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BLOQUE I: INTRODUCCIÓN Tema 1: Introducción a la Química en la Ingeniería Ambiental

Tecnología de Medio Ambiente y Sostenibilidad I Grado en Tecnologías Industriales


ÍNDICE

 Introducción  Propiedades físicas y químicas del agua  Química atmosférica  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía


1. Introducción  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua

 Concentración de soluciones líquidas  masa de soluto/volumen de solución: mg/l  masa de soluto/masa de solución: mg/kg  densidad solución = masa solución/volumen solución

 Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

masa soluto masa solución C A1 · volumensolución masa soluto C A2 si mg l solo cuando

1kg / l ; mg 10 3 g kg 103 g

C A1 C A2 1g 106 g

ppm

1 y no para atmósfera


1. Introducción  Introducción

 Propiedades químicas

 Concentración de soluciones líquidas  Mol: masa de un constituyente igual a su masa molecular y contiene un

y físicas del agua

número de moléculas igual al número de Avogadro.

 Reacciones químicas

 Molaridad: moles de soluto/volumen de disolución

y bioquímicas

 Molalidad: moles de soluto/kg de disolvente

 Balances de materia

 Normalidad: equivalentes gramos de soluto/volumen de disolución

y energía

 Fracción molar(soluto): moles soluto/moles totales disolución

 Peso equivalente: masa molecular/nº protones oxi-red (g/eq-g)  Concentración expresada como mg CaCO3/l:

nº equivalentes soluto 50 mg CaCO3 · l disolución meq CaCO3

mg CaCO3 l disolución


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

Impurezas

 Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas

Origen

Natural

Antropogénico

Debido a

Disolución de minerales de las rocas

Fertilizantes, residuos (agrícolas,  fecales…)

Iones disueltos

Ca2+, Mg2+

NH4+, NO3-, NO2-

y bioquímicas  Balances de materia y energía

 Superficiales: navegación, ocio, riego, agua potable, hábitats peces.  Subterráneas: agua potable, riego.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades físicas del agua: Color  Color: se produce por minerales disueltos, colorantes y ácidos húmicos de plantas.  Color verdadero: causado por las sustancias coloidales o disueltas que permanece

del agua

después de la filtración a través de un filtro de 0.45mm.

 Reacciones químicas

 Color aparente: se aplica a los compuestos coloreados en solución junto con

y bioquímicas

materia coloreada en suspensión.

 Balances de materia

 Medición (mg Pt/l): se establece como límite superior en agua potable en la UE es

y energía

20mg Pt/l. El agua de ríos suele situarse en 5-200mg Pt/l.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades físicas del agua: Turbidez  Turbidez: causada por la presencia de materia en suspensión, que dispersa y absorbe la luz.

del agua

 Profundidad Seechi: es la profundidad a la cual se hace visible una placa blanca y

 Reacciones químicas

negra de 200mm de espesor. Es 0.5m para condiciones eutróficas de verano.

y bioquímicas

 Medida: mediante ensayo por comparación visual con suspensiones estándar de la

 Balances de materia

turbidez en frascos de 1L.

y energía

 Unidades (mg SiO2/L): se establece como límite superior 10mg SiO2/L. En ríos, este valor suele ser de 2-200mg SiO2/L.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades físicas del agua: Olor  Olor: es consecuencia de la presencia de sustancia orgánicas, inorgánicas, algas y otros microorganismos. La presencia de H2S da un olor maloliente. El agua limpia es

del agua

inodora.

 Reacciones químicas

 Umbral del olor: se determina en muestras de agua inodoras hasta que se detecta

y bioquímicas

un olor perceptible. Se expresa como relación de dilución.

 Balances de materia

 El límite superior para el agua potable en la UE es de 2 a 12 (relación de dilución).

y energía

 Propiedades físicas del agua: Sabor  Debido a microorganismos, algas o altas concentraciones de sales (Ca2+, Mg2+, Cl-).  El límite superior para el agua potable en la UE es de 2 a 12 (relación de dilución).


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas

 Propiedades físicas del agua: Temperatura  El agua a profundidades mayores es más pesada, mientras que en la superficie es más ligera. Si existe un T se puede producir una estratificación.

4º C

1000kg / m 3

35º C

994kg / m 3

y bioquímicas

 En plantas de aguas residuales la temperatura es muy importante: si es superior a

 Balances de materia

36 ºC los microorganismos aerobios son menos efectivos.

y energía

 Si la temperatura aumenta, el contenido en oxígeno disuelto disminuye (importante en ríos, mares…).


