Ablandamiento de agua

El ablandamiento del agua consiste en eliminar el calcio , el magnesio y otros cationes metálicos del agua dura . El agua blanda resultante requiere menos jabón para el mismo esfuerzo de limpieza, ya que el jabón no se desperdicia al unirse con los iones de calcio. El agua blanda también prolonga la vida útil de las tuberías al reducir o eliminar la acumulación de sarro en las tuberías y los accesorios. El ablandamiento del agua se logra generalmente mediante el uso de resinas de intercambio iónico o de ablandamiento con cal , pero cada vez se realiza más mediante nanofiltración o membranas de ósmosis inversa .

La presencia de ciertos iones metálicos como calcio y magnesio , principalmente como bicarbonatos , cloruros y sulfatos , en el agua causa una variedad de problemas. ^[1]

El agua dura produce la acumulación de cal , que puede ensuciar las tuberías y promover la corrosión galvánica . ^[2] En las plantas de ablandamiento de agua a escala industrial, el flujo de efluentes del proceso de regeneración puede precipitar incrustaciones que pueden interferir con los sistemas de alcantarillado. ^[3]

La sensación resbaladiza asociada con el lavado con agua blanda se debe a la menor atracción del jabón hacia los iones del agua cuando el agua ha sido despojada de su contenido mineral. La superficie de la piel humana tiene una carga ligera con la que el jabón tiende a unirse, lo que requiere más esfuerzo y un mayor volumen de agua para eliminarla. ^{[4] El agua dura contiene iones de calcio o magnesio que forman} sales insolubles al reaccionar con el jabón, dejando una capa de estearatos insolubles en las superficies de la bañera y la ducha, comúnmente llamada espuma de jabón . ^{[4] [5]}

Los métodos más comunes para eliminar la dureza del agua se basan en resinas de intercambio iónico u ósmosis inversa . Otros métodos incluyen métodos de precipitación y secuestro mediante la adición de agentes quelantes . La destilación y la ósmosis inversa son los dos métodos no químicos más utilizados para ablandar el agua.

Los aparatos convencionales de ablandamiento de agua destinados al uso doméstico dependen de una resina de intercambio iónico en la que los "iones de dureza", principalmente Ca ²⁺ y Mg ^{2+ ,} se intercambian por iones de sodio . ^[6] Como se describe en la Norma 44 de NSF/ANSI , ^[7] los dispositivos de intercambio iónico reducen la dureza al reemplazar el magnesio y el calcio (Mg ²⁺ y Ca ²⁺ ) con iones de sodio o potasio (Na ⁺ y K ⁺ ).

Las resinas de intercambio iónico son polímeros orgánicos que contienen grupos funcionales aniónicos a los que los cationes divalentes (Ca ²⁺ ) se unen con más fuerza que los cationes monovalentes (Na ⁺ ). Los materiales inorgánicos llamados zeolitas también exhiben propiedades de intercambio iónico. Estos minerales se utilizan ampliamente en detergentes para ropa . También existen resinas para eliminar los iones de carbonato, bicarbonato y sulfato que se absorben y los iones de hidróxido que se liberan de la resina. ^[8]

Cuando todos los iones Na ⁺ disponibles han sido reemplazados por iones calcio o magnesio, la resina debe recargarse eluyendo los iones Ca2 + y Mg2+ utilizando una solución de ^cloruro de ^sodio o hidróxido de sodio , dependiendo del tipo de resina utilizada. ^[9] Para las resinas aniónicas, la regeneración normalmente utiliza una solución de hidróxido de sodio ( lejía ) o hidróxido de potasio. Las aguas residuales eluidas de la columna de intercambio iónico que contienen las sales de calcio y magnesio no deseadas normalmente se descargan al sistema de alcantarillado . ^[3]

La recarga normalmente implica los siguientes pasos: ^[10]

• Retrolavado: el agua se dirige a través de la resina en dirección opuesta a la del flujo normal y el agua resultante se envía a un desagüe para su eliminación. Este proceso de diez minutos elimina los sólidos y expande el lecho de resina.
• Extracción de salmuera: el agua se dirige a través de una bomba de chorro , que extrae agua salada del tanque de salmuera , antes de que el agua y la salmuera pasen a través del lecho de resina en la dirección normal, si es en paralelo , o en la dirección inversa, si es en contracorriente . ^[11] El resultado de este proceso que normalmente dura treinta minutos se desecha a través de la manguera de drenaje.
• Enjuague: la extracción de salmuera se detiene, pero el agua continúa fluyendo desde la entrada hasta la salida, limpiando gradualmente la salmuera del lecho de resina. El agua de enjuague fluye lentamente durante varios minutos y luego a un ritmo más rápido durante una hora. En algún momento, el depósito de salmuera se vuelve a llenar con agua fresca.

