CaCO sólida₃.

Si el pH real del agua está por debajo del pH de saturación calculado, el LSI es negativo y el agua tiene un potencial de incrustación muy limitado. Si el pH real excede los pH, el LSI es positivo y, al estar sobresaturada con CaCO₃, el agua tiende a formar incrustaciones. Al aumentar los valores del índice positivo, aumenta el potencial de escala.

En la práctica, el agua con un LSI entre −0,5 y +0,5 no mostrará propiedades mejoradas de disolución de minerales o formación de incrustaciones. El agua con un LSI inferior a -0,5 tiende a exhibir capacidades de disolución notablemente aumentadas, mientras que el agua con un LSI superior a +0,5 tiende a exhibir propiedades de formación de incrustaciones notablemente aumentadas.

El LSI es sensible a la temperatura. El LSI se vuelve más positivo a medida que aumenta la temperatura del agua. Esto tiene implicaciones particulares en situaciones donde se utiliza agua de pozo. La temperatura del agua cuando sale por primera vez del pozo suele ser significativamente más baja que la temperatura dentro del edificio al que llega el pozo o en el laboratorio donde se realiza la medición del LSI. Este aumento de temperatura puede provocar incrustaciones, especialmente en casos como los calentadores de agua. Por el contrario, los sistemas que reducen la temperatura del agua tendrán menos incrustaciones.

Análisis del agua:

pH = 7,5

TDS = 320 mg/L

Calcio = 150 mg/L (o ppm) como CaCO₃

Alkalinidad = 34 mg/L (o ppm) como CaCO₃

Fórmula LSI:

LSI = pH - pH_s

p H_s = (9,3 + A + B) − (C + D) donde:

A = log₁₀[TDS] - 1/10 = 0,15

B = −13.12 × log₁₀(°C + 273) + 34.55 = 2.09 a 25 °C y 1.09 a 82 °C

C = log₁₀[Caso]²⁺ como CaCO₃- 0,4 = 1,78

(Ca²⁺ como CaCO₃ también se llama dureza de calcio, y se calcula como 2,5[Ca²⁺])

D = registro₁₀[Alcalinidad como CaCO₃= 1,53

Índice de Estabilidad de Ryznar (RSI)

El índice de estabilidad de Ryznar (RSI) utiliza una base de datos de mediciones de espesor de incrustaciones en sistemas de agua municipales para predecir el efecto de la química del agua.

El índice de saturación de Ryznar (RSI) se desarrolló a partir de observaciones empíricas de las tasas de corrosión y la formación de películas en tuberías de acero. Se define como:

RSI = 2 pH_s – pH (medido)

• Para 6.5 ■ RSI 7 agua se considera aproximadamente en equilibrio de saturación con carbonato de calcio
• Para RSI 8 agua está saturada y, por lo tanto, tendería a disolver cualquier sólido existente CaCO₃
• Para RSI se entiende por forma de escala 6.5

Índice de escala de Puckorius (PSI)

El índice de escala de Puckorius (PSI) utiliza parámetros ligeramente diferentes para cuantificar la relación entre el estado de saturación del agua y la cantidad de cal depositada.

Otros índices

Otros índices incluyen el índice Larson-Skold, el índice Stiff-Davis y el índice Oddo-Tomson.

Información regional

La dureza del suministro de agua local depende de la fuente de agua. El agua de los arroyos que fluyen sobre rocas volcánicas (ígneas) será blanda, mientras que el agua de los pozos perforados en rocas porosas suele ser muy dura.

En Australia

El análisis de la dureza del agua en las principales ciudades australianas realizado por la Asociación Australiana del Agua muestra un rango que va desde muy blanda (Melbourne) hasta dura (Adelaida). Los niveles totales de dureza del carbonato de calcio en ppm son:

• Canberra: 40
• Melbourne: 10–26
• Sydney: 39.4–60.1
• Perth: 29–226
• Brisbane: 100
• Adelaida: 134–148
• Hobart: 5.8–34.4
• Darwin: 31

En Canadá

Las provincias de las praderas (principalmente Saskatchewan y Manitoba) contienen altas cantidades de calcio y magnesio, a menudo en forma de dolomita, que son fácilmente solubles en el agua subterránea que contiene altas concentraciones de dióxido de carbono atrapado desde la última glaciación. En estas partes de Canadá, la dureza total en ppm de equivalente de carbonato de calcio frecuentemente excede las 200 ppm, si el agua subterránea es la única fuente de agua potable. La costa oeste, por el contrario, tiene aguas inusualmente blandas, derivadas principalmente de lagos de montaña alimentados por glaciares y deshielo.