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades físicas del agua: Sólidos  Interesa el tamaño, la cantidad y el tipo de sólidos presentes. En agua de bebida, el tamaño de partículas puede ser de 10-6 mm, en lagos naturales limpios de 10-3 mm y en aguas residuales de 1 mm.

del agua Sólidos totales ST

 Reacciones químicas y bioquímicas

Sólidos en Suspensión SS

 Balances de materia y energía

Tipos partículas

Sólidos totales Disueltos STD =ST-SS Sólidos totales Volátiles STV

Sólidos volátiles en suspensión SVS


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades

 Propiedades físicas del agua: Sólidos  Los sólidos en el agua residual se clasifican en:

químicas y físicas

Orgánicos, Inorgánicos

del agua  Reacciones químicas

Sedimentables, No sedimentables

y bioquímicas  Balances de materia y energía

Sólidos

Disueltos, SS, Coloidales

Filtrables, No filtrables Volátiles No volátiles


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua

 Propiedades físicas del agua: Sólidos  Tamaño de partícula de los sólidos en el agua y agua residual Microscopio electrónico

Microscopio de Barrido de e- túnel

Microscopio óptico

 Reacciones químicas y bioquímicas

Amino Virus ácidos

Átomos

 Balances de materia

Bacterias

Algas, hongos protozoos

y energía

Mundo molecular

Mundo biológico

10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100

Tamaño partícula (mm) Sólidos disueltos

Sólidos coloidales

No sedimentables

SS o no filtrables Sedimentables


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades físicas del agua: Sólidos  Sólidos totales: es todo el residuo que queda después de la evaporación a 105ºC.  Sólidos sedimentables: resulta de la sedimentación después de 1 hora de verter una

del agua

muestra de agua en un cono Imhoff. El grado de sedimentación se mide en mg/L.

 Reacciones químicas

 Sólidos en suspensión: son aquellos que quedan retenidos en un filtro de membrana

y bioquímicas

o filtro de vidrio Whatman de tamaño de poro

 Balances de materia

 Sólidos filtrables: abarcan los sólidos coloidales y disueltos.

y energía

 Sólidos coloidales: son de origen arcilloso. Permanecen en suspensión dado que su

1,2 µm.

velocidad de sedimentación es inferior a 0.1mm/s. La suspensión coloidal llega a ser inestable y experimenta una sedimentación gravitatoria denominada coagulación.  Sólidos disueltos: se eliminan mediante coagulación química o bien por oxidación

biológica.  Sólidos volátiles: fracción orgánica e inorgánica en los semisólidos de los lodos procedentes del tratamiento del agua residual. La fracción orgánica se gasifica a 650ºC y el resto del residuo es la fracción no volátil o los sólidos en suspensión.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades físicas del agua: Sólidos

ST

 Propiedades químicas y físicas del agua

Sólidos sedimentables

Cono Imhoff evaporación

 Reacciones químicas

muestra

evaporación

filtración

evaporación

y bioquímicas  Balances de materia

Horno

Horno

SS

SF

y energía

SSV

SFV

SSF SVT

SFT ST

SFF


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua  Se clasifican en propiedades inorgánicas y orgánicas. De un agua es necesario conocer sus propiedades y realizar análisis químico, que dependerá del uso final del agua, del origen del mismo y de los antecedentes históricos de la fuente.

del agua  Reacciones químicas y bioquímicas

Ca++ , Mg++ dados como mg/l Aguas subterráneas puras:

Exceso → corrosión en saneamiento

 Balances de materia y energía

Aguas superficiales: contienen contaminantes químicos orgánicos

Escorrentía arena Antropogénica


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas del agua: inorgánicas

 Propiedades químicas y físicas

Uso doméstico o industrial

del agua  Reacciones químicas

Estimación calidad del agua

y bioquímicas  Balances de materia y energía

Específica

Ca++ , Mg++

Metales pesados Pb, Sn, Zn, Cu

General

Alcalinidad Dureza Conductividad pH


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas  En el agua pueden darse los siguientes procesos químicos:

químicas y físicas

Adsorción Desorción

del agua  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia

Reacciones redox

Reacciones Acido-Base

y energía

Procesos químicos Interacción Aguaatmósfera

Reacciones complejas

Precipitación Disoluciones


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas  Para saber si un análisis es correcto es necesario comprobar si se satisface el balance iónico siguiente:

químicas y físicas del agua

aniones- cationes

0.1065 + 0.0155 aniones

 Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

Cationes Al3+ NH4+ As3+ Ba2+ BO43Cu2+ Fe2+, Fe3+ Mn2+

Aniones HSO4HSO3CO32FOHH2PO4-, HPO42-, PO43SO32SO42-


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas  Composiciones típicas de diferentes tipos de agua

químicas y físicas del agua

Concentraciones mg/l Grupo iónico

Ion

Lluvia

 Reacciones químicas

Río promedio mundial

Embalse

Río Niágara

Agua subterr ánea

36 8.1 6.5 1.2 119 22 13 0.1 165 123

92 34 8.2 1.4 339 84 9.6 13 434 369

Agua de mar

y bioquímicas  Balances de materia

Cationes

y energía

Aniones

Características generales

Ca++ Mg++ Na+ K+ HCO3SO2-ClNO3STD Dureza total

0.09 0.27 1.98 0.30 0.12 0.58 3.79 7.13 5.7

1.5 4.1 6.3 2.3 58.4 11.2 7.8 1.0 120 56

4.0 1.1 2.6 0.6 18.3 16 2 0.41 34 14.6

400 1350 10500 380 142 2700 19000 34500


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas (SiO2)  En aguas naturales, en general, < 5 mg/L.  Produce incrustaciones en las calderas.  Se encuentra en la estructura esquelética de plantas acuáticas y animales.

del agua

 En aguas superficiales, se reduce su concentración en verano debido a la demanda

 Reacciones químicas

por los organismos acuáticos de fitoplancton en el agua para su crecimiento

y bioquímicas

acelerado.

