La eliminación de los carbonatos de calcio y de los iones asociados a la dureza es una etapa esencial cuando el agua residual debe transformarse en agua de alta pureza o agua ultrapura. El calcio y el magnesio pueden formar incrustaciones en tuberías, turbinas, calderas, intercambiadores de calor y membranas, además de interferir con las etapas posteriores de desionización, ósmosis inversa y filtración.
El agua dura es un término utilizado para describir el agua con un alto contenido de minerales, que suele referirse a cationes multivalentes. El agua dura contiene una cantidad considerable de magnesio y calcio. Aunque no hay pruebas de que la dureza del agua cause efectos adversos para la salud en los seres humanos, puede alterar el sabor del agua y formar residuos de jabón al lavar la ropa, los platos o el cuerpo.
En entornos industriales la dureza puede causar problemas de incrustaciones, generalmente en forma de carbonato de calcio o sulfato de calcio, que pueden destruir tuberías, turbinas, calderas e intercambiadores de calor. Por ello, la elección del proceso debe relacionarse con la calidad del agua de entrada, la concentración de calcio y magnesio, la presencia de sulfatos y materia orgánica, el caudal y la calidad final exigida.
Por qué es necesario eliminar el carbonato de calcio
La precipitación de carbonatos es un proceso químico para eliminar iones disueltos, especialmente metales pesados, calcio y magnesio, del agua y las aguas residuales. Los iones se convierten en compuestos carbonatados poco solubles mediante la adición de iones carbonato (CO₃²-), que precipitan en forma de sólidos y se eliminan por filtración o sedimentación.
En el tratamiento de aguas industriales, la precipitación de carbonatos se utiliza a menudo para ablandar el agua, especialmente para eliminar el calcio y el magnesio, responsables de la dureza del agua. El agua dura puede provocar depósitos en tuberías, intercambiadores de calor y otros componentes, lo que empeora la transferencia de calor y aumenta los costes de funcionamiento.
La formación de incrustaciones también es un problema importante para las membranas. Por esta razón, es común que el intercambio de iones o el suavizado químico tenga lugar antes que los métodos de membrana como la ósmosis inversa (OI). La OI normalmente también utilizará antiincrustantes y normalmente requerirá múltiples pasadas para llevar la dureza al rango deseado.
Fundamento químico de la precipitación de carbonatos
La precipitación de carbonatos se basa en la reacción de los iones metálicos disueltos con los iones carbonato, que suelen introducirse en el agua añadiendo carbonato sódico (Na₂CO₃) o carbonato cálcico (CaCO₃).
Del mismo modo, el magnesio reacciona con los iones carbonato para formar carbonato de magnesio, que también precipita como sólido. Estas reacciones hacen que los iones disueltos se conviertan en una forma insoluble que puede eliminarse del agua en forma de flóculos.
La adición de carbonato sódico da lugar a la formación de carbonato cálcico y carbonato magnésico, que se precipitan y se eliminan del agua. Este proceso se utiliza a menudo en plantas de calderas, circuitos de agua de refrigeración e intercambiadores de calor para evitar la acumulación de incrustaciones y garantizar el buen funcionamiento de los sistemas.
Control del pH
La eficacia de la precipitación de carbonatos depende de varios factores, como el valor del pH, la temperatura, la concentración de los iones y el tipo de carbonato utilizado.
Un pH en torno a 9-10 es óptimo para la mayoría de las precipitaciones de carbonatos, ya que en estas condiciones los iones carbonato están en su forma reactiva y la precipitación es eficaz. Es necesario controlar cuidadosamente el pH para garantizar la precipitación completa de los iones objetivo y evitar la redisolución.
El control del pH debe realizarse tanto durante la dosificación del reactivo como antes de las etapas de filtración, intercambio iónico, ósmosis inversa o desionización. La elección del método depende del nivel de dureza, los requisitos del agua tratada y la disponibilidad de recursos.
Precipitación de carbonatos para el ablandamiento del agua
El ablandamiento con soda cáustica es una variante del ablandamiento con carbonato sódico y cal. Existen diferentes procesos para convertir el agua dura en blanda.
El agua puede ser suavizada a través del intercambio de iones, usando métodos químicos como el suavizado con cal, o usando membranas. El intercambio iónico es una buena solución para el tratamiento de agua para uso industrial. Permite eliminar elementos como sales disueltas, que pueden precipitar y provocar graves daños en equipos.
