Demanda química de oxígeno

En química ambiental, la demanda química de oxígeno (DQO) es una medida indicativa de la cantidad de oxígeno que pueden consumir las reacciones en una solución medida. Comúnmente se expresa en masa de oxígeno consumido sobre el volumen de solución que en unidades SI es miligramos por litro (mg/L). Se puede utilizar una prueba de DQO para cuantificar fácilmente la cantidad de compuestos orgánicos en el agua. La aplicación más común de la DQO es la cuantificación de la cantidad de contaminantes oxidables que se encuentran en las aguas superficiales (por ejemplo, lagos y ríos) o en las aguas residuales. La DQO es útil en términos de calidad del agua al proporcionar una métrica para determinar el efecto que tendrá un efluente en el cuerpo receptor, de manera muy similar a la demanda bioquímica de oxígeno (DBO).

Descripción general

La base de la prueba DQO es que casi todos los compuestos orgánicos pueden oxidarse completamente a dióxido de carbono con un agente oxidante fuerte en condiciones ácidas. La cantidad de oxígeno necesaria para oxidar un compuesto orgánico a dióxido de carbono, amoníaco y agua viene dada por:

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Esta expresión no incluye la demanda de oxígeno causada por la nitrificación, la oxidación del amoníaco en nitrato:

${displaystyle {mbox{N} {mbox{H}_{3}+2{mbox{O}}_{2}rightarrow {fnh} {fnh} {fnh} {fnh} {fnh} {fn}} {fn}}}} {fn}} {fn}}}} {fn}}}}}} {mbox {}}}}}}}}} {mbox {}}}}}} {mbox {}}}}} {}}}}}}}}}}}}} {mbox {}}}}}}}}}} {mbox {mbox {}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {mbox {mbox {mbox {mbox {mbox {}}}}} {}}}}}}}}}}}}}}}}}} {}}}}}}}}} {mbox {mbox {mbox {mbox {}}}}}}}}}}}}}}$

El dicromato, el agente oxidante para la determinación de DQO, no oxida el amoníaco en nitrato, por lo que la nitrificación no está incluida en la prueba de DQO estándar.

La Organización Internacional de Normalización describe un método estándar para medir la demanda química de oxígeno en ISO 6060 [1].

Usar dicromato de potasio

El dicromato de potasio es un fuerte agente oxidante en condiciones ácidas. La acidez generalmente se logra mediante la adición de ácido sulfúrico. La reacción del dicromato de potasio con compuestos orgánicos viene dada por:

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Donde ${displaystyle d=2n/3+a/6-b/3-c/2}$. Más comúnmente, se utiliza una solución 0,25 N de dicromato de potasio para la determinación de COD, aunque para muestras con COD inferior a 50 mg/L, se prefiere una menor concentración de dicroto de potasio.

En el proceso de oxidación de las sustancias orgánicas que se encuentran en la muestra de agua, el dicromato de potasio se reduce (ya que en todas las reacciones redox, un reactivo se oxida y el otro se reduce), formándose Cr³⁺. La cantidad de Cr³⁺ se determina una vez completada la oxidación y se utiliza como medida indirecta del contenido orgánico de la muestra de agua.

Medición del exceso

Para que toda la materia orgánica se oxide por completo, debe estar presente una cantidad excesiva de dicromato de potasio (o cualquier agente oxidante). Una vez que se completa la oxidación, se debe medir la cantidad de exceso de dicromato de potasio para garantizar que la cantidad de Cr³⁺ pueda determinarse con precisión. Para ello, el exceso de dicromato de potasio se titula con sulfato ferroso y amónico (FAS) hasta que todo el exceso de agente oxidante se haya reducido a Cr³⁺. Normalmente, también se añade ferroína, indicador de oxidación-reducción, durante este paso de titulación. Una vez reducido todo el exceso de dicromato, el indicador de ferroína cambia de azul verdoso a marrón rojizo. La cantidad de sulfato ferroso de amonio agregada es equivalente a la cantidad de exceso de dicromato de potasio agregado a la muestra original. Nota: El indicador de ferroína es de color rojo brillante proveniente de fuentes preparadas comercialmente, pero cuando se agrega a una muestra digerida que contiene dicromato de potasio, presenta un tono verde. Durante la titulación, el color del indicador cambia de un tono verde a un tono azul brillante y a un marrón rojizo al llegar al punto final. El indicador de ferroína cambia de rojo a azul pálido cuando se oxida.

