Dureza del agua y DQO: métodos de determinación y conceptos clave

Métodos para Determinar la Dureza del Agua

Método del Jabón (Antiguo "Cortado del Jabón")

Este método consiste en titular el agua con una solución de jabón de concentración conocida. Se utiliza como indicador la propia espuma de jabón, que solo se forma de manera persistente cuando toda la dureza (iones Ca²⁺ y Mg²⁺) ha reaccionado con el jabón. El jabón de sodio (NaJ, donde J representa el anión carboxilato del ácido graso) reacciona con los cationes divalentes para formar jabones insolubles de calcio y magnesio, que precipitan.

El volumen de la solución de jabón consumido se mide utilizando una bureta. Las reacciones principales son:

2NaJ + Ca2+ → CaJ2 (s) ↓ + 2Na+

2NaJ + Mg2+ → MgJ2 (s) ↓ + 2Na+

Método Complexométrico con EDTA

Este método se basa en la cuantificación de los iones calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺) mediante una titulación con EDTA (ácido etilendiaminotetraacético, generalmente como sal disódica). El resultado se expresa como Dureza Total, convencionalmente en mg/L de CaCO₃.

El procedimiento es el siguiente:

1. Se toma una muestra de agua que contiene los iones calcio y magnesio.
2. Se añade una solución buffer para ajustar el pH a 10.
3. Se agrega el indicador Eriocromo Negro T (NET). Este indicador forma un complejo de color vino tinto o púrpura con los iones Ca²⁺ y Mg²⁺ libres presentes en la muestra ([Ca-Mg-NET]).
4. Se procede a titular con una solución estándar de EDTA (sal disódica). El EDTA es un agente quelante que forma complejos más estables con Ca²⁺ y Mg²⁺ que el indicador NET.
5. Al añadir EDTA, este secuestra los iones Ca²⁺ y Mg²⁺ del complejo con el indicador.
6. El punto final de la titulación se alcanza cuando todo el Ca²⁺ y Mg²⁺ ha formado el complejo con EDTA ([Ca-Mg-EDTA], incoloro). En este punto, el indicador NET queda libre en la solución, mostrando su color característico a pH 10, que es azul.

La reacción general en el punto final es:

[Ca-Mg-NET] (Púrpura) + EDTA → [Ca-Mg-EDTA] (Incoloro) + NET (Azul)

Índice de Oxidabilidad (Método del Permanganato)

Es una medida aproximada de la cantidad de materia orgánica oxidable presente en el agua, determinada bajo condiciones específicas utilizando un oxidante como el permanganato de potasio (KMnO₄). El Índice de Oxidabilidad presenta limitaciones e interferencias si el agua contiene sustancias inorgánicas reductoras como nitritos (NO₂^-), sulfuros (S^2-), ion ferroso (Fe²⁺) o cualquier otra sustancia mineral que pueda ser oxidada por el permanganato en las condiciones del ensayo.

Tipos de Dureza del Agua

I) Dureza Temporal

Es la porción de la dureza total que desaparece por calentamiento (ebullición) del agua. Es debida principalmente a la presencia de bicarbonatos de calcio y magnesio (Ca(HCO₃)₂ y Mg(HCO₃)₂), que son solubles en agua.

Al calentar, los bicarbonatos se descomponen formando carbonatos insolubles que precipitan, dióxido de carbono y agua:

Ca(HCO3)2 (aq) --Calor--> CaCO3 (s) ↓ + H2O (l) + CO2 (g) ↑

Mg(HCO3)2 (aq) --Calor--> MgCO3 (s) ↓ + H2O (l) + CO2 (g) ↑

II) Dureza Permanente

Es la porción de la dureza total que no es eliminada por el calentamiento del agua. Es debida a otras sales solubles de Ca²⁺ y Mg²⁺, principalmente cloruros (CaCl₂, MgCl₂) y sulfatos (CaSO₄, MgSO₄).

Las incrustaciones debidas a la dureza permanente en sistemas de calentamiento (como calderas) son originadas principalmente por el sulfato de calcio (CaSO₄). Aunque las otras sales como CaCl₂, MgCl₂ y MgSO₄ son muy solubles en agua, el sulfato de calcio es solo medianamente soluble y su solubilidad disminuye al aumentar la temperatura (solubilidad inversa): aproximadamente 2 g/L a 20 °C, pero solo 1.6 g/L a 100 °C. Por eso, cuando el agua de una caldera se calienta y parte se convierte en vapor, la concentración de CaSO₄ aumenta y este precipita formando depósitos compactos y difíciles de redisolver.

Demanda Química de Oxígeno (DQO)

La Demanda Química de Oxígeno (DQO) representa la cantidad de oxígeno necesario para la oxidación química de la mayor parte de la materia orgánica y algunas sustancias inorgánicas oxidables presentes en el agua. El objetivo es convertir estas sustancias principalmente en dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

Para la determinación de la DQO, se emplea un oxidante fuerte, comúnmente el dicromato de potasio (K₂Cr₂O₇), en medio ácido fuerte (generalmente ácido sulfúrico) y a alta temperatura. La reacción suele completarse en unas 2-3 horas.

La DQO se expresa en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mg O₂/L).

La DQO guarda a menudo una buena relación con la DBO (Demanda Bioquímica de Oxígeno), que mide la cantidad de oxígeno consumido por microorganismos para degradar la materia orgánica biodegradable. La determinación de la DQO es mucho más rápida (horas) que la de la DBO (típicamente 5 días), lo que la hace muy útil para el control de procesos.

Sin embargo, es importante notar que:

• La DQO mide tanto la materia biodegradable como la no biodegradable que sea químicamente oxidable.
• La DQO no suministra información sobre la velocidad de degradación biológica en condiciones naturales.
• Generalmente, el valor de la DQO es mayor que el de la DBO, porque muchas sustancias orgánicas pueden oxidarse químicamente pero no biológicamente (o lo hacen muy lentamente).

El valor de la DQO refleja el contenido total de materia oxidable, que incluye: materia orgánica (como carbohidratos, proteínas, grasas) y ciertas sustancias inorgánicas reductoras (como hierro ferroso (Fe²⁺), nitritos (NO₂^-), amoniaco (NH₃/NH₄⁺), sulfuros (S^2-)). Los cloruros (Cl^-) también pueden interferir si no se toman precauciones (adición de sulfato de mercurio).