Química del Agua: Dureza, Contaminación Térmica, Detergentes y Técnicas de Muestreo

Agua Dura

Es aquella agua que contiene en disolución cantidades apreciables de compuestos de calcio y magnesio. Estos compuestos forman un precipitado muy insoluble con el jabón, disminuyendo su eficacia. Para eliminar la dureza se utilizan, entre otros métodos, intercambiadores de iones.

Dureza Temporal

Es la dureza causada principalmente por los bicarbonatos de calcio y magnesio disueltos en el agua. Se denomina temporal porque puede eliminarse calentando el agua, lo que provoca la precipitación de carbonatos insolubles:

Ca(HCO3)2(aq) + calor → CaCO3(s)↓ + CO2(g)↑ + H2O(l)

Mg(HCO3)2(aq) + calor → MgCO3(s)↓ + CO2(g)↑ + H2O(l)

Dureza Permanente

Está constituida por el resto de las sales de calcio y magnesio, como sulfatos, cloruros o nitratos. Se le llama permanente porque no se elimina por simple ebullición, sino que requiere la adición de agentes químicos (ablandadores) para precipitar los iones calcio y magnesio. Por ejemplo, con carbonato de sodio:

CaCl2(aq) + Na2CO3(aq) → CaCO3(s)↓ + 2NaCl(aq)

Contaminación por Calor (Contaminación Térmica)

El calor, en general, no se considera un contaminante químico directo, pero su vertido excesivo en cuerpos de agua (contaminación térmica) tiene efectos contaminantes significativos. El origen principal de la contaminación térmica se encuentra en la industria (centrales termoeléctricas, refinerías, etc.) cuando se utiliza el agua como refrigerante y se vierte posteriormente a una temperatura elevada.

Efectos de la Contaminación Térmica

• Disminución del oxígeno disuelto: La solubilidad del oxígeno en el agua disminuye a medida que aumenta la temperatura. Esto puede llevar a condiciones de hipoxia, afectando a los organismos acuáticos aerobios.
• Aumento de la velocidad de las reacciones químicas y biológicas: Un incremento de la temperatura acelera las tasas metabólicas de los organismos acuáticos y la velocidad de las reacciones de descomposición, lo que puede agotar más rápidamente el oxígeno. Generalmente, una subida de 10 °C puede llegar a duplicar la velocidad de reacción.
• Alteración de ciclos biológicos: La vida acuática puede recibir señales térmicas incorrectas, afectando sus patrones de migración, reproducción y desarrollo larvario.
• Superación de límites térmicos letales: Temperaturas elevadas pueden sobrepasar los límites de tolerancia térmica de ciertas especies, causando estrés fisiológico, enfermedades o incluso la muerte.
• Favorecimiento de floraciones algales: Algunas especies de algas, incluidas cianobacterias potencialmente tóxicas, pueden proliferar a temperaturas más altas.

Para mitigar estos efectos, se exige a las industrias enfriar el agua antes de su vertido (por ejemplo, mediante torres de refrigeración) o reutilizarla en procesos que requieran agua caliente.

Detergentes y su Impacto Ambiental

Un detergente es una sustancia o mezcla que tiene propiedades limpiadoras en disolución. Está formado principalmente por un surfactante (o tensoactivo), un estructurador (o coadyuvante, builder en inglés) y otros componentes varios.

Componentes Principales

Surfactante (o Tensoactivo)

Tiene como finalidad principal rebajar la tensión superficial del agua para que esta penetre mejor en los tejidos y pueda emulsionar la suciedad. Es una sustancia anfifílica, es decir, posee una parte polar (hidrofílica, que se disuelve en agua) y una parte apolar (lipofílica u orgánica, que se disuelve en la suciedad grasa). Un ejemplo común es el dodecilbencenosulfonato de sodio (SDBS).

Estructurador (o Coadyuvante)

Su misión principal es "secuestrar" los iones de calcio (Ca²⁺) y magnesio (Mg²⁺) presentes en el agua dura, ablandándola y evitando que estos iones interfieran con la acción del surfactante. Tradicionalmente se han utilizado polifosfatos, como el tripolifosfato de sodio (Na₅P₃O₁₀), que además aportan un pH básico al agua (alcalinidad), lo cual favorece el proceso de lavado.

