Para liberar el oxígeno disuelto del agua destilada, caliéntela hasta cerca del punto de ebullición y manténgala caliente durante un tiempo suficiente para que el gas escape; después, enfríela en un recipiente cerrado para evitar que vuelva a absorber oxígeno del aire. La agitación, el burbujeo con un gas inerte y la reducción de la presión también favorecen la eliminación del oxígeno.
El método más sencillo es calentar el agua destilada, porque a mayor temperatura menos oxígeno se disuelve en la fase líquida. Al hervir agua, se pueden observar muchas burbujas pequeñas, y parte del gas disuelto en el agua se escapa al calentarse.
Qué significa liberar el oxígeno disuelto
El oxígeno disuelto (OD) se refiere al nivel de oxígeno libre, no compuesto, presente en el agua o otros líquidos. El oxígeno disuelto se encuentra en el agua en estado molecular.
El oxígeno se disuelve en el agua a partir de diversas fuentes: directamente de la atmósfera, mediante el proceso de aireación y como subproducto de la fotosíntesis en plantas acuáticas y algas. Cuando la superficie del agua entra en contacto con el aire, el oxígeno del aire se disuelve en el agua.
La presión del oxígeno en el aire conduce el oxígeno al agua hasta que la presión del oxígeno en el agua es igual a la presión de oxígeno en la atmósfera. Cuando la presión de oxígeno en el agua y en la atmósfera es la misma, el movimiento neto de las moléculas de oxígeno desde la atmósfera hacia el agua se detiene.
El agua está en equilibrio o en saturación, con oxígeno disuelto (OD) cuando la presión de oxígeno en el agua es igual a la presión de oxígeno en la atmósfera. Liberar el oxígeno disuelto significa desplazar ese equilibrio para que el O₂ salga de la fase líquida hacia la atmósfera u otra fase gaseosa.
Método principal: calentamiento
Por qué funciona el calentamiento
La temperatura tiene una gran influencia en la concentración de OD. A mayor temperatura, menos oxígeno se disuelve en la fase líquida.
Cuando la temperatura de una solución aumenta, los iones y las moléculas en ella se mueven y vibran debido al aumento de energía. Esto conduce a más y más colisiones entre partículas y, por lo tanto, algunos de los enlaces que las mantienen unidas se rompen.
A medida que vibran más partículas, se producen más colisiones y se rompen aún más enlaces. Eso también significa que los enlaces que mantienen las moléculas de oxígeno en el líquido se romperán y el oxígeno se liberará de la solución.
Esto da como resultado una disminución en el contenido de DO. Lo contrario sucede si la temperatura disminuye: el movimiento de las partículas disminuye y, por lo tanto, la concentración de OD aumenta.
Según el principio de la expansión y contracción térmica de los gases, cuando la temperatura es alta, la distancia entre las moléculas es mayor, y cuando la temperatura es baja, la distancia entre las moléculas es menor; por lo tanto, el oxígeno del aire es más soluble en el agua cuando la temperatura es baja.
Por otro lado, cuando la temperatura aumenta, la solubilidad del gas disminuye. Por ejemplo, al hervir agua, se pueden observar muchas burbujas pequeñas, y parte del gas disuelto en el agua se escapa al calentarse.
Procedimiento práctico
Coloque el agua destilada en un recipiente limpio y resistente al calor, dejando espacio para la expansión y la formación de burbujas.
Caliente el agua gradualmente hasta que aparezcan burbujas y mantenga una ebullición suave durante varios minutos.
Evite agitarla con aire atmosférico durante el enfriamiento, porque la agitación de la superficie del agua favorece la disolución de oxígeno.
Transfiera el agua caliente a un recipiente previamente enjuagado con agua destilada y ciérrelo dejando el menor espacio de aire posible.
Enfríe el recipiente cerrado a la temperatura de trabajo.
El calentamiento reduce el oxígeno disuelto, pero no garantiza por sí solo una concentración exactamente igual a cero. Al enfriarse, el agua puede volver a absorber oxígeno si permanece en contacto con el aire.
Si la eliminación del oxígeno debe ser reproducible, el recipiente debe cerrarse antes del enfriamiento y debe evitarse el contacto prolongado con la atmósfera.
Cómo evitar que el agua vuelva a absorber oxígeno
El agua solo puede mantener una concentración baja de oxígeno si se limita la transferencia desde el aire. La velocidad de disolución es proporcional al grado de insaturación del oxígeno disuelto en el agua.
También está relacionado con la agitación de la superficie del agua y la superficie por unidad de volumen, lo cual, a su vez, depende de la fuerza del viento y la profundidad del agua.