El ablandamiento con cal es el proceso en el que se añade cal al agua dura para ablandarla. Tiene varias ventajas ^{[ se necesita más explicación ]} sobre el método de intercambio iónico, pero es principalmente adecuado para aplicaciones de tratamiento comerciales. ^[12]

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Los quelantes se utilizan en análisis químicos , como ablandadores de agua y son ingredientes de muchos productos comerciales como champús y conservantes de alimentos . El ácido cítrico se utiliza para ablandar el agua en jabones, productos de cuidado personal y detergentes para ropa . Un quelante sintético de uso común es el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA), que puede existir como sal tetrasódica o disódica. Debido a las preocupaciones sobre la toxicidad ambiental y acuática con respecto al uso generalizado de EDTA en productos domésticos y de cuidado personal, alternativas como el fitato de sodio/ ácido fítico , el diacetato de glutamato tetrasódico y el disuccinato de etilendiamina trisódico están encontrando un uso más frecuente.

En este método, el agua se trata con una cantidad calculada de _carbonato de sodio ( _Na2CO3 ), que convierte los cloruros y sulfatos de calcio y magnesio en sus respectivos carbonatos, que se precipitan.

CaCl ₂ + Na ₂ CO ₃ → CaCO ₃ + 2NaCl

MgSO ₄ + Na ₂ CO ₃ → MgCO ₃ + Na ₂ SO ₄

Dado que el Ca2 ⁺ y el Mg2 ⁺ existen como sales no volátiles, se pueden eliminar destilando el agua. La destilación es costosa y energéticamente ineficiente en comparación con otros métodos de ablandamiento del agua. El agua de lluvia es blanda porque se destila naturalmente durante el ciclo del agua de evaporación, condensación y precipitación. ^[13]

La ósmosis inversa utiliza un gradiente de presión aplicado a través de una membrana semipermeable para superar la presión osmótica y eliminar las moléculas de agua de la solución con iones de dureza. La membrana tiene poros lo suficientemente grandes como para admitir el paso de moléculas de agua; los iones de dureza como Ca ²⁺ y Mg ²⁺ no pasan por los poros. El suministro de agua blanda resultante está libre de iones de dureza sin que se agreguen otros iones. Las membranas son un tipo de filtro de agua que requiere un mantenimiento de limpieza o reemplazo regular.

La nanofiltración es un proceso similar a la ósmosis inversa en el sentido de que implica el uso de una membrana semipermeable, aunque la membrana filtrante se distingue por el hecho de que sus poros tienen un diámetro de ≤ 10 nanómetros. El proceso se suele utilizar junto con la filtración por ósmosis inversa, ya que la nanofiltración por sí sola no es tan eficaz y es más cara que los métodos de tratamiento químico del agua. ^[14]

Algunos fabricantes afirman que los dispositivos eléctricos que producen pueden afectar la interacción de los minerales con el agua, de modo que estos no se adhieran a las superficies. Dado que estos sistemas no funcionan intercambiando iones, como lo hacen los descalcificadores de agua tradicionales, uno de los beneficios que se alega para el usuario es la eliminación de la necesidad de agregar sal al sistema. Estos sistemas no eliminan los minerales del agua en sí, sino que solo pueden alterar los efectos posteriores que de otro modo tendría el agua que contiene minerales. Estos sistemas no se incluyen en el término "descalcificación del agua", sino en el de "acondicionamiento del agua". ^{[ cita requerida ]}

Afirmaciones similares sobre el tratamiento magnético del agua no se consideran válidas. Por ejemplo, no se encontró ninguna reducción en la formación de incrustaciones cuando se probó científicamente un dispositivo magnético de este tipo. ^[15]

La eliminación o sustitución de minerales en el agua dura se denomina ablandamiento del agua. Un tratamiento alternativo del agua se denomina acondicionamiento del agua, en el que los minerales permanecen en el agua, pero se modifican para que no formen incrustaciones. Aunque Estados Unidos tiene normas para medir los minerales en el agua, no tiene normas para medir la capacidad del agua para formar incrustaciones. En su lugar, los investigadores estadounidenses utilizan el protocolo alemán DVGW-W512. ^[16]

El agua de lluvia contiene dióxido de carbono disuelto extraído de la atmósfera. Parte del dióxido de carbono disuelto reacciona con el agua para formar ácido carbónico , que permanece en solución. Los minerales que contienen calcio y magnesio forman bicarbonatos solubles cuando se exponen al ácido carbónico. El agua que contiene estos minerales se conoce como "agua dura". ^{[ cita requerida ]}

Cuando se calienta agua dura en un sistema de plomería, el dióxido de carbono se disuelve y los bicarbonatos se convierten en carbonatos, que son mucho menos solubles. Los carbonatos se adhieren a las superficies de las tuberías y proporcionan cristales semilla para un mayor crecimiento de cristales, que se acumulan en forma de sarro duro. ^{[ cita requerida ]}

Los dispositivos de tratamiento físico del agua (PWT) hacen que se formen cristales minerales microscópicos que permanecen suspendidos a medida que fluyen con el agua, al mismo tiempo que actúan como semillas para un mayor crecimiento de los cristales. A medida que el agua se calienta, los minerales se cristalizarán en estas semillas, en lugar de en el sistema de tuberías. Los minerales disueltos se convierten en partículas sólidas insolubles en suspensión, que pasan a través del sistema sin unirse a las superficies de las tuberías. ^[17]

Existen alternativas a los ablandadores de agua por intercambio iónico, consulte la tabla a continuación.

