Demanda química de oxígeno

En química ambiental , la demanda química de oxígeno ( DQO ) es una medida indicativa de la cantidad de oxígeno que se puede consumir por las reacciones en una solución medida . Se expresa comúnmente en masa de oxígeno consumido sobre volumen de solución, que en unidades del SI es miligramos por litro ( mg / L ). Se puede utilizar una prueba de DQO para cuantificar rápidamente la cantidad de materia orgánica en el agua . La aplicación más común de la DQO es cuantificar la cantidad de contaminantes oxidables que se encuentran en las aguas superficiales (por ejemplo, lagos y ríos ) o en las aguas residuales . La DQO es útil en términos de calidad del agua al proporcionar una métrica para determinar el efecto que tendrá un efluente en el cuerpo receptor, de forma muy similar a la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) .

La base de la prueba de DQO es que casi todos los compuestos orgánicos pueden oxidarse completamente a dióxido de carbono con un agente oxidante fuerte en condiciones ácidas . La cantidad de oxígeno necesaria para oxidar un compuesto orgánico a dióxido de carbono, amoníaco y agua viene dada por:

${\displaystyle {\box{C}}_{n}{\box{H}}_{a}{\box{O}}_{b}{\box{N}}_{c}+\left(n+{\frac {a}{4}}-{\frac {b}{2}}-{\frac {3}{4}}c\right){\box{O}}_{2}\rightarrow n{\mbox{CO}}_{2}+\left({\frac {a}{2}}-{\frac {3}{2}}c\right){\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}+c{\mbox{NH}}_{3}}$

Esta expresión no incluye la demanda de oxígeno causada por la nitrificación , la oxidación del amoniaco en nitrato :

${\displaystyle {\mbox{N}}{\mbox{H}}_{3}+2{\mbox{O}}_{2}\rightarrow {\mbox{N}}{\mbox{O}} _{3}^{-}+{\mbox{H}}_{3}{\mbox{O}}^{+}}$

El dicromato , el agente oxidante para la determinación de DQO, no oxida el amoníaco en nitrato, por lo que la nitrificación no está incluida en la prueba de DQO estándar.

La Organización Internacional de Normalización describe un método estándar para medir la demanda química de oxígeno en la norma ISO 6060 [1]. Sin embargo, esta norma ISO fue retirada en 2024.

El dicromato de potasio es un agente oxidante fuerte en condiciones ácidas. La acidez se logra generalmente mediante la adición de ácido sulfúrico . La reacción del dicromato de potasio con compuestos orgánicos se da por:

${\displaystyle {\ce {C}}_{n}{\ce {H}}_{a}{\ce {O}}_{b}{\ce {N}}_{c}\ +\ d{\ce {Cr2O7^2-}}\ +\ (8d\ +\ c){\ce {H+ ->}}n{\ce {CO2}}\ +\ {\frac {a+8d-3c }{2}}{\ce {H2O}}\ +\ c{\ce {NH4+}}\ +2d{\ce {Cr^3+}}}$

donde . Lo más común es utilizar una solución 0,25 N de dicromato de potasio para la determinación de DQO, aunque para muestras con DQO por debajo de 50 mg/L, se prefiere una concentración menor de dicromato de potasio.${\displaystyle d=2n/3+a/6-b/3-c/2}$

En el proceso de oxidación de las sustancias orgánicas presentes en la muestra de agua, el dicromato de potasio se reduce (ya que en todas las reacciones redox se oxida un reactivo y se reduce el otro), formándose Cr ³⁺ . La cantidad de Cr ³⁺ se determina una vez finalizada la oxidación y se utiliza como medida indirecta del contenido orgánico de la muestra de agua.

Para que toda la materia orgánica se oxide por completo, debe haber una cantidad excesiva de dicromato de potasio (o de cualquier agente oxidante). Una vez que se completa la oxidación, se debe medir la cantidad de dicromato de potasio en exceso para garantizar que se pueda determinar con precisión la cantidad de Cr ³⁺ . Para ello, se titula el exceso de dicromato de potasio con sulfato de amonio ferroso (FAS) hasta que todo el exceso de agente oxidante se haya reducido a Cr ³⁺ . Normalmente, durante este paso de titulación se añade el indicador de oxidación-reducción ferroína . Una vez que se ha reducido todo el exceso de dicromato, el indicador de ferroína cambia de azul verdoso a marrón rojizo. La cantidad de sulfato de amonio ferroso añadido es equivalente al exceso de dicromato de potasio añadido a la muestra original. Nota: El indicador de ferroína es de color rojo brillante en las fuentes preparadas comercialmente, pero presenta un tono verde cuando se añade a una muestra digerida que contiene dicromato de potasio. Durante la titulación, el color del indicador cambia de un tono verde a un tono azul brillante y luego a un marrón rojizo al llegar al punto final. El indicador de ferroína cambia de rojo a azul pálido cuando se oxida. ^[1] Otro indicador que se puede utilizar es la difenilamina. Se prepara disolviendo 0,1 g en 100 ml de ácido sulfúrico concentrado. El cambio de color es de azul oscuro a azul claro.