La tecnología más utilizada para ablandamiento del agua doméstica es el intercambio iónico. Este proceso implica perlas de resina cargadas con iones de sodio o potasio. Cuando el agua dura pasa a través de la resina, los iones de calcio y magnesio se intercambian por sodio o potasio, ablandando efectivamente el agua.
- Los sistemas de intercambio iónico son energéticamente eficientes y se pueden integrar en el hogar.
- Reduce la formación de incrustaciones hasta en un 99%.
- Es adecuado para aplicaciones en toda la casa.
- Requiere regeneración periódica con sal o cloruro de potasio.
La tecnología CIF® (filtración iónica continua) de Clean TeQ Water combina la filtración física con el intercambio de iones en un proceso continuo y concurrente, eliminando la dureza en un solo paso con un bajo costo químico.
Intercambio iónico como pretratamiento
Específicamente, el intercambio iónico es el intercambio de iones entre una sustancia sólida, la resina, y otra acuosa, la cual puede proceder de aguas residuales o potables.
En lo que respecta a la sustancia sólida, cabe destacar que existen dos tipos de resinas en los intercambios iónicos. Por un lado encontramos las resinas de intercambio catiónico, que se encargan de intercambiar iones positivos, como calcio, magnesio y sodio.
El intercambio iónico resulta especialmente útil como pretratamiento de la ósmosis inversa porque disminuye la concentración de calcio y magnesio que puede formar depósitos sobre la membrana. Esta combinación permite proteger la membrana, reducir el consumo de productos químicos y estabilizar la calidad del permeado.
Ósmosis inversa para retirar calcio y magnesio
La ósmosis inversa (OI) es una tecnología basada en membranas que filtra los minerales disueltos, como el calcio y el magnesio. Si bien se utiliza principalmente para la purificación del agua potable, los sistemas de OI también pueden solucionar problemas de agua dura.
Su funcionamiento se basa en forzar el paso del agua a través de una membrana semipermeable, reteniendo así los contaminantes. Al pasar con fuerza a través de la membrana, el agua deja atrás los iones no deseados.
Las membranas poseen poros de tamaño específico que permiten el paso de agua y ciertos iones, pero retienen en la superficie los iones de calcio y magnesio, debido a su tamaño y carga.
- Elimina hasta el 99% de los iones disueltos.
- Produce agua potable con un pH equilibrado.
- Es ideal para zonas con agua extremadamente dura u otros contaminantes.
- Puede combinarse con un ablandador independiente para uso general.
Para obtener agua ultrapura, la ósmosis inversa suele integrarse con filtración, desionización o destilación. La secuencia concreta depende de los contaminantes presentes y de la calidad final requerida.
Etapas posteriores para obtener agua ultrapura
La producción de agua ultrapura puede incluir filtración, desionización, destilación y ósmosis inversa. La destilación consiste básicamente en calentar el agua hasta el punto de ebullición y dejar que el vapor se condense.
La desionización elimina los iones restantes mediante resinas de intercambio iónico. Cuando se requiere una calidad muy elevada, el agua puede alcanzar una resistencia eléctrica de 18,2 MΩ•cm.
La eliminación previa del calcio y del magnesio es fundamental porque estos iones pueden saturar las resinas, aumentar la frecuencia de regeneración, causar incrustaciones y reducir la estabilidad de las membranas.
Aplicaciones del agua de alta pureza
- Industria farmacéutica y biotecnológica.
- Producción de medicamentos, cosméticos, productos de cuidado personal y soluciones estériles.
- Esterilización de equipos médicos.
- Limpieza y esterilización de equipos médicos, dispositivos e instrumentos quirúrgicos.
- Industria de alimentos y bebidas.
- Fabricación de semiconductores y electrónica.
- Limpieza y enjuague de semiconductores y placas de circuitos impresos.
- Industria química.
- Centrales eléctricas.
Precipitación química en aguas residuales
La precipitación de carbonatos también es un método habitual para eliminar metales pesados de las aguas residuales mediante sistemas CP, sobre todo en industrias como la galvanoplastia, el procesamiento de metales y la industria electrónica.
En estas industrias, las aguas residuales suelen contener metales pesados como cobre (Cu²⁺), zinc (Zn²⁺), níquel (Ni²⁺) y plomo (Pb²⁺), que deben eliminarse antes de que las aguas residuales puedan verterse.
Durante la precipitación de carbonatos, los metales pesados se convierten en carbonatos metálicos mediante la adición de carbonato sódico, que pueden eliminarse de las aguas residuales como sólidos de baja solubilidad.