Algunos valores típicos son:

• Montreal 116 ppm
• Calgary 165 ppm
• Regina 496 ppm
• Saskatoon 160–180 ppm
• Winnipeg 77 ppm
• Toronto 121 ppm
• Vancouver 3 ppm
• Charlottetown, PEI 140–150 ppm
• Waterloo Region 400 ppm
• Guelph 460 ppm
• Saint John (West) 160–200 ppm
• Ottawa 30 ppm

En Inglaterra y Gales

La información de la Inspección Británica de Agua Potable muestra que el agua potable en Inglaterra generalmente se considera "muy dura", y la mayoría de las áreas de Inglaterra, particularmente al este de una línea entre los estuarios de Severn y Tees, exhiben por encima de 200 ppm para el equivalente de carbonato de calcio. El agua en Londres, por ejemplo, se obtiene principalmente del río Támesis y del río Lea, los cuales obtienen una proporción significativa de su flujo en clima seco de manantiales en acuíferos de piedra caliza y creta. Gales, Devon, Cornualles y partes del noroeste de Inglaterra son zonas de agua más blanda y oscilan entre 0 y 200 ppm. En la industria cervecera de Inglaterra y Gales, el agua a menudo se endurece deliberadamente con yeso en el proceso de burtonización.

En general, el agua es dura en su mayor parte en las zonas urbanas de Inglaterra donde no hay fuentes de agua blanda disponibles. Varias ciudades construyeron fuentes de suministro de agua en el siglo XVIII a medida que florecían la revolución industrial y la población urbana. Manchester era una ciudad notable en el noroeste de Inglaterra y su rica corporación construyó varios embalses en Thirlmere y Haweswater en el Distrito de los Lagos al norte. No hay exposición a piedra caliza o tiza en sus cabeceras y, en consecuencia, el agua de Manchester se clasifica como "muy blanda". De manera similar, el agua del grifo en Birmingham también es blanda, ya que proviene de los embalses del valle de Elan en Gales, aunque el agua subterránea de la zona es dura.

En Irlanda

La EPA ha publicado un manual de estándares para la interpretación de la calidad del agua en Irlanda en el que se dan definiciones de dureza del agua. En esta sección se hace referencia a la documentación original de la UE, que no establece ningún límite de dureza. A su vez, el manual tampoco proporciona "valores límite recomendados u obligatorios" por dureza. Los manuales indican que por encima del punto medio de los rangos definidos como "moderadamente duros", los efectos se observan cada vez más: "Las principales desventajas del agua dura son que neutralizan el poder espumante del jabón". ="nowrap"> [...] y, lo que es más importante, que pueden provocar obstrucciones en las tuberías y reducir gravemente la eficiencia de la caldera debido a la formación de incrustaciones. Estos efectos aumentarán a medida que la dureza alcance y supere los 200 mg/L CaCO
>₃."

En Estados Unidos

Una recopilación de datos de los Estados Unidos encontró que aproximadamente la mitad de las estaciones de agua analizadas tenían una dureza superior a 120 mg por litro de equivalente de carbonato de calcio, lo que las ubicaba en las categorías "duras" de agua. o "muy duro". La otra mitad se clasificó como blanda o moderadamente dura. Más del 85% de los hogares estadounidenses tienen agua dura. Las aguas más blandas se encuentran en partes de las regiones de Nueva Inglaterra, el Golfo del Atlántico Sur, el Noroeste del Pacífico y Hawái. Las aguas moderadamente duras son comunes en muchos de los ríos de las regiones de Tennessee, los Grandes Lagos y Alaska. En algunos de los arroyos de la mayoría de las regiones del país se encuentran aguas duras y muy duras. Las aguas más duras (más de 1000 ppm) se encuentran en arroyos de Texas, Nuevo México, Kansas, Arizona, Utah, partes de Colorado, el sur de Nevada y el sur de California.