Relación entre la alcalinidad total, la dureza por carbonatos y el pH

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Con el desarrollo continuo de la economía social, se vierten grandes cantidades de aguas residuales sin ser tratadas, lo que afecta gravemente a los cuerpos de agua de los ríos. Esto modifica las características químicas del agua y la contaminación se vuelve cada vez más grave. Esta situación cambiada plantea nuevos desafíos para el trabajo de monitoreo de la calidad del agua. El objetivo de la vigilancia de la calidad del agua es reflejar de manera oportuna, precisa y completa la situación de la calidad del medio acuático y sus tendencias de evolución. De este modo, se proporciona una base científica para la gestión, planificación y control de la contaminación en el medio acuático. Se trata de una tarea fundamental para el uso racional, la explotación y la protección de los recursos hídricos; además, funciona como un instrumento para controlar la contaminación del agua, proteger su medio ambiente y mejorar su calidad. La investigación en ciencias del medio acuático es de suma importancia para el desarrollo de la economía nacional y para la protección de la salud de las personas. 1. Resumen 1) Alcalinidad: Es la cantidad total de especies alcalinas presentes en el agua, que deben ser neutralizadas para reducir el pH del agua tratada a un valor equivalente al del agua pura conteniendo CO2 disuelto. 2) Dureza temporal: también conocida como dureza por carbonatos, se refiere al contenido de carbonatos de calcio y magnesio en el agua. Dado que el contenido de carbonatos en el agua natural es muy bajo, estos solo están presentes en aguas alcalinas. Por lo tanto, la dureza temporal se refiere generalmente al contenido de bicarbonatos en el agua; al hervir el agua, los bicarbonatos se descomponen y forman precipitados de carbonato. 3) pH: Es un valor que indica el grado de acidez o alcalinidad de una solución. Se calcula como la relación entre la cantidad total de iones de hidrógeno y la cantidad total de sustancia presente en la solución. 2 Métodos de detección 2.1 Principio del método de alcalinidad total: La muestra de agua se titula con una solución ácida estándar hasta alcanzar el valor de pH especificado. El punto final de la titulación se determina a partir del cambio de color del indicador ácido-base al llegar a ese valor de pH. Cuando la titulación se lleva a cabo hasta que el indicador de fenolftaleína pasa de ser rojo a incoloro, el valor de pH de la solución es 8.3. Esto indica que los iones hidróxido en el agua han sido neutralizados, y que todos los carbonatos se han convertido en bicarbonatos ； Cuando la titulación llega al punto en que el indicador de naranjo metílico pasa de un color amarillo pálido a rojo anaranjado, el valor de pH de la solución es de 4.4 a 4.5. Esto indica que los bicarbonatos presentes en el agua han sido neutralizados, tanto los que provienen del petróleo crudo como aquellos que se formaron a partir de carbonatos. Según la cantidad de solución estándar de ácido clorhídrico consumida al alcanzar dichos dos puntos de medición, se calcula el contenido de carbonatos y bicarbonatos en el agua, así como su alcalinidad total. Cuando se utiliza el fenolftaleína como indicador, la cantidad de solución estándar de ácido clorhídrico que se necesita para lograr un cambio de color es P (ml). Cuando se utiliza el naranjo metílico como indicador, la cantidad de solución estándar de ácido clorhídrico que se necesita para lograr un cambio de color es M (ml). 2.2 Principio del método de dureza temporal: Los bicarbonatos (y carbonatos) presentes en el agua reaccionan con ácido clorhídrico, utilizando al colorante metil naranja como indicador. La reacción es la siguiente: Ca(HCO3)2 + 2HCl → CaCl2 + 2CO2↑ + 2H2O. Si también están presentes carbonatos, también ocurre una reacción: CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O. Si el agua contiene ácidos orgánicos, bicarbonatos o carbonato de sodio (o potasio), estos compuestos consumirán el ácido clorhídrico. Por lo tanto, antes de determinar la dureza por carbonatos, es necesario determinar la cantidad de estos compuestos y corregir los resultados obtenidos. De lo contrario, la dureza calculada por carbonatos será mayor que el valor real. 2.3 Principio del método de medición del valor de pH El valor de pH se obtiene midiendo la fuerza electromotriz de la pila de medición. Esta batería suele estar compuesta por un electrodo de cincocromato saturado como electrodo de referencia, y un electrodo de vidrio como electrodo indicador. A 25 °C, por cada cambio de una unidad de pH en la solución, la diferencia de potencial varía 59,16 mV; por lo tanto, en el instrumento se muestra directamente la lectura de pH. Existen dispositivos de compensación en el instrumento para las diferencias de temperatura. 