El cobre disuelto reacciona con los iones carbonato para formar carbonato de cobre, que precipita como sólido y puede separarse. Estas precipitaciones desempeñan un papel especialmente importante en la estabilización de la dureza del agua potable o en el tratamiento de las aguas residuales.
Floculación y separación de los sólidos
La floculación se utiliza ampliamente en la purificación de agua, tal como aguas residuales industriales o agua potable. Floculación se refiere a un proceso en el que compuestos disueltos y/o partículas coloidales se eliminan de la solución en forma de flóculos o “copos”.
El término también se utiliza para hacer referencia al proceso mediante el cual se hace que particulados finos se aglomeren en flóculos. A continuación, los flóculos pueden flotar hasta la parte superior del líquido, asentarse en el fondo del líquido, o pueden filtrarse fácilmente con respecto al líquido.
Los floculantes, o agentes de floculación, son productos químicos que se usan para promover la floculación. Los floculantes se usan en procesos de tratamiento del agua para mejorar la sedimentación o filtrabilidad de partículas pequeñas.
Muchos floculantes son cationes multivalentes tales como aluminio, hierro, calcio o magnesio. Estas moléculas cargadas positivamente interaccionan con partículas y moléculas cargadas negativamente para reducir las barreras para la agregación.
Después del proceso de purificación del agua, es necesario que el material floculado sea extraído del agua, por ejemplo, por filtración, y que el mismo sea eliminado. Sin embargo, cuanto más elevado sea el volumen del material precipitado, por ejemplo, en forma de una torta de filtro, más elevados serán los costes de eliminación.
La velocidad de floculación y sedimentación también debe controlarse. Para acelerar el proceso de purificación, es deseable una velocidad elevada de floculación, pero la mejora de la velocidad no debería producirse a expensas de la eficacia de purificación ni aumentar el volumen del material precipitado.
Coagulantes y auxiliares de floculación
Un floculante o coagulante común utilizado es el sulfato de aluminio, el cual reacciona con agua para formar flóculos de hidróxido de aluminio. La coagulación con compuestos de aluminio puede dejar un residuo de aluminio en el agua final. El aluminio puede ser tóxico para los humanos en concentraciones elevadas.
Otro coagulante basado en aluminio es el policloruro de aluminio (PAC). En soluciones de policloruro de aluminio (PAC), los iones de aluminio se han constituido en polímeros que constan de agrupaciones de iones puenteados por átomos de oxígeno.
El PAC se utiliza, por ejemplo, para el tratamiento del agua potable marrón que comprende materiales orgánicos tales como hojas y/o materiales inorgánicos tales como compuestos de hierro y manganeso, los cuales provocan la decoloración marrón. Sin embargo, el PAC generalmente no es suficiente para eliminar de manera eficaz la decoloración marrón del agua.
El cloruro de hierro (III) es otro coagulante común. Los coagulantes de hierro (III) funcionan sobre un intervalo de pH mayor que el sulfato de aluminio, aunque no son eficaces con muchas aguas corrientes.
La coagulación con compuestos de hierro típicamente deja un residuo de hierro en el agua final. Esto puede comunicar un ligero sabor al agua y puede provocar manchas amarronadas en accesorios de porcelana. Además, el cloruro de hierro (III) presenta riesgos de corrosión en el sistema de tratamiento del agua.
Pueden usarse también polímeros como floculantes. A los mismos se les denomina con frecuencia medios auxiliares de coagulación usados conjuntamente con otros coagulantes inorgánicos.
Las cadenas largas de polímeros cargados positivamente pueden ayudar a reforzar el flóculo, haciéndolo más grande, de sedimentación más rápida y más fácil de filtrar. Debido a la restricción a polímeros catiónicos, se reduce la flexibilidad del proceso.
Un floculante polimérico conocido es la poliacrilamida. Mediante el uso de comonómeros específicos, se puede proporcionar poliacrilamida aniónica, así como catiónica. Sin embargo, cuando se usan en combinación con coagulantes inorgánicos, tales como cloruro de hierro (III), solamente es eficaz la poliacrilamida catiónica.
Carbonato de calcio natural con superficie modificada
Existe una amplia variedad de técnicas de purificación de agua que pueden utilizarse para eliminar sólidos finos, microorganismos y materiales inorgánicos y orgánicos disueltos. La elección del método dependerá de la calidad del agua que se está tratando, del coste del proceso de tratamiento y de los patrones de calidad esperados del agua procesada.