Se añade una solución de 1,485 g de 1,10- fenantrolina monohidrato a una solución de 695 mg de FeSO ₄ ·7H ₂ O en agua destilada y la solución roja resultante se diluye a 100 mL.

Para calcular la DQO se utiliza la siguiente fórmula:

${\displaystyle \mathrm {DQO} ={\frac {8000(bs)n}{\text{volumen de muestra}}}}$

donde b es el volumen de FAS utilizado en la muestra en blanco, s es el volumen de FAS en la muestra original y n es la normalidad de FAS. Si se utilizan mililitros de manera constante para las mediciones de volumen, el resultado del cálculo de DQO se expresa en mg/L.

La DQO también se puede estimar a partir de la concentración de compuesto oxidable en la muestra, en función de su reacción estequiométrica con el oxígeno para producir CO2 ₍ suponiendo que todo el C va a CO2 ₎ , H2O ₍ suponiendo que todo el H va a H2O ₎ y NH3 ₍ suponiendo que todo el N va a NH3 ₎ , utilizando la siguiente fórmula:

DQO = ( C /Agua)·(RMO)·32

Dónde

C = Concentración de compuesto oxidable en la muestra,

FW = Peso fórmula del compuesto oxidable en la muestra,

RMO = Relación entre el número de moles de oxígeno y el número de moles de compuesto oxidable en su reacción con CO ₂ , agua y amoníaco

Por ejemplo, si una muestra tiene 500 Wppm (partes en peso por millón) de fenol:

C6H5OH + _7O2 → _6CO2 + _3H2O​​_​​

DQO = (500/94)·7·16*2 = 1192 ppm

Algunas muestras de agua contienen altos niveles de materiales inorgánicos oxidables que pueden interferir con la determinación de DQO. Debido a su alta concentración en la mayoría de las aguas residuales , el cloruro es a menudo la fuente más grave de interferencia. Su reacción con el dicromato de potasio sigue la ecuación:

${\displaystyle \mathrm {6Cl^{-}+Cr_{2}O_{7}^{2-}+14H^{+}\rightarrow 3Cl_{2}+2Cr^{3+}+7H_{2}O } }$

Para eliminar la interferencia del cloruro, se puede agregar sulfato de mercurio a la muestra antes de agregar otros reactivos.

En la siguiente tabla se enumeran otras sustancias inorgánicas que pueden causar interferencias. También se enumeran los productos químicos que se pueden utilizar para eliminar dichas interferencias y los compuestos que se forman cuando se elimina la molécula inorgánica.

Muchos gobiernos imponen normas estrictas en cuanto a la demanda química máxima de oxígeno permitida en las aguas residuales antes de que puedan devolverse al medio ambiente. Por ejemplo, en Suiza , se debe alcanzar una demanda máxima de oxígeno de entre 200 y 1000 mg/L antes de que las aguas residuales o industriales puedan devolverse al medio ambiente [2].

Durante muchos años, el permanganato de potasio ( K Mn O _{4 ), un fuerte} agente oxidante , se utilizó para medir la demanda química de oxígeno. Las mediciones se denominaban oxígeno consumido por el permanganato en lugar de demanda de oxígeno de sustancias orgánicas . La eficacia del permanganato de potasio para oxidar compuestos orgánicos variaba ampliamente y, en muchos casos, las mediciones de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) solían ser mucho mayores que los resultados de las mediciones de DQO. Esto indicaba que el permanganato de potasio no podía oxidar eficazmente todos los compuestos orgánicos del agua, lo que lo convertía en un agente oxidante relativamente deficiente para determinar la DQO.

Desde entonces, se han utilizado otros agentes oxidantes como el sulfato cérico , el yodato de potasio y el _dicromato de potasio para determinar la DQO. De ellos, _{el dicromato de potasio} ( K2Cr2O7 ) es el más eficaz: es relativamente barato, fácil de purificar y puede oxidar casi por completo casi todos los compuestos orgánicos.

En estos métodos, se añade a una muestra de la solución que se está analizando un volumen fijo con una cantidad conocida en exceso del oxidante. Después de un paso de digestión a reflujo, se calcula la concentración inicial de sustancias orgánicas en la muestra a partir de una determinación volumétrica o espectrofotométrica del oxidante restante en la muestra. Como ocurre con todos los métodos colorimétricos, se utilizan muestras en blanco para controlar la contaminación por material externo.

• Demanda bioquímica de oxígeno  : oxígeno necesario para eliminar la materia orgánica del agua.
• Demanda bioquímica de oxígeno carbonoso  : oxígeno necesario para eliminar la materia orgánica del agua.Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
• Demanda teórica de oxígeno  : cantidad calculada de oxígeno necesaria para oxidar un compuesto hasta sus productos de oxidación finales.Páginas que muestran descripciones de wikidata como alternativa
• Indicadores de calidad de aguas residuales  : Formas de comprobar la idoneidad de las aguas residuales analiza tanto la DBO como la DQO como medidas de la calidad del agua.

• ISO 6060: Calidad del agua - Determinación de la demanda química de oxígeno