Una solución oxidante mixta (MOS) es un tipo de desinfectante que tiene muchos usos, incluyendo desinfectar, esterilizar y eliminar microorganismos patógenos en el agua. [1] Una MOS puede tener ventajas como un mayor poder desinfectante, cloro residual estable en el agua, eliminación de biopelículas y seguridad. [2] Los componentes principales de una MOS son el cloro y sus derivados ( ClO − y HClO ), que se producen por electrólisis del cloruro de sodio . [3] También puede contener altas cantidades de radicales hidroxi , dióxido de cloro , ozono disuelto , peróxido de hidrógeno y oxígeno de donde se deriva el nombre de "oxidante mixto".
Una solución oxidante mixta (MOS) se produce mediante electrólisis in situ . La concentración de la salida de desinfectante es proporcional a la concentración de la entrada de sal, el voltaje , la temperatura , la corriente y el tiempo de electrólisis. [4] Un sistema de producción de MOS contiene electrodos resistentes a la corrosión o ánodos dimensionalmente estables (DSA) y está hecho de manera que se apliquen diferentes voltajes para la electrólisis simultáneamente a diferentes partes. De esta manera, ocurren diferentes reacciones en los polos del ánodo y el cátodo y, por lo tanto, se producen varias sustancias oxidantes. [5]
En este proceso, los iones de cloruro en el ánodo se convierten en gas de cloro. Después de reducir la concentración de iones de cloruro en presencia de compuestos ClO − y Cl 2 en la solución y aplicar las condiciones requeridas, se produce ClO 2 y se almacena la solución final. [6]
Para generar ozono, se deben proporcionar las condiciones para las reacciones de electrólisis del agua. En este caso, tienen lugar las siguientes semirreacciones (que se indican a continuación). Se produce gas hidrógeno en el cátodo y gas oxígeno en el ánodo. Al aumentar el voltaje, se modifica la semirreacción del ánodo y se produce ozono. [7]
La velocidad de generación de ozono está influenciada por las condiciones del reactor de electrólisis. Las reacciones sostenidas son capaces de generar una solución saturada de ozono, aunque la solubilidad del ozono depende de la concentración de otros iones. [8]
En la siguiente etapa, con pocos cambios en las condiciones de reacción, se produce peróxido de hidrógeno. El peróxido de hidrógeno y el ozono se producen mediante semirreacciones diferentes, pero ambas pueden ocurrir en la práctica. [6]
Diversas condiciones, incluidos los cambios de voltaje, corriente, concentración, pH , temperatura , flujo y presión, cambiarán el potencial de reducción estándar y, como resultado, la velocidad de varias reacciones. Sin embargo, la extensión de los electrodos en el reactor, creando múltiples capas de electrolito y condiciones desiguales en las superficies de los electrodos, causará cambios importantes en los modos estándar de las semirreacciones. [7]
La base de la producción de oxidantes mixtos es la electrólisis de una solución acuosa de cloruro de sodio . Para producir una solución de oxidantes mixtos, se utilizan diferentes tipos de celdas de electrólisis, como una celda de membrana o una celda de contacto estándar (tanto unipolar como bipolar). [9]
Esta celda consta de electrodos de ánodo y cátodo con una membrana de intercambio iónico entre ellos. Esta membrana permite que los cationes pasen a través de ella y los conduce al cátodo. [10] Esta celda tiene dos entradas y dos salidas para el agua. Un par de entrada y salida se encuentra en el lado del cátodo y el otro par se encuentra en el lado del ánodo. [11]
Algunas células presentan distintos tipos de membranas. Algunas utilizan membranas de intercambio iónico capaces de transportar cationes y aniones a través de los lados. En estas células, se introduce una solución de salmuera desde un lado, mientras que se alimenta agua desde el lado opuesto. [12]
La semireacción en la cámara catódica es la siguiente:
En el lado del ánodo, una parte de los iones de cloruro se oxidan y se disuelven en el agua que pasa en forma de Cl 2 , HOCl y pequeñas cantidades de ClO 2 debido a la electrólisis del agua. En el lado del ánodo se producen pequeñas cantidades de ozono y gas oxígeno . La semirreacción principal en el lado del ánodo es:
Cuando el agua fluye a través de la cámara del ánodo, disuelve el cloro y sus compuestos. Si se añade la cantidad necesaria de esta mezcla al agua, se puede purificar. La solución que sale de la cámara del ánodo en los reactores de membrana es ácida, con un pH de aproximadamente 2-3. Los electrodos fijos de titanio, que son resistentes a la corrosión en el ánodo, son adecuados para este tipo de celdas de electrólisis. [13]
La estructura de la celda sin membrana es similar a la de una celda con membrana, con la excepción de que tiene una entrada de solución de salmuera y una salida para los productos. En este caso, los productos del ánodo y el cátodo se mezclan y van a la salida de la celda. Dado que el pH de la solución producida es de alrededor de 8-9, el uso de esta solución para la desinfección puede no ser adecuado para aplicaciones sensibles a las bases. Se agrega una solución ácida para reducir el pH en estas situaciones. Este tipo de celda puede ser unipolar o bipolar, como se describe a continuación. [14]
Las celdas de electrólisis con más de un par de ánodo y cátodo tienen dos tipos de disposición: unipolar y bipolar.