Cuando el grado de insaturación de oxígeno en el agua es elevado, el viento en la superficie del agua es fuerte y el agua es poco profunda, el efecto de la disolución del aire es considerable.
Por esta razón, después del calentamiento conviene utilizar un recipiente cerrado, reducir el espacio de aire sobre el líquido y evitar salpicaduras, turbulencias y mezclas vigorosas con la atmósfera.
Métodos alternativos para eliminar oxígeno
Burbujeo con un gas inerte
El oxígeno disuelto puede eliminarse haciendo pasar por el agua un gas que no contenga oxígeno, como nitrógeno o argón. Las burbujas aumentan el área de contacto entre el líquido y la fase gaseosa y favorecen el intercambio de gases.
La aireación convencional es una tecnología para aumentar el valor de OD en el agua. El principio inverso consiste en poner el agua en contacto con un gas cuya presión parcial de oxígeno sea muy baja para favorecer la salida del O₂ disuelto.
El burbujeo es más eficaz cuando el agua se encuentra caliente, porque el agua caliente puede contener menos oxígeno que el agua fría. Sin embargo, el gas utilizado debe ser suficientemente puro y el sistema debe estar protegido de la entrada posterior de aire.
Agitación y circulación controladas
La agitación puede acelerar la liberación del oxígeno cuando la superficie del agua está en contacto con una atmósfera con baja presión parcial de oxígeno. En contacto con el aire normal, la agitación suele producir el efecto contrario: favorece la reoxigenación.
El movimiento del agua, como las olas, las corrientes y las turbulencias, puede aumentar los niveles de oxígeno al promover la aireación. Cuando el agua se agita, el aire puede mezclarse con ella de manera más eficaz, lo que permite que el oxígeno se disuelva.
Por tanto, la agitación solo debe emplearse para desgasificar si el agua está bajo vacío, en una atmósfera inerte o en un sistema que impida el contacto con aire fresco.
Reducción de la presión
A medida que disminuye la presión atmosférica, también disminuye la presión parcial de oxígeno. Por lo tanto, a mayores altitudes, se disuelve menos oxígeno en el líquido ya que la presión no lo retiene allí.
El oxígeno se difunde fuera del líquido a medida que subimos. Cuando vamos a altitudes más bajas, la concentración de OD aumenta a medida que aumenta la presión atmosférica.
En el laboratorio, una reducción de presión puede favorecer la salida del oxígeno disuelto, pero debe aplicarse gradualmente para evitar una ebullición súbita, salpicaduras o pérdidas de muestra.
Combinación de calentamiento, vacío y gas inerte
Para obtener una desgasificación más intensa, pueden combinarse tres acciones: calentar el agua, reducir la presión y mantener una atmósfera de gas inerte sobre la superficie. Cada acción disminuye la tendencia del oxígeno a permanecer en el líquido.
El agua debe enfriarse después en el mismo sistema cerrado, porque si se expone nuevamente al aire, el oxígeno volverá a disolverse hasta aproximarse al equilibrio correspondiente a la temperatura y la presión existentes.
Relación entre temperatura y oxígeno disuelto
La solubilidad del oxígeno en el agua está influenciada por varios factores, entre ellos la temperatura, la salinidad y la presión atmosférica. El agua fría contiene más oxígeno disuelto que el agua caliente.
En condiciones naturales, el contenido de oxígeno en el aire apenas varía, por lo que la temperatura del agua es el factor principal. Cuanto más baja es la temperatura del agua, mayor es el contenido de oxígeno disuelto en ella.
| Temperatura (°C) | Oxígeno disuelto (mg/L) | Temperatura (°C) | Oxígeno disuelto (mg/L) |
|---|---|---|---|
| 0 | 14.62 | 16 | 9.95 |
| 5 | 12.80 | 20 | 9.17 |
| 10 | 11.33 | 25 | 8.38 |
| 15 | 10.15 | 30 | 7.63 |
Según las estadísticas pertinentes, a una presión atmosférica, la temperatura del agua aumenta de 10 °C a 35 °C, y la solubilidad del oxígeno en el agua pura disminuye de 11,27 mg/l a 6,93 mg/l.
La tabla muestra por qué el agua calentada pierde oxígeno y por qué el enfriamiento posterior debe realizarse en un recipiente cerrado. El agua fría puede contener más oxígeno, pero solo lo absorberá si existe una fuente disponible, como el aire situado sobre su superficie.
