Reporte Alcalinidad y Dureza

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN.

TRATAMIENTO DE AGUAS REPORTE 2

Dureza y Alcalinidad. Equipo 5 Alumnos: Liévano Flores Mauricio Gonzales Moreno Francisco Rodríguez Chong Alejandra

.

Profesores: Pérez Garrido Claudia. Delgadillo García Graciela Ruth

Fecha de entrega. 2 de marzo del 2010

Objetivos: • •

Aplicación de equilibrio acido-base para conocer la concentración de CO32- y HCO32- (alcalinidad) en aguas potables y residuales. Introducir el concepto de formación y estabilidad de complejos e ilustrar la aplicación analítica de este concepto en la determinación de concentraciones de calcio y magnesio (dureza del agua).

Introducción: Dureza de agua En química, se denomina dureza del agua a la concentración de compuestos minerales que hay en una determinada cantidad de agua, en particular sales de magnesio y calcio. Son éstas las causantes de la dureza del agua, y el grado de dureza es directamente proporcional a la concentración de sales metálicas. Tipos de dureza Dureza temporal La dureza temporal se produce por carbonatos y puede ser eliminada al hervir el agua o por la adición de Ca(OH)2 (hidróxido de calcio).

El carbonato de calcio es menos soluble en agua caliente que en agua fría, así que hervir (que contribuye a la formación de carbonato) se precipitará el bicarbonato de calcio fuera de la solución, dejando el agua menos dura. Los carbonatos pueden precipitar cuando la concentración de ácido carbónico disminuye, con lo que la dureza temporal disminuye, y si el ácido carbónico aumenta puede aumentar la solubilidad de fuentes de carbonatos, como piedras calizas, con lo que la dureza temporal aumenta. Todo esto está en relación con el pH de equilibrio de la calcita y con la alcalinidad de los carbonatos. Este proceso de disolución y precipitación es el que provoca las formaciones de estalagmitas y estalactitas. Dureza permanente Esta dureza no puede ser eliminada al hervir el agua, es usualmente causada por la presencia del sulfato de calcio y magnesio y/o cloruros en el agua, que son más solubles mientras sube la temperatura. Puede ser eliminada utilizando el método SODA (Sulfato de Sodio). También es llamada "dureza de no carbonato"

Alcalinidad.

La basicidad o alcalinidad es la capacidad acidoneutralizante de una sustancia química en solución acuosa. Esta alcalinidad de una sustancia se expresa en equivalentes de base por litro o en su equivalente de carbonato cálcico. Debido a que la alcalinidad de la mayoría de las aguas naturales está compuesta casi íntegramente de iones de bicarbonato y de carbonato, las determinaciones de alcalinidad pueden dar estimaciones exactas de las concentraciones de estos iones. La alcalinidad es la medida de la capacidad tampón de una disolución acuosa, o lo que es lo mismo, la capacidad de ésta para mantener su pH estable frente a la adición de un ácido o una base.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL. DETERMINACION DE ALCALINIDAD

Muestra de agua residual

Agregar

Agua destilada

Mezclar

Anaranjado de metilo

R1

Adicionar fenolftaleína

Color rosa Tomar0.025N volumen del primer vire Titular Si con acido sulfúrico Indicador

Titular con acido sulfúrico 0.0

No Anaranjado de metilo

Indicador

Titular con acido sulfúrico 0.025N Vire a naranja

Si VIRE A NARANJA

Tomar volumen del segundo

Tomar volumen de vire R2

R1=R2: soluciones resultantes de la titulación acido-base determinar le pH al punto de equivalencia y neutralizar si es necesario. NOTA: en el caso de nuestra experimentación utilizamos solo tomamos en cuenta el vire del indicador anaranjado de metilo ya que la fenolftaleína no presento coloración alguna.

DUREZA TOTAL. Muestra de agua residual

R1

Agua destilada

Agregar

Mezclar

Solución amortiguadora NH4Cl/NH4OH pH=10 Agregar

Negro de eriocromo T

Indicador

Titular con EDTA

Vire azul

No

Tomar volumen de vire

R1

DUREZA DE CALCIO

Muestra de agua residual

Agua destilada

Agregar

Mezclar

No

Solución NaOH 0.1N

Murexida

Agregar

Indicador

Titular con EDTA

Vire violeta

Tomar volumen de vire

R1

ANALISIS Y RESULTADOS. En las tablas que se muestran a continuación se presentan los volúmenes obtenidos en los puntos de equivalencia en cada una de las titulaciones

realizadas en la determinación de la alcalinidad y la dureza total y de calcio en el agua potable y residual. También se muestra el análisis estadístico realizado de los valores obtenidos. TABLA DE TITULACIÓN ACIDO-BASE PARA LA DETERMINACIÓN DE ALCALINIDAD EN EL AGUA UTILIZANDO H2SO4 0.025N COMO TITULANTE. Agua potable Volumen H2SO4 0.025N (ml)