 Balances de materia y energía


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas (nitrógeno)  Nutriente importante para el conjunto de las plantas y organismos, pues es un componente básico de las proteínas.  En el agua es usado por los productores primarios en la producción de células.

del agua

 Presenta nueve estados de oxidación química.

 Reacciones químicas

 Se encuentra presente en la atmósfera en un 78% en volumen.

y bioquímicas

 Las aguas fecales e industriales introducen el N2 disuelto en las aguas

 Balances de materia

subterráneas y/o superficiales.

y energía

 En medio acuoso, el nitrógeno disuelto en agua puede fijarse bacterias.

[O2]

Humedad del suelo

Crecimiento bacteriano

a las algas y

Temperatura

Crecimiento de las plantas

Transformaciones del nitrógeno


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas (nitrógeno orgánico)  El nitrógeno orgánico es el que queda en las plantas y en la biomasa microbiana del suelo.  Es el mayor depósito de N en el suelo.

del agua

 Un suelo mineral típico en climas templados tiene

 Reacciones químicas

profundidad de 0.3-0.5 m

y bioquímicas

 El N orgánico de las plantas se mineraliza por medio de las bacterias del suelo a una

 Balances de materia

velocidad

y energía

 La mineralización es un proceso de oxidación y en los suelos bien aireados, el N se

3000-5000kg N/ha a una

2-3% anual.

transforma a NO2-/NO3- mediante los microorganismos del suelo quedando disponible para las plantas.  Si el NO2-/NO3- no es absorbido por las plantas, lixivia y llega a las aguas

subterráneas siendo peligroso cuando es > 50 mg/l.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas (nitrógeno elemental)  Se

encuentra

en

la

atmósfera,

en

forma

estable.

Cualquier

forma

de

nitrógeno tiende hacia N2.  El N elemental se transforma a estados inorgánicas a través de las descargas

del agua

eléctricas.

 Reacciones químicas

 Los animales consumen el N orgánico de las plantas: una parte queda en los huesos

y bioquímicas

y tejidos y el resto pasa a las heces y orina en forma orgánica e inorgánica.

 Balances de materia

 El N de la urea de la orina se convierte e NH4+.

y energía

 La mineralización y la hidrólisis de la urea en la orina transforma el N orgánico de los residuos animales en formas inorgánicas aprovechables por las plantas.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas (nitrógeno inorgánico)  Mediante las bacterias heterótrofas se transforma el N de los nitratos a N2 en suelos con oxígeno limitado (desnitrificación).  El N del NH3 se genera del NH4+ que se añade como fertilizante y escapa a la

del agua

atmósfera por volatilización.

 Reacciones químicas

Límites:

y bioquímicas

1 mg Norg/l: ríos de buena calidad

 Balances de materia y energía

1 mg/l NH3/l: ríos 0.1 mg NO2-/l: agua potable (UE) 0.01 mg NO2-/l: aguas dulces pesquerías

40 mg NO3-/l: agua potable


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas (nitrógeno)

 Introducción

 Ciclo del nitrógeno

 Propiedades químicas y físicas del agua

N2

N2

N2

 Reacciones químicas y bioquímicas

Descarga eléctricas

 Balances de materia y energía

Volatilización NH3

N2 orgánico proteinas animales

Descomposición bacteriana N2 orgánico bacterias

Lluvia Ácida NO3- NH4* nitrificación

N2 orgánico proteinas plantas

Descomposición bacteriana

NH4+

Absorción

NO2-

NO3-


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas (fósforo)  Está en los organismos vivos y es importante para la actividad celular.  Es un nutriente limitante de la eutrofización.  Como fosfato, el 80% se emplea como fertilizante.

 Está presente en la aguas superficiales debido a:

 Reacciones químicas

-Meteorización y lixiviación de rocas.

y bioquímicas

-Erosión del suelo.

 Balances de materia

-Aguas fecales urbanas e industriales: 0.6 kg P/ha y 0.01-1.46 mg P/L.

y energía

-Escorrentía agrícola. -Precipitación atmosférica.  30 kg P/ha aplicados al terreno ocasiona una pérdida entre 0.1-5%, es decir, 0.031.5 kg P/ha.

 En las plantas de aguas residuales, se elimina ~ 75%.