Influencia de la presión y la ley de Henry
El oxígeno se disuelve en el agua superficial según su presión parcial, de acuerdo con la ley de Henry. La solubilidad varía en función de la temperatura y de la presión parcial de oxígeno en la atmósfera, de acuerdo con la ley de Henry, de la siguiente manera:
[O₂] = Kh × PO₂
En la fórmula, [O₂] es la concentración de oxígeno en la solución acuosa, PO₂ es la presión parcial de oxígeno y Kh es la constante de Henry, que varía con la temperatura.
Cuando la temperatura es alta, el valor de Kh es bajo, y cuando la temperatura es baja, el valor de Kh es alto. Por lo tanto, cuando la temperatura es alta en verano, el nivel de oxígeno disuelto en el agua es bajo, y cuando la temperatura es baja en invierno, el nivel de oxígeno disuelto en el agua es alto.
En aire a presión atmosférica estándar, el contenido de oxígeno es del 21,1 %; se toma p(O₂) = 21 270 Pa, y la fórmula anterior corresponde a los datos experimentales obtenidos mediante ajuste termodinámico.
A la presión barométrica estándar (760 mmHg), la presión o “tensión” del oxígeno en el aire es de 159 mmHG (760 × 0,2095).
Agua destilada desoxigenada y agua saturada
El oxígeno disuelto saturado se refiere a la cantidad de oxígeno presente en el agua cuando el intercambio de oxígeno entre el agua y la atmósfera se encuentra en equilibrio.
El estado de saturación se refiere a la solubilidad máxima del oxígeno en el aire. En condiciones normales, en la naturaleza, el nivel de saturación del 100% es el máximo.
Los generadores de burbujas ultrafinas en este sitio web presurizan gases y líquidos y, por eso, son capaces de sobresaturar el agua. En condiciones normales, en la naturaleza, el nivel de saturación del 100% es el máximo.
Después de hervir y cerrar el agua, su concentración de oxígeno será inferior a la que tendría si se enfriara en contacto con aire. Si el recipiente se abre y el agua se agita, la concentración se aproximará de nuevo al equilibrio con la atmósfera.
Cómo comprobar que el oxígeno se ha liberado
La medición del oxígeno disuelto es fundamental para controlar la calidad del agua. Se utilizan varios métodos para medir los niveles de oxígeno disuelto.
Medición con sensor
Los sensores electroquímicos se utilizan habitualmente para realizar mediciones de oxígeno disuelto en tiempo real. Estos sensores suelen constar de un sistema de electrodos que mide la corriente generada por la reducción del oxígeno en un cátodo.
La corriente es proporcional a la concentración de oxígeno y se muestra como una lectura digital. El procedimiento descrito en este documento cubre el uso de un Sensor de Oxígeno Disuelto para medir la concentración de DO en mg/L.
Los sensores ópticos de oxígeno disuelto se basan en la tecnología de fluorescencia. Estos sensores miden la atenuación dependiente del oxígeno de la fluorescencia emitida por una sustancia en presencia de oxígeno disuelto.
Este método ofrece alta sensibilidad, precisión e interferencias mínimas, lo que lo hace adecuado para el monitoreo continuo en condiciones adversas.
Método de titulación de Winkler
El método de titulación de Winkler es un método químico clásico que se utiliza para medir el oxígeno disuelto. En este método, las muestras de agua se fijan con reactivos que reaccionan con el oxígeno y la reacción química resultante se titula con una concentración conocida de un agente reductor.
La cantidad de agente reductor utilizado se correlaciona con la concentración de oxígeno disuelto en la muestra.
Unidades de medida
La concentración de oxígeno disuelto en el agua se mide en miligramos por litro (mg/L) o en porcentaje de saturación. La unidad mg/L es numéricamente igual a la denominada partes por millón o ppm.
El porcentaje de saturación es la lectura de oxígeno disuelto en mg/L dividido por el 100% del valor de oxígeno disuelto para el agua, a la misma temperatura y presión del aire.
| Nivel de DO | Porcentaje de saturación de DO |
|---|---|
| Supersaturación | ≥ 101% |
| Excelente | 90-100% |
| Adecuado | 80-89% |
| Aceptable | 60-79% |
| Pobre | < 60% |
En algunos casos, el agua puede exceder el 100% de saturación y deviene supersaturada por cortos periodos de tiempo. La supersaturación puede ser dañina para los organismos acuáticos.
Precisión de la medición después de la desgasificación
El oxígeno disuelto se puede medir directamente en el sitio o en muestras de agua transportadas desde el sitio. Las mediciones se pueden realizar en el sitio, ya sea colocando el Sensor de Oxígeno Disuelto directamente en la corriente lejos de la orilla o recolectando una muestra de agua con un contenedor o frasco para luego hacer las mediciones con el Sensor de Oxígeno Disuelto de regreso en la orilla.