Agua residual 5.5

4.9 MEDIA

5.3 5.1 5.3

DESVIACION ESTANDAR COEFICIENTE DE VARIACIÓN

0

0.1

0

0.019

TABLA DE TITULACION COMPLEJOMETRICA PARA LA DETERMINACIÓN DE LA DUREZA TOTAL UTILIZANDO EDTA 0.01M COMO TITULANTE. Agua potable Volumen EDTA 0.01M (ml)

Agua residual 12.5

11.9

12.3 12

MEDIA

11.9

12.26

DESVIACION ESTANDAR

0

0.2516

COEFICIENTE DE VARIACION

0

0.0205

TABLA DE TITULACION COMPLEJOMETRICA PARA LA DETERMINACIÓN DE LA DUREZA DE CALCIO UTILIZANDO EDTA 0.01M COMO TITULANTE.

Volumen EDTA 0.01M

Agua potable

Agua residual

4.1

6.4

(ml)

6 6.2 4.1

6.2

DESVIACION ESTANDAR

0

0.2

COEFICIENTE DE VARIACIÓN

0

0.038

Observando los coeficientes de variación y desviación estándar se puede observar que no se tuvo un error significativo en los valores de los volúmenes al punto de equivalencia en cada una de las determinaciones. Es importante señalar que en los casos en los que se hiso el experimento en una ocasión no tiene significado estadístico ya que no hay más datos para seguir el análisis. DETERMINACION DE LA ALCALINIDAD DEL AGUA RESIDUAL AGUA POTABLE POR MEDIO DE UNA VALORACION ACIDO-BASE.

Y DEL

Para la determinación de la alcalinidad del agua residual y la potable al adicionarle el indicador fenolftaleína no se observo la coloración rojiza que nosotros esperabamos de este indicador lo podemos adjudicar al rango de vire de cómo se muestra a continuación: Indicador

Intervalo

Color acido

Color básico

Fenolftaleína

8.3-10.3

incoloro

rojo

Si en el sistema se encontraban presentes iones CO3-2 ya que en sistema para que haya presencia de este ion se tiene que tener pH básicos lo anterior se puede corroborar mediante el diagrama de distribución de especies para las especies de carbonato en función del pH, como se muestra a continuación:

Se puede observar mediante el diagrama que la especie CO 32- empieza a predominar a pH > 8 y también el indicador fenolftaleína presenta una coloración aH2pH del pH de la CO3 > 8.3, lo anterior por medio de la medición CO32solución de agua residual y del agua potable fue de 7 y 7.88 respectivamente por lo tanto se corrobora que no se observa una coloración por fenolftaleína y también a este pH la especie HCO3- predomina casi al 100% según el diagrama de distribución de especies.

Por lo tanto para la determinación del punto de equivalencia se hiso mediante el indicador anaranjado de metilo que presenta un vire de coloración amarilla a anaranjada. Por lo anterior la alcalinidad del por medio de las siguiente formula. CaCO3ppm=(vH2SO4)NH2SO450(1000)vmuestra

Sustituyendo en la formula con los obtenidos en la valoración del agua residual. CaCO3ppm=(5.3ml)0.025N50(1000)25ml CaCO3ppm=265 Sustituyendo en la formula con los obtenidos en la valoración del agua potable. CaCO3ppm=(4.9ml)0.025N50(1000)25ml CaCO3ppm=245

DETERMINACION DE LA DUREZA TOTAL POR MEDIO DE LA TITULACION COMPLEJOMETRICA UTILIZANDO COMO TITULANTE EDTA 0.01M Para la determinación de la dureza total se hace mediante el registro de los volúmenes del punto de equivalencia en el cambio de coloración del indicador negro de eriocromo T de rojo azul y utilizando la siguiente formula. CaCO3ppm=(vETDA)MEDTA50(1000)vmuestra

Sustituyendo con el promedio obtenido de los valores en la titulación de agua residual.