15 mg/l

50 mg/l

ARUrbana 75% P se elimina ARIndustrial (con P)


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua

 Propiedades químicas del agua: sustancias inorgánicas (fósforo)  Si la [P] > 30 µg/L lagos eutróficos.  El límite superior en la UE: 65 µg P/L.  N/P > 14/1 → P nutriente es limitante en rios y lagos de agua dulce.

 Los compuestos de fósforo más comunes en el agua son:

Na3PO4

 Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

Ortofosfatos:

Na2HPO4 NaH2PO4

Na3(PO3)6 Polifosfatos

(NH4)2HPO4

Na3P3O10 Na4P2O7

 En el análisis de PO43-, se determina:

Fosfato total disuelto Fosfato en partículas como sólidos filtrables Fosfato total= solubles + insol.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas del agua: pH Solución HNO3-

 Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas

HNO3 conc.

pH = 0

Contenido gástrico

1

2

Zumo Suelo limón ácido

3

4

5

leche

6

Lluvia 5.6

7

NH3 Doméstico

Agua Agua Suelo dest. mar alcal.

8

9

10 11

12

13 14

y bioquímicas  Balances de materia y energía

[H+]

10-1

10-3

10-5

10-7

Acidez creciente

10-9

10-11

10-13

Alcalinidad creciente

pH neutro


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades

 Propiedades químicas del agua: pH  El pH es un parámetro clave en la ingeniería ambiental, dependiendo de: - tipo de suelo

químicas y físicas

- sistema carbonato: [CO32-], [CO2]

del agua

- exposición a los agentes contaminantes del agua residual y/o atmosférico

 Reacciones químicas

 El pH de la mayoría de las aguas minerales está entre 6 y 9. Si la calidad del agua

y bioquímicas

cambia por razones naturales o antropogénicas aumentará su acidez o basicidad.

 Balances de materia

 En los sistemas biológicos hay que mantener el control del pH. Si está alejado del

y energía

rango 6-8 puede matar a la colonia activa de microbios.  Alcalinidad: capacidad del agua para aceptar [H+]. Es una medida de la capacidad neutralizadora ácida, (capacidad amortiguadora). 

alcalinidad = [OH-] + 2 [CO32-] + [HCO3-] - [H+]

 Acidez: es la medida de la capacidad neutralizadora de una base. Se mide volumétricamente con H2SO4 N/50 y se expresa en mg CaCO3/L.  La alcalinidad total es la cantidad de ácido requerido para reaccionar con CO32-, HCO3-.

OH-,


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

 Propiedades químicas del agua: pH  Ejemplos de alcalinidad de diferentes líquidos: Líquido Cauce superior de un río Lago Agua potable Agua residual urbana Sobrenadante lodo anaerobio Purines de cerdo Corriente ácida Corriente no ácida Agua de suelo ácida

Alcalinidad (mg/l CaCO3) 50-200 10-30 50-200 200-400 2000-8000 15000-20000 10-20 750 10-20


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades

 Propiedades químicas del agua: pH  Especies que influyen en la alcalinidad:

químicas y físicas Sales ácidos débiles

del agua  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

Especies sistema carbonato

Sales ácido acético y propanoico

Alcalinidad Sales fosfatos, silicatos, boratos

Amoniaco

Hidróxidos


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades

 Propiedades químicas del agua: dureza  Es un parámetro del agua potable

Suelo

químicas y físicas del agua  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

Formaciones geológicas

Ca++ Mg++

Dureza

 Especies iónicas responsables de la dureza: Cationes

Aniones

Grado dureza

meq/L

mg/l(CaCO3)

Ca++ Mg++ Si2+ Fe2+ Mn2+

HSO3SO42ClNO3SiO32-

Blanda Dura (moderada) Dura Muy dura

1 1-3 3-6 6

0-75 75-150 150-300 300

 Dureza carbonato o temporal (TH): se elimina después de una ebullición prolongada. dureza carbonato =  Dureza no carbonato: (NCH)

alcalinidad (bicarbonato + carbonato)


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: dureza  Cálculo de la dureza:

dureza(mg CaCO3 / l ) M

(mg / l ) ·

del agua  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

siendo M++, cualquier ión metálico positivo

50 Peq M

M

(meq / l )·50


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: conductividad  Es una medida de la capacidad de una solución acuosa para conducir la corriente eléctrica. Cuantos más iones contenga la solución, mayor es la movilidad iónica y, por tanto, mayor es la conductividad.

del agua

 El agua pura tiene una conductividad muy baja dado que solo contiene iones H+ y

 Reacciones químicas

OH-, siendo de 0.05 µS/cm.

y bioquímicas

 El agua de mar presenta una conductividad de 40000 µS/cm debido al alto

 Balances de materia

contenido en sales.

y energía

 La conductividad específica se define como la correspondiente a 1 cm3 de agua que se desplaza 1 cm a 20ºC.  Una medida positiva de la conductividad indica la concentración de sales inorgánicas disueltas, dado que las sales orgánicas se disuelven poco en la mayor

parte de las aguas.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: conductividad  Cálculo de la conductividad: eC =

Cifi

i = 1…….n

eC = conductividad eléctrica en µS/cm

del agua

Ci = concentración especie iónica “i” en la solución, mg/l o meq/l

 Reacciones químicas

fi = factor de conductividad para la especie iónica

y bioquímicas  Balances de materia y energía

 A través de la conductividad, se determinan otros parámetros tales como:

-Salinidad -Sólidos totales -Sólidos totales disueltos

 La directiva del agua potable en la UE establece un límite superior de 1500 µS/cm.