El transporte de muestras no se recomienda, debido a que se reduce la exactitud de los resultados del ensayo. Las muestras de agua recolectadas en el sitio y transportadas de regreso al laboratorio en botellas cerradas se deben almacenar en recipientes con hielo o en un refrigerador hasta el momento en que se tomen las mediciones.
Como las fluctuaciones diarias son posibles, los ensayos de DO deben realizarse a la misma hora cada día. Para comprobar un agua destilada desoxigenada, la medición debe hacerse en un recipiente cerrado y a una temperatura conocida.
La concentración de oxígeno disuelto puede variar desde 0 hasta 15 mg/L. Las corrientes frías de montaña tendrán probablemente concentraciones de DO desde 7 hasta 15 mg/L, dependiendo de la temperatura del agua y de la presión del aire.
Compensación de temperatura
El Sensor de Oxígeno Disuelto de Vernier tiene compensación automática de temperatura porque usa un termistor incluido en el cuerpo del sensor. La salida de temperatura de este sensor se usa para compensar automáticamente los cambios que se producen en la permeabilidad de la membrana debido a cambios en la temperatura.
Si el sensor no tuviera compensación por temperatura, usted notaría un cambio en la lectura del oxígeno disuelto a medida que cambia la temperatura, aún cuando la concentración real del oxígeno disuelto en la solución no cambiara.
Si usted calibra el Sensor de Oxígeno Disuelto en el laboratorio a 25° C y 760 mm Hg de presión barométrica, el valor que debe introducir para el punto de calibración de oxígeno saturado debe ser 8.36 mg/L.
Si fuera a tomar una lectura en agua destilada que está saturada de oxígeno mediante una agitación revolviendo con rapidez y energía, obtendría una lectura de 8.36 mg/L.
Si la muestra de agua se enfría después hasta 10° C sin agitación adicional, el agua no seguiría saturada. Por tanto, la lectura del Sensor de Oxígeno Disuelto con compensación de temperatura debería ser 8.36 mg/L.
Si la solución se enfría, sin embargo, hasta 10° C y se agita constantemente de modo que permanezca saturada por la disolución de oxígeno adicional, la compensación de temperatura del sensor debería producir una lectura de 11.35 mg/L.
La compensación de temperatura no significa que la lectura de una solución saturada será la misma a dos temperaturas diferentes, ya que las dos soluciones tiene diferentes concentraciones de oxígeno disuelto y las lecturas del sensor deben reflejar esta diferencia.
Influencia de la salinidad
La salinidad también influye en la cantidad de oxígeno disuelto disponible en un líquido. En el agua salada, la concentración de oxígeno disuelto es menor que en el agua dulce.
Cuanto mayor sea el contenido de salinidad, más iones están presentes. Esta mayor densidad de partículas obliga al oxígeno a abandonar la solución ya que su interacción con el agua no es tan fuerte.
Para agua destilada, la salinidad se considera prácticamente nula, por lo que normalmente no es necesario aplicar una corrección de salinidad. La corrección puede ser relevante si el agua deja de ser realmente destilada o si se añaden sales.
Qué no debe hacerse
No enfríe el agua destapada si desea conservar una concentración baja de oxígeno.
No agite el agua en contacto con aire normal después de desgasificarla.
No deje un gran espacio de aire sobre el agua si necesita mantenerla desoxigenada durante mucho tiempo.
No interprete una lectura de oxígeno sin tener en cuenta la temperatura, la presión atmosférica y, cuando corresponda, la salinidad.
No confunda las burbujas ultrafinas con oxígeno disuelto; una burbuja ultrafina, o burbuja nano, no es OD, sino una cavidad de gas en el agua o en otro líquido.
Seguridad y control del proceso
El calentamiento debe realizarse con material resistente al calor y evitando cerrar herméticamente un recipiente durante la ebullición. Un recipiente cerrado mientras el agua hierve puede acumular presión y resultar peligroso.
La reducción de presión también debe hacerse gradualmente. El agua puede hervir a temperaturas inferiores cuando la presión disminuye, y la formación repentina de vapor puede provocar salpicaduras.
Si se utiliza un gas inerte, el procedimiento debe realizarse con ventilación adecuada y evitando desplazar el oxígeno del ambiente de trabajo.
El objetivo de liberar oxígeno disuelto no es el mismo que el de producir agua estéril o químicamente pura. El calentamiento puede modificar la temperatura y eliminar parte de los gases, pero no sustituye los procedimientos específicos de esterilización o control de contaminantes.
Curva de Calentamiento del Agua |Termodinámica| Cambios de Fase - Salvador FI
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