CaCO3ppm=12.26ml0.01M50(1000)25ml

CaCO3ppm=245.2

Sustituyendo con el promedio obtenido de los valores en la titulación de agua potable. CaCO3ppm=11.5ml0.01M50(1000)25ml

CaCO3ppm=230

Determinación de la dureza de calcio utilizando como titilante EDTA 0.01M Para la determinación de la dureza de calcio se hace de la misma manera que la dureza total, pero esta vez el volumen del punto de equivalencia solo se refiere a la formación de complejo Ca-EDTA ya que a Ph 12 y 13 la murexida forma un complejo menos estable con el EDTA, por lo que al adicionar EDTA esta se acompleja con el calcio y al dejar libre ala murexida se observa el vire de coloración de rosado a morado. Por lo tanto para calcular la concentración solo de calcio en el agua potable y en la residual se hace mediante la siguiente formula. Cappm=(vETDA)MEDTA50(1000)vmuestra Sustituyendo con los valores de obtenidos en la titulación de agua residual. Cappm=(6.2ml)0.01M50(1000)25ml Cappm=124 Sustituyendo con los valores de obtenidos en la titulación de agua potable. Cappm=(5.2ml)0.01M50(1000)25ml

Cappm=104

Determinación de la dureza de magnesio. Para la determinación de la dureza de magnesio se hace mediante la siguiente ecuación.

Dureza total=Dureza de calcio+Dureza de magnesio. Por medio de los valores obtenidos en las diferentes titulaciones y sustituyendo mediante lo valores obtenidos en la formula, se obtiene lo siguiente.

Dureza de magnesio=Dureza total-Dureza de calcio Dureza de magnesio=Dureza total-Dureza de calcio Determinación de la dureza de magnesio para el agua residual. Dureza de magnesio=245.2ppm-124ppm Dureza de magnesio=121.5 ppm Determinación de la dureza de magnesio para el agua potable. Dureza de magnesio=230ppm-104ppm Dureza de magnesio=126ppm

Tabla de valores alcalinidad del agua, dureza total, dureza de calcio y dureza de magnesio experimental. En la siguiente tabla se presentan los valores experimentales obtenidos en las titulaciones complejometricas como en las acido-base. Agua residual

Agua potable

Alcalinid ad del agua

Dureza total

Dureza de calcio

Dureza de magnesi o

Alcalinid ad del agua

Dureza total

Dureza de calcio

Dureza de magnesi o

265

245.2

124

121.5

245

230

104

126

*unidades en ppm

Tabla de valores alcalinidad del agua, dureza total, dureza de calcio y dureza de magnesio teórica. Agua Alcalinida d

Agua blanda

Dureza modera da

Agua dura

Agua muy dura

265

0-75

75-150

150-300

>300

*unidades en ppm Comparando los valores teóricos y experimentales de dureza podemos observa que el agua residual y el agua potable presentan una alto grado de dureza ya que tienen una dureza mayor a 180ppm ya que los valores de dureza en el agua residual fueron de 245.5ppm y 230ppm en el agua potable por lo tanto los dos valores dicen que el agua esta en lo que se clasifica como agua dura consultando en la bibliografía en rango permisible para el agua potable debe de ser menor a 300ppm por lo tanto el agua residual como la potable están aceptables con respecto al rango permisible para la ingesta humana. Es importante señalar que para la determinación de la dureza es necesario hacer en el ensayo por lo menos 5 veces para obtener resultados más fiables y además de diferentes muestras con el mismo propósito. En el caso de la alcalinidad de nuestra agua no se observo la presencia de la especie CO32- ni en el agua potable como en el agua residual debido al pH que tiene estas ya no permiten el predominio de la especie anterior. Esto solo lo pudimos corroborar por medio de la ausencia del color rojizo que el indicador fenolftaleína presento en el medio utilizado en la experimentación. Por lo tanto solo habían presentes especies HCO3- lo que genero la presencia de solo un punto de equivalencia.

REACCIONES OCURRIDAS EN LA EXPERIMENTACION En las diferentes titulaciones complejo métricas y acido base se llevaron a cabo estas reacciones. Reacción de la titulación acido base. Como se menciona en la parte superior del reporte la especie que se titulo en la reacción acido base fue el HCO3- debido al pH y por qué no presento

coloración el indicado fenolftaleína y por lo tanto se realizo la valoración con anaranjado de metilo ya que con este si se observo coloración y el vire característico, a continuación se presenta la reacción de titulación acido-base.