3 Reactivos químicos utilizados en el trabajo 3.1 Reactivos para la medición de la alcalinidad total Indicador de fenolftaleína: Se disuelven 0,5 g de fenolftaleína en 100 ml de etanol al 95%. Luego, se añade solución de hidróxido de sodio a una concentración de 0,1 mol/L, hasta que aparezca un color rojo pálido. Indicador de naranja metílica: Se disuelven 0,1 g de naranja metílica en 100 ml de agua destilada. Solución estándar de titulación con ácido clorhídrico: C(HCl) = 0,025 mol/L. 3.2 Reactivos para la medición de la dureza carbonática: Ácido clorhídrico: 0,1 mol/L. Hidróxido de sodio: 0,1 mol/L. Solución de naranja metílica: 0,05%. 4. Pruebas en las condiciones reales de trabajo 4.1 Cuando el pH es inferior a 4.4–4.5: Se trata de muestras de agua tomadas el 1 de noviembre de 2011 por el Centro de Monitoreo del Medio Ambiente Acuático de Benxi, para una gran empresa ubicada en esa ciudad. Esta muestra de agua fue analizada con un medidor de acidez; su valor de pH es 2.2. Determinación de la alcalinidad total: Se toman 100 ml de la muestra de agua y se colocan en un frasco cónico de 250 ml como muestra. Se añaden 4 gotas de fenolftaleína y se mezcla bien; la muestra de agua no tiene color ； Se añaden 3 gotas más de naranja metílica y se agita bien. La muestra de agua adquiere un color naranja rojizo. En este momento, la cantidad de ácido clorhídrico consumido es M+P=0; por lo tanto, la alcalinidad total de la muestra de agua es 0. Determinación de la dureza por carbonatos: Se toman 100 ml de muestra de agua y se colocan en un frasco de 250 ml. Luego, se añaden 3 gotas de solución de naranja metílica. El color de esta muestra de agua se vuelve naranja rojizo; además, la dureza carbonática de esta muestra es de 0. 4.2 Cuando 4.4~4.5 < pH < 8.3: 4.2.1 En los casos en que las muestras de agua no contienen bicarbonato de sodio (ni potasio), ni carbonato de sodio (ni potasio). Estas son las muestras analizadas por el Centro de Monitoreo del Medio Ambiente de Benxi el 1 de noviembre de 2011, para una gran empresa de la ciudad de Benxi. Esta muestra de agua fue analizada con un medidor de acidez; su valor de pH es 6.3. Determinación de la alcalinidad total: Los pasos a seguir son los mismos que en la sección 4.1 para la determinación de la alcalinidad total. Cuando el indicador de naranja metílico pasa de un color amarillo pálido a rojo anaranjado, la cantidad de ácido clorhídrico consumido es de 4,2 ml. La alcalinidad total del agua se calcula a partir de este valor; en este caso, la alcalinidad total del agua es de 52,6 mg/L. Determinación de la dureza de carbonatos: Los pasos son los mismos que en 4.1 Determinación de la dureza de carbonatos. El volumen de ácido clorhídrico consumido por esta muestra de agua fue de 1.00 ml. La dureza por carbonatos de esta muestra de agua es, según los cálculos, de 50.0 mg/L. 4.2.2 Ejemplos de muestras de agua que contienen bicarbonato de sodio (y potasio) o carbonato de sodio (y potasio). Se trata de muestras analizadas el 11 de noviembre de 2011 por la Oficina de Monitoreo del Medio Ambiente Acuático de Benxi, para una gran empresa de esa ciudad. Esta muestra de agua fue analizada con un medidor de acidez; su valor de pH es 6.2. Determinación de la alcalinidad total: Los pasos a seguir son los mismos que en la sección 4.1 para la determinación de la alcalinidad total. Cuando el indicador de naranja metílico pasa de un color amarillo pálido a rojo anaranjado, la cantidad de ácido clorhídrico consumido es de 3.70 ml. La alcalinidad total del agua se calcula a partir de este valor; en este caso, la alcalinidad total del agua es de 46.3 mg/L. Determinación de la dureza por carbonatos: Se toman 100 ml de muestra de agua y se colocan en un frasco de 250 ml. Se añaden 4 gotas de solución de fenolftaleína; si no aparece color rojo, se hierve la muestra durante 5–7 minutos. Si entonces aparece el color rojo, eso indica la presencia de bicarbonatos, es decir, NaHCO3 