El agua dura y fría pasa a través de un tanque que contiene pequeñas perlas poliméricas con superficies que permiten la nucleación de pequeñas burbujas de gas de dióxido de carbono. La nucleación inicial de las burbujas de gas puede ocurrir debido a la despresurización del agua dura a medida que fluye hacia arriba en un pozo de agua, como cuando se destapa una botella de cerveza. Una vez que el dióxido de carbono sale del líquido, una reacción química impulsa inmediatamente la formación de cristales de carbonato de calcio en la superficie de las burbujas. A medida que los cristales crecen en estas semillas, se rompen en el flujo mientras aún tienen un tamaño microscópico. Si estas pequeñas partículas viajan a través de un calentador de agua, se produce una mayor disolución de dióxido de carbono debido al aumento de temperatura y el crecimiento de nuevos cristales ocurre en las partículas, en lugar de en el calentador de agua. Una vez que la calcita aparece en el agua, la nueva calcita preferirá formarse sobre la calcita anterior debido a los enlaces disponibles en los cristales y la proximidad y cantidad de superficies de calcita en el agua. ^{[ cita requerida ]}

Este proceso se denomina cristalización asistida por plantilla (TAC) o cristalización asistida por nucleación (NAC). Las perlas poliméricas son polifosfatos que varían en tamaño de 0,5 a 2,0 μm. ^{[ cita requerida ]} y algunas tienen un revestimiento cerámico. Las pruebas realizadas en la Universidad de Arizona descubrieron que la TAC era la más eficaz para reducir la formación de incrustaciones, seguida de cerca por el intercambio iónico (véase el gráfico anterior). Son más eficaces que los enfoques que intentan secuestrar iones mediante la aplicación de campos magnéticos o eléctricos. Las ventajas de los tanques TAC incluyen la simplicidad, el bajo mantenimiento, la falta de efluentes tóxicos (como el cloro) y la disponibilidad de calcio como nutriente en el agua potable. Las desventajas incluyen que los cristales de calcita no se evitan ni se eliminan del agua, de modo que las zonas donde el agua se evapora seguirán mostrando depósitos. Los fabricantes afirman que estos depósitos son más fáciles de limpiar, ya que la calcita se forma en cristales semilla en lugar de en las superficies. ^{[ cita requerida ]}

El Servicio Nacional de Salud del Reino Unido recomienda una ingesta máxima de sal de 6 g, frente a la ingesta actual de 8,1 g. El CDC de los EE. UU. recomienda limitar la ingesta diaria total de sodio a 2300 mg por día, ^[20] aunque el estadounidense promedio consume 3500 mg por día. ^[21] Debido a que la cantidad de sodio presente en el agua potable, incluso después de ablandarla, no representa un porcentaje significativo de la ingesta diaria de sodio de una persona, la EPA de los EE. UU. considera que es poco probable que el sodio en el agua potable cause efectos adversos para la salud. ^[22]

Un estudio encontró que la concentración media de sodio en agua ablandada es de 278 mg/L. ^[23] En 2 litros de agua (la cantidad de agua potable que se suele sugerir para un adulto medio), esto constituye aproximadamente el 22 % de la ingesta de sodio recomendada por los CDC de EE. UU. y puede marcar la diferencia para quienes necesitan limitar significativamente su consumo de sodio. ^{[ cita requerida ]} Para quienes siguen dietas restringidas en sodio, el uso de un sistema de ósmosis inversa para el agua potable y el agua para cocinar eliminará el sodio junto con cualquier otra impureza que pueda estar presente. ^{[ cita requerida ]} El cloruro de potasio también se puede utilizar como regenerante en lugar del cloruro de sodio, aunque es más costoso. Sin embargo, para las personas con insuficiencia renal , los niveles elevados de potasio, o hipercalemia , pueden provocar complicaciones como arritmia cardíaca . ^{[ cita requerida ]}

Los altos niveles de dureza del agua en el hogar también pueden estar relacionados con el desarrollo de dermatitis atópica (eccema) en etapas tempranas de la vida, ^[24] aunque la relación real es correlacional en la actualidad y se recomienda realizar más investigaciones para establecer una relación causal. Sin embargo, el uso de descalcificadores de agua cuando la dermatitis atópica ya está establecida no reduce la gravedad de los síntomas. ^{[25] [26]}

El agua suavizada (medida como índice de carbonato de sodio residual ) en la que el calcio y el magnesio han sido parcialmente reemplazados por sodio no es adecuada para uso en riego, ya que tiende a provocar el desarrollo de suelos alcalinos . ^[27] A menudo se utilizan dispositivos no químicos en lugar del ablandamiento de agua tradicional para esta aplicación.

• Desalinización
• Intercambio iónico
• Ablandamiento con cal
• Tratamiento magnético del agua
• Agua purificada
• Purificación de agua