Preparación del reactivo indicador de ferroína

Se añade una solución de 1,485 g de monohidrato de 1,10-fenantrolina a una solución de 695 mg de FeSO₄·7H₂O en agua destilada y se obtiene el color rojo resultante. La solución se diluye a 100 ml.

Cálculos

La siguiente fórmula se utiliza para calcular la DQO:

${displaystyle mathrm {COD} {frac {8000(b-s)n}{text{sample volume}}}}}}}$

donde b es el volumen de FAS utilizado en la muestra en blanco, s es el volumen de FAS en la muestra original y n es la normalidad del FAS. Si se utilizan mililitros de manera constante para las mediciones de volumen, el resultado del cálculo de DQO se da en mg/L.

La DQO también se puede estimar a partir de la concentración del compuesto oxidable en la muestra, en función de su reacción estequiométrica con el oxígeno para producir CO₂ (suponiendo que todo el C se convierta en CO_{2), H2O (supongamos que todo el H va a H2O) y NH3 (suponga que todo el N va a NH< sub>3}), utilizando la siguiente fórmula:

COD =C/FW)·(RMO)·32

Dónde

C = Concentración de compuesto oxidable en la muestra,

FW = Peso de la fórmula del compuesto oxidable en la muestra,

RMO = Relación del # de topos de oxígeno a # de topos de compuesto oxidable en su reacción al CO₂, agua y amoníaco

Por ejemplo, si una muestra tiene 500 Wppm (partes de peso por millón) de fenol:

C₆H₅OH + 7O₂ → 6CO₂ + 3H₂O

COD = (500/94)·7·32 = 1191 Wppm

Interferencia inorgánica

Algunas muestras de agua contienen altos niveles de materiales inorgánicos oxidables que pueden interferir con la determinación de DQO. Debido a su alta concentración en la mayoría de las aguas residuales, el cloruro suele ser la fuente de interferencia más grave. Su reacción con dicromato de potasio sigue la ecuación:

${displaystyle mathrm {6Cl^{-}+Cr_{2}O_{7}^{2-}+14H^{+}rightarrow 3Cl_{2}+2Cr^{3+}+7H_{2}O} }$

Antes de agregar otros reactivos, se puede agregar sulfato de mercurio a la muestra para eliminar la interferencia del cloruro.

La siguiente tabla enumera otras sustancias inorgánicas que pueden causar interferencias. La tabla también enumera las sustancias químicas que pueden usarse para eliminar dicha interferencia y los compuestos que se forman cuando se elimina la molécula inorgánica.

Reglamento gubernamental

Muchos gobiernos imponen regulaciones estrictas con respecto a la demanda química máxima de oxígeno permitida en las aguas residuales antes de que puedan ser devueltas al medio ambiente. Por ejemplo, en Suiza, se debe alcanzar una demanda máxima de oxígeno entre 200 y 1000 mg/L antes de que las aguas residuales o industriales puedan devolverse al medio ambiente [2].

Historia

Durante muchos años, el fuerte agente oxidante permanganato de potasio (KMnO₄) se utilizó para medir la demanda química de oxígeno. Las mediciones se denominaron oxígeno consumido del permanganato, en lugar de demanda de oxígeno de las sustancias orgánicas. La eficacia del permanganato de potasio para oxidar compuestos orgánicos varió ampliamente y, en muchos casos, las mediciones de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) fueron a menudo mucho mayores que los resultados de las mediciones de DQO. Esto indicó que el permanganato de potasio no podía oxidar eficazmente todos los compuestos orgánicos en el agua, lo que lo convertía en un agente oxidante relativamente pobre para determinar la DQO.

Desde entonces, se han utilizado otros agentes oxidantes como el sulfato cérico, el yodato de potasio y el dicromato de potasio para determinar la DQO. De estos, se ha demostrado que el dicromato de potasio (K2Cr2O7) es el más eficaz: es relativamente barato, fácil de purificar y capaz de oxidar casi por completo casi todos los compuestos orgánicos.

En estos métodos, se agrega un volumen fijo con una cantidad excesiva conocida de oxidante a una muestra de la solución que se está analizando. Después de una etapa de digestión a reflujo, la concentración inicial de sustancias orgánicas en la muestra se calcula a partir de una determinación titrimétrica o espectrofotométrica del oxidante que aún queda en la muestra. Como ocurre con todos los métodos colorimétricos, los espacios en blanco se utilizan para controlar la contaminación por material externo.