HCO3-

+

H2CO3

H2SO4

+

-

HSO4

Reacciones de titulación complejo métricas. Las reacciones que se llevaron a cabo en la titulación complejo métricas fueron las siguientes: En el caso de la dureza total se llevaron a cabo 2 reacción de titulación ya que se formaron complejos tanto para el magnesio como para el calcio con el EDTA y cuando se formaron lo complejos de cada uno por complejo se observo el cabio de coloración de indicador metal crómico negro de ericromo T.

2+

Ca

+

ETDA

Ca-EDTA

Mg2+

+

ETDA

Mg-EDTA

Despues del formacion de los dos complejos con edta se observo el vire del indicador negro de eriocromo T

AZUL

ROJIZO

Para la determinación de la dureza de calcio solo se lleva acabo la primera reacción debido al complejo que se forma entra la murexida y el calcio que es dezplasado por la formación del complejo Ca-EDTA ya que presenta mayor estabilidad.

Ca -murexida +

ETDA

Rosa

Ca-EDTA violeta

Despues del formacion del complejo con edta se observo el vire

Formas de alcalinidad en las aguas. La alcalinidad de una muestra de agua es su capacidad de reaccionar o neutralizar iones hidronio (H+) hasta un valor de pH igual a 4.5. La alcalinidad es cuasada principalmente por los bicarbonatos, carbonatos e hidróxidos presentes en solución y, en menor grado, por los boratos fosfatos y silicatos, que puedan estar presentes en la muestra. En un sentido estricto las principales especies causantes de alcalinidad y asociación con una posible fuente de aguas es la siguiente: Hidroxidos OH-

Aguas naturales, industriales

residuales

e

Bicarbonatos HCO3-

Aguas naturales y residuales

Carbonatos CO32-

Aguas naturales y residuales

Dioxido de carbono CO2

Aguas subterráneas, profundas

Silicatos SiO32-

Aguas subterráneas

Bi-silicatos HSiO3-

Aguas subterráneas

boratos BO33-

Aguas subterráneas agricolas

y

residuales

Monoboratos HBO32-

Aguas subterráneas agricolas

y

residuales

biboratos H2BO3-

Aguas subterráneas agricolas

y

residuales

Fosfatos PO4

Agricolas e industriales

Monofosfatos HPO4

Agricolas e industriales

Bifosfatos H2 PO4

Agricolas e industriales

residuales

y

Pese a lo anterior en la mayoría de los cuerpos de aguas naturales, la alcalinidad se halla asociada al sistema carbonato. Causas de la dureza en el agua. Por lo general la dureza del agua es causada por la presencia de iones calcio (Ca2+) y iones magnesio (Mg2+) disueltos en el agua. Otros cationes como el aluminio (Al3+) y el hierro (Fe3+) pueden contribuir a la dureza, sin embargo su presencia es menos crítica. La forma de dureza más común y problemática es la causada por la presencia de bicarbonato de sodio (Ca(HCO3)2). El agua la adquiere cuando la lluvia pasa por piedra caliza (CaCO3). Cuando el agua de lluvia cae disuelve dióxido de carbono (CO2) del aire y forma ácido carbónico (H2CO3), por lo que se acidifica ligeramente: CO2 (g) + H2O (l) = H2CO3 (aq) En la ecuación anterior g= gas, l= líquido y aq= aquouso (i.e. disuelto en agua). En la siguiente ecuación s= sólido. El carbonato de sodio (CaCO3 ) no es muy soluble en agua, sin embargo, cuando el ácido diluido pasa por la piedra caliza reacciona formando bicarbonato de sodio (Ca(HCO3)2) que sí es soluble en agua: CaCO3 (s) + H2CO3 (aq) = Ca2+ (aq) + 2HCO3- (aq) Por lo tanto, el agua de lluvia toma iones calcio Ca2+ y iones bicarbonato HCO3