Un proceso de purificación de agua utiliza un carbonato de calcio natural cuya superficie se ha sometido a reacción. El carbonato de calcio natural cuya superficie se ha sometido a reacción es el producto de reacción de un carbonato de calcio natural con un ácido y dióxido de carbono, el cual se forma in situ mediante el tratamiento con ácido y/o se suministra externamente.
El carbonato de calcio natural cuya superficie se ha sometido a reacción se prepara en forma de una suspensión acuosa que tiene un pH mayor que 6,0, medido a 20ºC.
El término “purificación” debe interpretarse ampliamente y significa cualquier eliminación de compuestos nocivos y/u otros compuestos no tolerados en el agua. El agua preferentemente tratada mediante este proceso incluye aguas residuales industriales, agua potable, aguas residuales urbanas, aguas residuales de fábricas de cerveza o de otras industrias de bebidas o agua residual en la industria papelera.
El carbonato de calcio natural cuya superficie se ha sometido a reacción adsorbe eficazmente impurezas orgánicas así como inorgánicas en su superficie. Además, la flexibilidad del proceso mejora, debido a que permite el uso de floculantes poliméricos catiónicos así como aniónicos.
El uso del carbonato de calcio natural cuya superficie se ha sometido a reacción da como resultado un material floculado de compacidad mejorada. La reducción del volumen de sólidos puede disminuir los costes asociados con la filtración, el transporte y la eliminación de lodos.
Preparación del material
El carbonato de calcio natural que se va a utilizar se obtiene haciendo reaccionar un carbonato de calcio natural con un ácido y con dióxido de carbono, en donde el dióxido de carbono se forma in situ mediante el tratamiento con ácido y/o se suministra desde una fuente externa.
Preferentemente, el carbonato de calcio natural se selecciona de entre un mármol, una creta, una calcita, una dolomita, una piedra caliza o mezclas de los mismos.
En una realización preferida, el carbonato de calcio natural se tritura con anterioridad al tratamiento con un ácido y dióxido de carbono. La etapa de trituración puede llevarse a cabo con cualquier dispositivo de trituración convencional, tal como un molino de trituración conocido por los expertos.
El carbonato de calcio natural cuya superficie se ha sometido a reacción se prepara como una suspensión acuosa que tiene un pH, medido a 20°C, mayor que 6,0, preferentemente mayor que 6,5, más preferentemente mayor que 7,0, incluso más preferentemente mayor que 7,5.
El carbonato de calcio natural cuya superficie se ha sometido a reacción puede ponerse en contacto con el agua que se va a purificar adicionando dicha suspensión acuosa al agua. También es posible modificar el pH de la suspensión acuosa con anterioridad a su adición al agua que se va a purificar, por ejemplo, mediante dilución con agua adicional.
Eliminación de sulfatos y recuperación de recursos
La remoción de sulfatos en aguas residuales con un mínimo de residuos y la máxima recuperación de recursos valiosos se consigue con las tecnologías Paques.
El sulfato es una de las materias primas más utilizadas en el mundo. Aunque no es muy tóxico, un vertido excesivo de sulfato puede provocar problemas ecológicos.
El agua utilizada en la industria química contiene a menudo materia orgánica además de sulfato. El número de operaciones de biolixiviación para liberar metales de minerales y concentrados está creciendo rápidamente.
Muchas operaciones pirometalúrgicas producen dióxido de azufre gaseoso que se transforma en ácido sulfúrico. La limpieza de gases produce como residuo un ácido débil, que suele estar muy contaminado con diversos metales de valor positivo, como cinc, cadmio y plomo, y negativo, como arsénico.
Durante más de 15 años, SULFATEQ se ha aplicado en instalaciones a escala real. Sus bioprocesos para la remoción de sulfatos en el agua se prefieren a los procesos químicos en la remoción de sulfatos, no sólo porque son más sostenibles, sino también por sus ventajas específicas.
SULFATEQ es un proceso seguro, eficaz y sin olores para la remoción de sulfatos sin cal. Al mismo tiempo, recupera metales valiosos, como cobre, níquel y zinc, y elimina calcio, magnesio, manganeso, selenio, talio, etc.
Trata corrientes ácidas, alcalinas y de pH neutro en condiciones ambientales. El efluente mejora y se reduce.
Alternativas complementarias de tratamiento
Agentes quelantes
Los agentes quelantes como los polifosfatos se añaden al agua para unir los iones de calcio y magnesio, evitando que formen incrustaciones. Este método se utiliza a menudo en sistemas de ablandamiento de agua para fines industriales o comerciales, pero también puede adaptarse para uso residencial.