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas y bioquímicas

 Propiedades químicas del agua: conductividad  Salinidad (mg NaCl/l) = eC

fs

fs = factor de conversión  Sólidos totales (mg ST/l) = eC

fst

0.52-0.55

fst

0.55-0.9

 Sólidos totales disueltos (mg STD/l) = eC

fstd

fstd = 0.55-0.7

 Balances de materia

 Los factores de conversión se determinan experimentalmente mediante una curva

y energía

de calibración para un cada tipo de agua  Conductividad de diferentes tipos de agua: Agua

Conductividad (µS/cm)

Pura Destilada Agua lluvia Agua blanda Agua dura Rios Agua subterránea Agua estuario Agua de mar

0.05 0.1-4 20-100 40-150 200-500 100-1000 200-1500 200-2000 40000


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: conductividad  Factor de conductividad para distintos iones:

Catión

del agua  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia

Factor conductividad meq/l

Ca++ Mg++ K+ Na+

52 46.6 72 48.9

Factor conductividad

Anión

mg/l 2.6 3.82 1.84 2.13

y energía

meq/l HCO3CO3— ClNO3SO42-

43.6 84.6 75.9 71.0 73.9

mg/l 0.72 2.82 2.14 1.15 1.54

 La resistencia iónica es una medida de la intensidad del campo eléctrico: µ = 2.5 10-5

STD = 1.6 10-5

µ = resistencia iónica Zi = carga de la especie i

eC = ½ (CiZi2)

Ec. Snoeyink-Jenkins


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas

 Propiedades

Grupos orgánicos en el agua

químicas y físicas del agua  Reacciones químicas y bioquímicas

HC

Compuestos halogenados

Ácidos carboxílicos Ésteres

Otros

 Balances de materia y energía

Sustancias en agua, AR, sedimentos (estado natural)

Proteinas

Lípidos

Hidratos carbono

Pigmentos vegetales


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas  Los contaminantes orgánicos en el agua proceden de la industria química, petrolera y agrícola.

químicas y físicas

Contaminantes orgánicos (sintéticos)

del agua  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

Pesticidas agroquímicos

Agentes tensoactivos

Hidrocarburos halogenados

 La resistencia iónica es una medida de la intensidad del campo eléctrico:

µ = 2.5 10-5

STD = 1.6 10-5

µ = resistencia iónica Zi = carga de la especie i

eC = ½ (CiZi2)

Ec. Snoeyink-Jenkins


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas  Algunos contaminantes presentes en el agua: Clasificación

Componente

Fórmula

Solubilidad

Vida media

Tiempo degradac. 95%

Límite en agua potable OMS

Pesticidas HC Clorados

DDT Aldrin Metoxicloro Dieldrin Endrin Lindane Paration Melation Dimetoato Simazina Propazina 2,4,5-T Diquat

C14H9Cl5 C12H6 Cl6 C16H15Cl3O2 C12H8Cl6O C12H8Cl6O C6H6Cl6 C10H4NO5PS C10H4NO5PS2 C5H12NO3PS2 C7H2ClN5 C9H16ClN5 C8H5ClO3 C12H12Br2N2

0.0012 0.01 0.10 0.18 0.23 7.0 24 145 2500 5 8 280 70

>6m >6m 2-6 s >6 m <2s <2s <6m <6m <6m -

4-30 a 1-6 a 5-25 a

1.0 µg/l 0.03 µg/l 30 µg/l 0.03 µg/l

y bioquímicas  Balances de materia y energía

Fosfatos Orgánicos

Herbicidas Fungicidas

a: años m: meses s: semanas


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas  Agentes tensoactivos: disminuyen la tensión superficial del agua cuando están mezclados con ella. Se emplean para lavado, emulsionante, humectante, espumante…

 Los surfactantes presentan una molécula diferenciada en dos partes:

 Reacciones químicas y bioquímicas

Insoluble en agua hidrofóbica

 Balances de materia

Soluble en líquidos no polares (aceites)

y energía

Soluble en agua hidrofílica

Insoluble en líquidos no polares

 Los surfactantes son perjudiciales al medio acuático, dado que forman espuma y reducen con ello la difusión del oxígeno atmosférico hacia el agua. En los ríos oscila entre 0-1 mg/l.