- y se vuelve dura. Cuando el agua dura se calienta las dos reacciones anteriores se revierten y se forma carbonato de calcio, agua y dióxido de carbono: Ca2+ (aq) + 2HCO3- (aq) = CaCO3 (s) + H2O (l) + CO2 (g) El carbonato de calcio (CaCO3) es mucho menos soluble en agua que el bicarbonato de calcio (Ca(HCO3)2 ) por lo que se precipita formando un sólido conocido como sarro,incrustaciones o incrustaciones de calcio. Como este tipo de dureza es fácil de remover se le conoce como dureza temporal. El sarro aparece por lo general alrededor de sistemas de agua caliente y elemento de calentamiento. Sin embrago, si el agua es extremadamente durase puede formar sarro en tuberías de agua fría. Otros tipos de dureza temporal son causados por la presencia de iones magnesio Mg2+ y la precipitación de hidróxido de magnesio (Mg(OH)2) puede contribuir a los problemas de incrustaciones. La combinación de iones de calcio Ca2+ y magnesio Mg2+ con iones cloruro (Cl-), sulfato(SO42-) y nitrato (NO3 -) se conoce como dureza permanente. Por ejemplo en algunas áreasel sulfato de calcio CaSO4 puede causar una durezaconsiderable. La dureza permanente no puede ser removida hirviendo el agua. El término dureza total es usado para describir la combinación de dureza de magnesio y calcio. Sin embargo, los valores de dureza se reportan por lo general en términos de carbonato de calcio (CaCO3) porque es la causa principal de las incrustaciones. Métodos para la determinación de la dureza y alcalinidad. • • • •

Intercambio ionico Métodos de espectrofotométricos uv/vis Espectroscopia de absorción atómica. Espectroscopia de emisión atomica

Calculo de la dureza de una solución de concentración 2.8x10-4M en Ca2+.

CaCO3 ppm= *

0.00028mol de Ca2+ 1L

1mol de CaCO3 *

1 mol de Ca

2+

100 g 1mol de CaCO3

*

1000mg 1g

= 28

Por lo tanto el agua se considera como blanda. Interferencias en la determinación. El color y la turbiedad de la muestra, así como gases disueltos que beneficien su alcalinidad o acidez. • El EDTA forma complejos con hierro, manganeso, cobre, zinc, plomo, Cobalto, níquel, bario, estroncio y algunos otros metales. • En la titulación de calcio y magnesio, los estados altos de oxidación del Manganeso reaccionan rápidamente con el indicador para formar productos de oxidación incoloros

• • •

Los iones ortofosfato y sulfato interfieren en concentraciones que excedan de 500 mg/L y 10 000 mg/L respectivamente. En presencia de aluminio en concentraciones mayores de 10 mg/L, el color azul que indica el punto final de la titulación puede aparecer y en poco tiempo puede regresar a rojizo. La materia orgánica coloidal o en suspensión también puede interferir en el punto final.

Importancia de la determinación de la dureza y alcalinidad. La calidad del agua depende dela mayor o menor concentración de esas sustancias extrañas a su composición. El agua es un solvente que puede disolver con facilidad a una gran diversidad de compuestos químicos, la concentración de los contaminantes puede llegar a niveles intolerablespara los requerimientos del agua, de manera que se hace imprescindible aplicar tratamientos correctivos con el objetivo de modificar su carácter químico, sus propiedades tanto físicas como sanitarias para permitir darle un uso apropiado. El agua es una sustancia ampliamente empleada en la industria, desempeñando diversas funciones: producción de energía por vaporización, transferencia de calor, transporte de materias primas, fabricación de productos, lavado, etc. Para cada una de las aplicaciones es necesaria una calidad adecuada del agua en cuanto a la concentración de especies disueltas. Para el consumo, el agua debe ser adecuada para ello se le somete a una serie de procesos que la acondicionen. El agua para consumo deberá ser higiénicamente segura, tener oxígeno disuelto, contener en disolución pequeñas cantidades de algunas sales (no mayor de 0.25 g/l) que son desuma importancia para la salud. Por otra parte las aguas empleadas en calderas deben estarexentas de iones metálicos para impedir la formación de incrustaciones. De ello radica la importancia del análisis de las aguas. Los métodos de análisis de agua pueden clasificarse en específicos y no específicos, en el primero se determina la cantidad de un contaminante específico: plomo, mercurio o fosfato, por ejemplo. Los métodos no específicos tratan de evaluar las propiedades generales de las aguas, como puede ser: color, olor, pH, turbidez, cantidad de sólidos suspendidos, demanda química y bioquímica de oxígeno y la dureza del agua CONCLUSIONES. por medio de la cuantificación de la alcalinidad del agua por medio de la titulación acido-base con acido sulfúrico pudimos corroborar que tanto el agua potable como la residual se encuentran dentro de la clasificación de duras según la clasificación descrita en la NMX-AA-072-SCFI-2001, lo anterior también lo pudimos corroborar mediante la dureza total determinada por el método complejometrico.

Es importante señalar quela dureza del agua tanto residual como potable se encuentra entre la concentración permisible para la ingesta humana ([CaCO3]