Disposición unipolar : las celdas están dispuestas en paralelo y, por lo tanto, tienen la misma diferencia de potencial entre el par ánodo-cátodo. El flujo de corriente total es igual a la suma de la corriente de cada par y el voltaje es igual al voltaje de un par. En este caso, el voltaje de todo el sistema es bajo y su corriente es alta. [14]
Disposición bipolar : las celdas están conectadas en serie. [14] La disposición bipolar tiene múltiples configuraciones. En un caso, los electrodos centrales de un lado actúan como ánodo y los del otro lado como cátodo. En otros casos, la mitad de la placa de electrodos de ambos lados es el ánodo y la otra mitad es el cátodo.
La aplicación de una solución de oxidante mixto para desinfectar el agua tiene varias ventajas en comparación con otros métodos, como el blanqueador de hipoclorito de sodio y el hipoclorito de calcio . El efecto desinfectante de la aplicación de oxidante mixto es más eficaz y presenta menos problemas de seguridad que otros métodos, como la cloración y la ozonización . En general, se considera más seguro y presenta menos riesgos. En la siguiente tabla se ofrece un resumen de la comparación entre los métodos de desinfección. [15]
En la siguiente tabla se ha comparado la eficacia de un oxidante mixto y de un blanqueador en términos de desactivación de bacterias y virus . En muchos casos, un oxidante mixto es más eficaz contra los patógenos, ya sea porque inactiva más patógenos, requiere menos tiempo de contacto o utiliza menos producto que el blanqueador. [16] Un MOS también es eficaz contra más bacterias y virus que el blanqueador. [16]
Una celda de producción de oxidantes mixtos generalmente funciona independientemente de la membrana. Cada una de estas estructuras tiene ventajas y desventajas que deben considerarse. La salida de la celda sin membrana contiene iones de hidróxido que aumentan el pH; por lo tanto, afecta la composición de los productos de salida. Para mantener el pH en el rango neutro, se debe agregar ácido clorhídrico o ácido sulfúrico al agua desinfectada. En este tipo de celda, el producto principal es hipoclorito de sodio. Por otro lado, en celdas con 1 membrana, la salida del ánodo (anolito) es ácida y la salida del cátodo (catolito) es básica. El anolito (solución ácida) contiene más de cuatro tipos de oxidantes, lo que puede hacer que la desinfección sea más efectiva. Los componentes de salida de estas dos celdas diferentes se comparan en la siguiente tabla. [14]
A un pH superior a 5, la mayor parte del ácido hipocloroso se convierte en iones de hipoclorito, que es un oxidante más débil en comparación con el ácido hipocloroso. Además, en una célula de membrana, se pueden producir otros oxidantes potentes como el ozono, el dióxido de cloro y el peróxido de hidrógeno, que son eficaces para matar bacterias y evitar [ aclaración necesaria ] las biopelículas en los sistemas de distribución de agua y los contenedores.