Surfactantes en AR

Fecales

20 mg/l

Industriales

1000 mg/l


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas  Hidrocarburos halogenados: los más significativos son los trihalometanos (THMs) o halomorfos. Se representan por CHX3.  Ejemplos de THMs: CHCl3, CHCl2Br, CHBr3

del agua

 Su presencia está en los vertidos a las AR industriales o bien formarse por la

 Reacciones químicas

reacción del cloro con compuestos orgánicos en medio acuoso. En la ingeniería

y bioquímicas

ambiental el compuesto más destacado es el cloroformo.

 Balances de materia

 CHCl3 que se forma mediante la acetona como precursor y el cloro como

y energía

desinfectante para el agua:

CH3COCH3 + 3NaOCl →  CH3COOCCl3 + 3NaOH CH3COCl3 + NaOH →  CH3CO2Na + CHCl3  Otros precursores de THMs son las sustancias húmicas (procedentes de la descomposición de las materia vegetal, hojas,…, algas, efluentes orgánicos petroquímicos).


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas (concentración total)  Otras sustancias orgánicas sintéticas son los compuestos aromáticos clorados, las dioxinas y los hidrocarburos aromáticos polinucleares.  Determinación del contenido orgánico total: se realiza mediante ensayos

del agua

específicos (determinación de un compuesto específico) y ensayos no específicos

 Reacciones químicas

(determinación de la concentración total del contenido orgánico).

y bioquímicas

 Ensayos de concentración total: DBO (bioquímico), DQO (químico), COT

 Balances de materia

(instrumental), DOT (instrumental)

y energía


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas (DBO)  Se define como la cantidad de oxígeno que necesitan los organismos vivos en una muestra de agua cuando se descompone la materia orgánica a 20ºC y en un periodo de 5 días.

del agua

 Se aplica a las aguas residuales y es el potencial que posee el AR para reducir los

 Reacciones químicas

niveles de oxígeno en el medio acuático receptor.

y bioquímicas  Balances de materia

Materia orgánica + O2 + nutrientes → biomasa + CO2 + H2O + productos estables

y energía

 Cálculo de la DBO: DBO5 = p (ODi – ODf)  p = dilución de la muestra en  ODi y ODf = concentraciones inicial y final de OD

 Corección en el cálculo de la DBO5:

DBO 5 f

p ODi ODf

f B1 B5

% siembra en ODi % siembra en B1

 B1 y B5 son las concentraciones iniciales y finales de OD en el agua diluida sembrada (blanco)


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas (DBO)  La materia orgánica se descompone mediante el modelo:  Lt = DBO remanente (mg/l)

del agua

 k1 = coeficiente de velocidad de oxigenación, (d-1)

 Reacciones químicas

 Integrando:

y bioquímicas  Balances de materia

dLt dt

L0 ·exp

Lt

k1·t

 L0 = DBOu (última), DBO inicial del efluente en el punto de vertido

y energía

DBOr remanente

L0 DBOt = L0 [1 – exp (- k1t)]

Lt t, tiempo

k1·Lt


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas (DBO)  La constante k depende de la temperatura:

kT

k 20

(T

20 )

 kT = coeficiente de velocidad de desoxigenación de DBO a la temperatura T, (d-1)

1.047 20ºC < T < 30ºC  θ = coeficiente

1.35

4ºC < T < 20ºC

y bioquímicas

 DBOt = DBOu – DBOr

 Balances de materia

 DBOt = DBO ejercida en el instante t

y energía

 DBOr = DBO remanente en el instante t  DBOt = L0 – Lt = L0 – L0 exp(-k1t) = L0 [1 – exp(-k1t)] DBOu

DBOt

L0

L1 = L0 exp(-k1 t) DBOt = L0 [1 – exp(-k1t)]

DBO5

5

t


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas (DBO) Coagulación, filtración Floculación, sedimentac. 5 mg/l

Agua potable

Cloración 3 mg/l

del agua  Reacciones químicas y bioquímicas  Balances de materia y energía

Aguas limpias < 1 mg/l

Aguas dulces 3 mg/l salmónidos 6 mg/l pesca

Ríos Contaminados > 5 mg/l

DBO5

Agua residual

Urbana 150-1000 mg/l

Industrial varios miles mg/l


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas del agua

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas (DBO)  Los compuestos nitrogenados ejercen también una demanda de oxígeno: DBON.  En las reacciones de nitrificación resulta: 2NH3 + 3O2 → 2NO2- + H+ + 2H2O

2NO2- + O2 → 2NO3-

 Reacciones químicas

 La demanda de oxígeno en la oxidación del amoníaco a nitratos es la demanda

y bioquímicas

bioquímica nitrosa: DBQN.