o KHCO3. En ese caso, se procede de la siguiente manera: 1) Se toman 100 ml de la muestra de agua, se añaden 3 gotas de colorante metilo naranja como indicador, y se titula con ácido clorhídrico a una concentración de 0.1 mol/L hasta que se obtenga un color naranja pálido. Se registra la cantidad de ácido utilizado (V1), que fue de 0.80 ml. 2) Se toman 100 ml de la muestra de agua. Se añaden 0,80 ml de solución de hidróxido de sodio a una concentración de 0,1 mol/L; esta cantidad es igual a la cantidad de ácido clorhídrico necesaria para alcanzar esa misma concentración (V1). La mezcla se calienta hasta que comience a hervir; luego se enfría rápidamente con agua fría. Los precipitados formados, como el CaCO3, se filtran. El papel filtrante se enjuaga con un poco de agua destilada. A continuación, se añaden 3 gotas de colorante metilo naranja al filtrado. Se titula con ácido clorhídrico a una concentración de 0,1 mol/L hasta que se obtenga un color naranja pálido. Se registra la cantidad de ácido clorhídrico utilizado (V2): 1,10 ml. En este momento, el contenido de carbonatos en la muestra de agua se calculó, y se determinó que la dureza por carbonatos de esta muestra es de 25,0 mg/L. 4.3 En los casos en que el pH es superior a 8.3, se trata de muestras de agua tomadas el 4 de noviembre de 2011 por la Oficina de Monitoreo del Medio Ambiente Acuático de Benxi, para una gran empresa ubicada en esa ciudad. Esta muestra de agua fue analizada con un medidor de acidez; su valor de pH es 8.7. Determinación de la alcalinidad total: Se toman 100 ml de la muestra de agua y se colocan en un frasco cónico de 250 ml como muestra a analizar. Se añaden 4 gotas de fenolftaleína y se mezcla bien. Luego, se titula con solución estándar de ácido clorhídrico hasta que el color desaparezca por completo. Se registra la cantidad de solución estándar de ácido clorhídrico utilizada; en este caso, es de 6.3 ml ； Se añaden 3 gotas más de naranja metílica y se agita bien. Cuando el indicador naranja metílica pasa de un color amarillo pálido a rojo anaranjado, eso significa que la cantidad de ácido clorhídrico consumido es de 3.8 ml. La alcalinidad total del agua se calcula como 126 mg/L. Determinación de la dureza por carbonatos: Se toman 100 ml de muestra de agua y se colocan en un frasco de 250 ml. Se añaden 4 gotas de solución de fenolftaleína; si aparece un color rojo, eso indica la presencia de carbonatos, es decir, de Na2CO3 o K2CO3. Luego, se añade ácido clorhídrico para llevar la solución a un estado incoloro. Se registra la cantidad de ácido utilizado, P, que es de 0,9 ml. A continuación, se añaden 3 gotas de solución de metilnaranja, y se continúa con la titulación hasta que el color sea ligeramente anaranjado. Se registra entonces la cantidad de ácido utilizado, M, que es de 1,5 ml. En este momento, el contenido de carbonatos en la muestra de agua se calculó, y se determinó que la dureza por carbonatos de esta muestra es de 30,0 mg/L. 5 Conclusiones 1) Cuando el pH de la dureza carbonatada ； 3) Dureza total > Alcalinidad total > Dureza de carbonatos ； Cuando el pH es mayor que 8.3, la alcalinidad total es mayor que la dureza por carbonatos. 6 Conclusión En la actualidad, mientras pasamos de un enfoque basado en la ingeniería hidráulica a uno centrado en la gestión eficiente de los recursos hídricos, y de un sistema hidráulico tradicional a uno moderno, nos enfrentamos a desafíos como la escasez de agua, la grave contaminación del agua y el deterioro del ecosistema acuático. Las necesidades del desarrollo económico y social en esta nueva era imponen requisitos más elevados en cuanto al monitoreo de la calidad del agua. Comprender la relación entre la alcalinidad total, la dureza de los carbonatos y el pH permite determinar la tendencia general y la precisión de los resultados de las mediciones. De este modo, se pueden proporcionar a los departamentos competentes datos de monitoreo precisos y fiables en el momento oportuno, lo que a su vez sirve como base científica para la prevención y control de la contaminación. El contenido anterior proviene de la página Rotor Douding. Se trata de la relación entre la alcalinidad total, la dureza por carbonatos y el pH (Autores: Sun Jianjun, Mao Yufeng). Los instrumentos para la medición en tiempo real de la dureza, la alcalinidad y el pH son los siguientes: Dureza: PACON 5000; Alcalinidad: PACON 5500; pH: innoCon 6800P