En la actualidad, los sistemas de celdas de membrana son una de las técnicas más prometedoras y de más rápido desarrollo para producir cloro-álcali (ver proceso de cloro-álcali ) y, sin duda, reemplazarán a otras técnicas. Desde 1987, prácticamente todas las nuevas plantas de cloro-álcali en todo el mundo aplican el sistema de membrana. Sin embargo, debido a su larga vida útil y los altos costos de reemplazo, las celdas de mercurio y diafragma existentes solo se están reemplazando muy lentamente por celdas de membrana. [14]
Las soluciones oxidantes mixtas para el tratamiento del agua pueden mejorar la seguridad, reducir los índices generales de corrosión, aumentar el rendimiento y ahorrar dinero. Los MOS pueden ser más eficaces que la lejía y se pueden utilizar para diversas aplicaciones. A continuación se citan algunas de estas aplicaciones.
Tratamiento de agua de refrigeración : un sistema de tratamiento y desinfección de agua de refrigeración industrial mejora la seguridad y la eficiencia térmica, reduce las tasas generales de corrosión, aumenta el rendimiento y ahorra dinero, lo que se traduce en una reducción del tiempo de inactividad , el mantenimiento y los gastos. Además, puede mejorar la seguridad en el lugar de trabajo al eliminar la manipulación y el almacenamiento de productos químicos peligrosos, manteniendo al mismo tiempo un control microbiológico constante . [17]
Tratamiento del agua de la torre de enfriamiento : un MOS mejora la eficiencia, la seguridad y el costo de la torre de enfriamiento en comparación con los métodos de tratamiento con biocidas convencionales para la prevención de legionella, la eliminación de biopelículas y la inactivación de otros organismos transmitidos por el agua que inhiben el rendimiento. [18]
Tratamiento de aguas residuales y de procesos industriales : como proveedor de cloro de menor costo para la desinfección y oxidación de aguas residuales y de procesos antes de su descarga, se utiliza un MOS en el tratamiento de aguas residuales industriales. La química MOS es más eficaz en el control de biopelículas. Eliminación de la demanda química y bioquímica de oxígeno, cloración del punto de ruptura del amoníaco y eliminación de sulfuro de hidrógeno . [19]
Aguas residuales municipales : como uno de los recursos naturales más valiosos del mundo , la reutilización del agua está adquiriendo cada vez mayor importancia. La MOS es la solución más rentable y la tecnología preferida para la desinfección y oxidación de aguas residuales para su reutilización o reintroducción en el medio ambiente, eliminando muchos de los problemas negativos asociados con la desinfección tradicional con cloro. [19]
Instalaciones de agua potable y bebidas : un MOS es un desinfectante probado para mejorar la calidad y la seguridad del agua potable con un importante ahorro económico. Su uso se aplica tanto en comunidades rurales como en grandes ciudades, y también en instalaciones de alimentos y bebidas. Es ideal para embotellar refrescos carbonatados , elaborar cerveza , granjas lecheras y aplicaciones de procesamiento de alimentos y productos lácteos. [20]
Acuáticos y piscinas: Una alternativa al cloro para la limpieza de piscinas es el MOS. Puede reducir la irritación de la piel y los ojos, y el enrojecimiento y la sequedad de la piel que suelen asociarse con el cloro. Un MOS también puede reducir el tiempo y los costes de mantenimiento en comparación con el cloro, ya que la necesidad de " tratar con un tratamiento de choque " y vaciar la piscina se reduce al mínimo o resulta innecesaria. [21]
Aplicaciones agrícolas : Existen muchas necesidades de desinfección para las cuales se utiliza un MOS en aplicaciones agrícolas, como abrevadero de ganado , desinfección de agua potable, lechería, operaciones de ordeño, inmersión previa y posterior de pezones, desinfectante CIP, tratamiento de almohadillas de humidificación y enfriamiento de aves de corral , limpieza de líneas de riego y goteo, y eliminación de hierro y manganeso del suministro de agua. [19]
Gestión del agua en el sector del petróleo crudo y el gas : la recuperación mejorada de petróleo casi siempre implica algún tipo de proceso de tratamiento del agua. La tecnología de tratamiento del agua en la industria del petróleo crudo y el gas incluye el tratamiento de desinfección del agua producida, el agua de fracturación, los pozos de eliminación, la recuperación mejorada de petróleo y la eliminación de sulfuro de hidrógeno . [22]