 Balances de materia y energía


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Introducción

 Propiedades químicas y físicas

 Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas (DQO)  Mide el carbono orgánico total a excepción de ciertos aromáticos (C6H6), que no se oxida por la reacción.  Es la cantidad de oxígeno que se necesita para oxidar químicamente las

del agua

sustancias orgánicas en el agua/agua residual. No indica nada sobre la velocidad de

 Reacciones químicas

biodegradación.

y bioquímicas

 El agente oxidante empleado, en medio ácido, es el K2Cr2O7, durante un tiempo de

 Balances de materia

ensayo de 2 horas.

y energía

 En general, DQO complejas) Directiva UE

1.6 DBO5 (1.6 ha de calibrarse y no es válido para ARInd

2 mg/l agua potable con K2Cr2O7

125 mg/l ARU


2. Propiedades físicas y químicas del agua  Propiedades químicas del agua: sustancia orgánicas (COT)

 Introducción

 Mide todo el carbono orgánico como mg CO2/l. Se ha de eliminar el carbono

 Propiedades

inorgánico mediante una acidificación o aireación. Es un ensayo instrumental.

químicas y físicas del agua

CHO

 Reacciones químicas

O2 Catalizador 950ºC

y bioquímicas  Balances de materia

DQO

y energía

COT

CO2 espectrometría

= 2.66

 Para agua residual la relación DBO/DQO viene dado por: DBO5 biodegradable

Materia Orgánica total

DBOu DQO

No biodegradable Relación entre la DBO/DQO/Materia orgánica total


3. Reacciones químicas y bioquímicas  Introducción  Propiedades químicas y físicas del agua

 Reacciones

 Reacciones químicas y bioquímicas  Tipos de procesos:  Crecimiento biológico de biomasa/materia orgánica

− Lodos activados

químicas y

Reacción lenta Grandes volúmenes Grandes tiempos detección

bioquímicas

− Digestión anaerobia

 Balances de materia

− Lagunas de agua residual

y energía

− Filtros percoladores − Contactores biológicos rotativos  Difusión de efluentes en ríos, mares y lagos  Formación de CH4 en vertederos

 Reacciones químicas de contaminantes en la atmósfera  Procesos de desinfección de agua potable por cloración o ClO2  En cualquier tipo de proceso hay que distinguir el reactor o bien el pseudoreactor.  En su interior tiene lugar el cambio de la materia contenida en el efluente pasando desde una (DBO)1 alta a una (DBO)2 baja debido a la presencia de microorganismos.


3. Reacciones químicas y bioquímicas  Reacciones químicas y bioquímicas

 Introducción  Propiedades químicas

 Los cambios en los contenidos de un efluente se miden mediante la cinética, que se define como la velocidad a la cual dos componentes se separan del agua residual

y físicas del agua

o bien la velocidad a la cual se producen los lodos de biomasa.

 Reacciones

 La velocidad se expresa por: r = k·Cn

químicas y

 r = velocidad de reacción, mg/(l s)

bioquímicas

 k = constante de la velocidad, su unidad depende de n

 Balances de materia

 C = concentración del elemento (contaminante), mg/l

y energía

 n = orden de la reacción Cinética de orden cero -dC/dt = k0

Cinética de orden uno -dC/dt = k0 C

Cinética de orden dos -dC/dt = k0C2

C – C0 = - k0 t

ln(C/C0) = -k0 t C/C0 = exp (- k0t) lnC = lnC0 –k0t

1/C – 1/C0 = k0t

 Se observa que en cada expresión integrada del componente a separar del efluente hay una dependencia de tipo lineal representadas por las gráficas siguientes:


3. Reacciones químicas y bioquímicas  Reacciones químicas y bioquímicas

 Introducción  Propiedades químicas

n =2

y físicas del agua

 Reacciones

n=1

Log r

químicas y

n=0

bioquímicas  Balances de materia

Log C (sustrato)

y energía

C0

Ln C0

m = - k0

m = - k0

C

Ln C

1/C

m = k0

1/C0 t

t

t


3. Reacciones químicas y bioquímicas  Introducción  Propiedades químicas y físicas del agua

 Reacciones

químicas y bioquímicas  Balances de materia

 Reacciones químicas y bioquímicas  Desde el punto de vista del rendimiento, se desea saber el tiempo medio de procesado para reducir la concentración a la mitad: C0→C0/2  Para cinética de orden cero: C – C0 = - k0t ; C0/2 – C0 = - k0t;

t1/2 = C0/2k0

 Para cinética de orden uno: ln (C/C0) = - k1 t; ln(1/2) = -k1t;

t1/2 = ln2/k1

y energía

 Para cinética de orden dos: 1/C – 1/C0 = k0t; 2/C0 – 1/C0 = k0t;

t1/2 = 1/k2C0


3. Reacciones químicas y bioquímicas  Introducción  Propiedades químicas y físicas del agua

 Reacciones

químicas y bioquímicas

 Reacciones químicas y bioquímicas  En los procesos bacterianos nos encontramos las expresiones cinéticas siguientes al considerar las aguas residuales: ― tasa de consumo de materia orgánica.