Otros Componentes

• Blanqueadores ópticos (o abrillantadores): Absorben la luz ultravioleta invisible y emiten luz visible en la región azulada del espectro, lo que hace que los tejidos parezcan más blancos y brillantes.
• Agentes antiredeposición: Tienen como misión mantener la suciedad ya desprendida en suspensión en el agua de lavado, evitando que vuelva a depositarse sobre el tejido. Un ejemplo es la carboximetilcelulosa (CMC).
• Enzimas: Para degradar manchas específicas de origen proteico (ej. sangre), graso (ej. aceite) o amiláceo (ej. almidón).
• Perfumes y colorantes.

Problemática Medioambiental de los Detergentes

• Biodegradabilidad de los surfactantes: Inicialmente, algunos surfactantes (como los alquilbencenosulfonatos ramificados) eran poco biodegradables, causando espumas persistentes en ríos y plantas de tratamiento. Actualmente, se utilizan surfactantes lineales, mucho más biodegradables.
• Eutrofización por fosfatos: El fósforo, proveniente de los polifosfatos usados como estructuradores, es un nutriente limitante en muchos ecosistemas acuáticos. Su vertido excesivo provoca la eutrofización de las aguas: un crecimiento descontrolado de algas que, al morir y descomponerse, consumen el oxígeno disuelto, afectando gravemente la vida acuática. El nitrógeno, presente en algunos componentes, también puede contribuir.
• Búsqueda de alternativas: Debido al problema de la eutrofización, se ha restringido o prohibido el uso de fosfatos en detergentes en muchos países. Se investiga y utiliza activamente el desarrollo de estructuradores alternativos que no estén basados en fósforo (ej. zeolitas, citratos, policarboxilatos, NTA, EDTA) o el uso de formulaciones de surfactantes que no necesiten de un compuesto estructurador tan potente o que sean más eficientes en aguas duras.

Tipos de Muestras y Muestreo en Análisis de Aguas

La obtención de una muestra representativa es crucial para la validez de cualquier análisis de la calidad del agua.

Tipos de Muestras

• Muestra simple (o puntual): Es aquella recogida en un lugar y momento determinados. Proporciona información sobre las características del agua en ese instante y punto específico. Es útil para aguas de composición relativamente constante o para investigar eventos puntuales de contaminación.
• Muestra compuesta: Se obtiene mezclando varias muestras simples. El objetivo es obtener un valor promedio de la calidad del agua durante un cierto período o en una determinada sección. Pueden ser:
  • Compuestas en el tiempo: Recogidas en el mismo punto de muestreo pero en diferentes momentos (ej. cada hora durante 24 horas) y luego mezcladas, usualmente en volúmenes proporcionales al caudal si este varía. Representan una condición promedio durante ese período.
  • Compuestas en el espacio (o integradas): Recogidas al mismo tiempo pero en diferentes puntos de una sección transversal (ej. de un río: superficie, centro, fondo; o diferentes puntos a lo ancho) o de un volumen de agua (ej. un lago a diferentes profundidades), y luego mezcladas. Representan una condición promedio en esa zona o volumen.

Tipos de Muestreo

El plan de muestreo define cómo, cuándo y dónde se tomarán las muestras.

• Muestreo aleatorio simple: Se seleccionan puntos o momentos de muestreo al azar dentro de la población de interés (ej. un cuerpo de agua, un período de tiempo). Cada posible muestra tiene la misma probabilidad de ser elegida. Es útil cuando se tiene poca información previa sobre la variabilidad.
• Muestreo estratificado: Se divide la población (ej. un río en tramos con diferentes usos, un año en estaciones) en subpoblaciones o estratos que se presumen más homogéneos internamente que la población total. Luego, se realiza un muestreo (a menudo aleatorio simple o sistemático) dentro de cada estrato. Permite obtener estimaciones más precisas para cada estrato y para la población total.
• Muestreo sistemático: Se selecciona un punto o momento de inicio al azar (o por conveniencia) y luego se toman las siguientes muestras a intervalos regulares (de tiempo o espacio). Por ejemplo, tomar una muestra cada hora de un efluente o cada 100 metros a lo largo de un río. Es fácil de implementar pero puede ser problemático si existe una ciclicidad en la variable medida que coincida con el intervalo de muestreo.
• Muestreo sistemático estratificado: Es una combinación de los dos métodos anteriores. Se divide la población en estratos y dentro de cada estrato se aplica un muestreo sistemático.