- Es una alternativa no química al intercambio iónico.
- Es seguro para tuberías y electrodomésticos.
- Requiere un mantenimiento mínimo.
Dispositivos magnéticos
Estos sistemas utilizan campos electromagnéticos para alterar la estructura de los cristales de carbonato de calcio, reduciendo su capacidad de adherencia a las superficies.
Son no invasivos, ecológicos y no requieren productos químicos. Sin embargo, su eficacia varía según la dureza del agua y el diseño del sistema.
Selección del equipo
Seleccionar el óptimo equipo de tratamiento de agua depende de factores como la dureza del agua, el tamaño del hogar y el presupuesto.
- Los sistemas de intercambio iónico son ideales para ablandar el agua en toda la casa, pero requieren recargas regulares de sal.
- Los sistemas de ósmosis inversa son ideales para agua potable y pueden combinarse con un ablandador independiente para uso general.
- Los desincrustadores magnéticos son una opción rentable para problemas menores de incrustaciones.
Fabricantes líderes como Aquasana, Culligan y Agua de Pelícano ofrecen una gama de ablandadores de agua domésticos adaptados a diferentes necesidades. Consultar con un plomero profesional o un especialista en tratamiento de agua puede ayudar a los propietarios a tomar decisiones informadas.
Ventajas y limitaciones del tratamiento de carbonatos
| Aspecto | Descripción |
|---|---|
| Eliminación de dureza | La precipitación de carbonatos es un método eficaz para eliminar el calcio y el magnesio del agua y reducir así su dureza. |
| Reducción de metales pesados | El proceso es especialmente útil en la eliminación de metales pesados de las aguas residuales industriales, lo que contribuye al cumplimiento de la normativa medioambiental. |
| Operación | La adición de carbonato sódico o carbonato cálcico es un proceso comparativamente sencillo y rentable que puede aplicarse fácilmente en muchas aplicaciones industriales. |
| Protección de equipos | Al reducir los depósitos en los sistemas de refrigeración y calderas, la precipitación de carbonatos mejora la eficiencia energética y prolonga la vida útil de los sistemas. |
| Lodos | Los sólidos resultantes de la precipitación deben ser tratados y eliminados como lodos tras la sedimentación o filtración, lo que puede generar costes adicionales. |
| Control del pH | Se requiere un control preciso del valor del pH para garantizar una precipitación completa y evitar la redisolución de las sustancias disueltas. |
La reducción de la acumulación de sarro mejora el rendimiento de los electrodomésticos, lo que permite reducir las facturas de energía hasta en un 20 %. También prolonga la vida útil de calentadores de agua, lavavajillas y tuberías.
El agua más blanda mejora la hidratación de la piel y reduce la acumulación de residuos de jabón, lo que beneficia a las personas con piel sensible. Además, los sistemas modernos priorizan la sostenibilidad, con opciones bajas en sal o sin sal y diseños energéticamente eficientes.
Cómo integrar las etapas para producir agua ultrapura
- Caracterizar el agua de entrada, incluyendo dureza, calcio, magnesio, sulfatos, metales, materia orgánica, sólidos suspendidos y pH.
- Aplicar precipitación de carbonatos cuando sea necesario reducir la dureza o retirar metales pesados.
- Separar los sólidos mediante sedimentación, filtración o floculación.
- Utilizar intercambio iónico como protección adicional frente a las sales disueltas.
- Aplicar ósmosis inversa para reducir los minerales disueltos y otros contaminantes.
- Completar la purificación mediante desionización, destilación o filtración avanzada cuando la aplicación exija agua ultrapura.
- Controlar la resistencia eléctrica y los parámetros de calidad del agua tratada.
A la hora de elegir entre un tipo de tratamiento de agua u otro es primordial tener en cuenta, además de cuál es su fuente de origen, cuáles van a ser las necesidades dentro de la industria que va a cubrir este recurso.
En las aguas superficiales la contaminación por minerales es menos frecuente, pero el nivel de contaminación mediante materia orgánica es mucho mayor. En las aguas subterráneas es frecuente encontrar altos niveles de contaminación orgánica y microbiológica debido a la alta actividad bacteriológica que posee el suelo a través del cual se filtra el agua de terrenos porosos.
La eliminación de los carbonatos de calcio no constituye una única operación aislada, sino una etapa de acondicionamiento que protege los equipos, reduce la formación de incrustaciones y facilita la obtención de agua con una resistencia eléctrica de 18,2 MΩ•cm cuando se combina con filtración, desionización, destilación y ósmosis inversa.
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