― tasa de utilización de oxígeno. ― tasa de crecimiento de la población microbiana.  Todos estos procesos están representados por el modelo Monod

 Balances de materia y energía

S0

X0

X

S


3. Reacciones químicas y bioquímicas  Introducción  Propiedades químicas y físicas del agua

 Reacciones

 Reacciones químicas y bioquímicas  La concentración de sustrato (alimento) es S = S0 cuando t = t0 y disminuye a medida que aumenta el tiempo en un proceso por lotes. De forma paralela la biomasa aumenta desde X = X0 a costa de la materia orgánica convertida a materia

celular. En este proceso se requiere una gran cantidad de oxígeno, que se estabiliza

químicas y

cuando la biomasa alcanza un valor constante.

bioquímicas

 La fase de crecimiento exponencial o logarítmica se representa por

X = X0 exp( t)

 Balances de materia

dX

y energía

dt

S

= X

Monod

=

m

Ks+S

 X = concentración biomasa (mg/l)

= cte tasa de crecimiento específico (d-1)

 S = concentración de sustrato (mg/l) 

m

= tasa crecimiento máxima, (d-1)

 El modelo Monod considera que la tasa de crecimiento microbiano depende de sustrato y biomasa

dX dt

S max

KS

S

X


4. Balances de materia y energía  Introducción  Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas y bioquímicas

 Balances de

 Balances de materia y energía  Los balances de materia permiten cuantificar la materia que interviene en un proceso o en un reactor de proceso de cualquier naturaleza (química, biológica, hidroquímica…). Es necesario identificar el contorno del proceso o de un reactor del

proceso.  En el proceso hay que entender que tiene lugar una serie de reacciones con o sin operaciones básicas que dan lugar a productos finales.

materia y energía

balance

cantidad

calidad

hidrodinámica

Modelo compartido

procesos

química


4. Balances de materia y energía  Introducción

 Balances de materia y energía

 Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas

Ejemplos de procesos

y bioquímicas

 Balances de

Coagulación Cloración Fluoración Reactores anaerobios: digestión de lodos Procesos de lodos activados Transporte de fluidos Absorción de gases Generación de NOxy SOx en atmósfera.

materia y energía

Sistema abierto: se transfiere masa a través del contorno. Hay flujos. Tipos de sistemas

Cerrado: la materia no atraviesa el contorno, no hay flujos. Es un sistema discontinuo, por lotes o batch.


4. Balances de materia y energía  Introducción

 Balances de materia y energía

 Propiedades químicas

Sistema

y físicas del agua  Reacciones químicas y bioquímicas

abierto

cerrado

Una sola unidad

Varias unidades

 Balances de materia y energía

Sin reacción quím o biológ

Sin reacción quím o biológ

Con reacción quím o biológ

Con reacción quím o biológ


4. Balances de materia y energía  Introducción  Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas

 Balances de materia y energía  Para la Ingeniería Ambiental, como para cualquier ámbito es importante la ley de la conservación de la masa implícitamente recogida en el balance de materia:

F1

y bioquímicas

 Balances de materia y energía

proceso

F2

P1 P2

n

Fi

i 1

Entrada = Salida (no acumulación)  Los términos del balance son: entrada + generación = salida + acumulación + consumo  El balance puede referirse a:

— masa total o moles totales — masa o moles de una sustancia — masa o moles de una especie atómica — caudales en masa — la especie puede ser química o biológica

k j 1

Pj


4. Balances de materia y energía  Introducción  Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas y bioquímicas

 Balances de materia y energía

 Balances de materia y energía  Los reactores ideales a considerar son de tres tipos: —Reactor discontinuo: es un reactor en el cual se alimenta una carga determinada y transcurrido un tiempo tiene lugar la reacción correspondiente.

La variable tiempo es la que hay que considerar. En tiempos distintos las concentraciones son distintas. — Reactor de mezcla completa: a medida que el tiempo de reacción es mayor, mayor es la extensión de la reacción o conversión. Es un reactor que permite

realizar ensayos como la determinación de la DBO de un agua a tratar. Se emplea para grandes producciones, con un tiempo de reacción corto. Es necesario mantener la temperatura uniforme. Su contenido está perfectamente mezclado, tiene concentración uniforme, la concentración en el efluente es

idéntica a la concentración en el interior. El caudal volumétrico es constante, y los cambios de densidad o de temperatura debidos a la reacción son despreciables. Es habitual en la depuración de aguas residuales y en procesos anaerobios.


4. Balances de materia y energía  Introducción  Propiedades químicas y físicas del agua  Reacciones químicas y bioquímicas

 Balances de materia y energía

 Balances de materia y energía  Los reactores ideales a considerar son de tres tipos: — Reactor de flujo pistón: existe un flujo de alimento que transcurre un tiempo en el reactor. La variable a considerar es la longitud, de tal forma que la

concentración varía con ella y no con el tiempo. Un elemento de fluido no se mezcla con el anterior o posterior, aunque sí está bien mezclado con en el sentido transversal. Es el reactor más común en la depuración de aguas residuales. Existe un gradiente de concentraciones desde la entrada hasta la

salida. Cuanto mayor es el tiempo de residencia, mayor es la conversión alcanzada.


Tema 1_Introducción a la Química en la Ingeniería Ambiental