El ablandamiento del agua es la eliminación del calcio , el magnesio y algunos 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 uniéndose a los iones de calcio. El agua blanda también prolonga la vida útil de las tuberías al reducir o eliminar la acumulación de sarro en tuberías y accesorios. El ablandamiento del agua generalmente se logra mediante ablandamiento de cal o resinas de intercambio iónico , pero cada vez más se logra mediante nanofiltración u 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 provoca 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 efluente del proceso de regeneración puede precipitar incrustaciones que pueden interferir con los sistemas de alcantarillado. [3]
La sensación resbaladiza asociada al lavado con agua blanda es causada por la atracción más débil del jabón hacia los iones del agua cuando se le ha quitado a ésta su contenido mineral. La superficie de la piel humana tiene una carga ligera con la que el jabón tiende a adherirse, requiriendo más esfuerzo y un mayor volumen de agua para eliminarlo. [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 medios más comunes para eliminar la dureza del agua son las resinas de intercambio iónico o la ósmosis inversa . Otros enfoques 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 para ablandar el agua destinados a 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 NSF/ANSI 44 , [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 más fuertemente que los cationes monovalentes (Na + ). Los materiales inorgánicos llamados zeolitas también exhiben propiedades de intercambio iónico. Estos minerales se utilizan ampliamente en los detergentes para ropa . También hay resinas disponibles para eliminar los iones carbonato, bicarbonato y sulfato que se absorben y los iones hidróxido que se liberan de la resina. [8]
Cuando todos los iones Na + disponibles han sido sustituidos por iones de calcio o magnesio, se debe recargar la resina eluyendo los iones Ca 2+ y Mg 2+ utilizando una solución de cloruro de sodio o hidróxido de sodio , según el 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 sigue los siguientes pasos: [10]
El ablandamiento con cal es el proceso en el que se agrega cal al agua dura para suavizarla. Tiene varias ventajas [ se necesita más explicación ] sobre el método de intercambio iónico, pero se adapta principalmente a aplicaciones de tratamiento comerciales. [12]
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 comúnmente utilizado es el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA), que puede existir como una sal tetrasódica o disódica. Debido a las preocupaciones sobre la toxicidad ambiental y acuática relacionadas con el uso generalizado de EDTA en productos para el hogar y el 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 bicarbonato de sodio (Na 2 CO 3 ), que convierte los cloruros y sulfatos de calcio y magnesio en sus respectivos carbonatos, que precipitan.
CaCl 2 + Na 2 CO 3 --> CaCO 3 + 2NaCl
MgSO 4 + Na 2 CO 3 --> MgCO 3 + Na 2 SO 4
Dado que Ca 2+ y Mg 2+ existen como sales no volátiles, pueden eliminarse destilando el agua. La destilación es cara 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 pasarán a través de los poros. El suministro de agua blanda resultante está libre de iones de dureza sin que se añada ningún otro ion. Las membranas son un tipo de filtro de agua que requiere una limpieza regular o un mantenimiento de reemplazo.
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 porque sus poros tienen ≤ 10 nanómetros de diámetro. El proceso se utiliza a menudo junto con la filtración por ósmosis inversa, ya que la nanofiltración por sí sola no es tan eficaz y más cara que los métodos químicos de tratamiento 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 los minerales no se adhieren a las superficies. Dado que estos sistemas no funcionan mediante el intercambio de iones, como lo hacen los ablandadores de agua tradicionales, un beneficio reclamado para el usuario es la eliminación de la necesidad de agregar sal al sistema. Estos sistemas no eliminan los minerales del agua misma. Más bien, sólo pueden alterar los efectos aguas abajo que de otro modo tendrían las aguas minerales. Estos sistemas no entran dentro del término "ablandamiento de agua" sino más bien "acondicionamiento de agua". [ cita necesaria ]
Afirmaciones similares para el tratamiento magnético del agua no se consideran válidas. Por ejemplo, cuando se probó científicamente un dispositivo magnético de este tipo no se encontró ninguna reducción en la formación de incrustaciones. [15]
La eliminación o sustitución de minerales en el agua dura se denomina ablandamiento del agua. Un tratamiento de agua alternativo se llama acondicionamiento del agua, en el que los minerales permanecen en el agua, pero se modifican para que no formen incrustaciones. Aunque Estados Unidos tiene estándares para medir los minerales en el agua, no tiene estándares para medir la capacidad del agua para formar incrustaciones. En cambio, los investigadores estadounidenses utilizan el protocolo alemán DVGW-W512. [dieciséis]
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 necesaria ]
Cuando se calienta agua dura en un sistema de plomería, el dióxido de carbono sale de la solución y los bicarbonatos se convierten en carbonatos, que son mucho menos solubles. Los carbonatos se unen a las superficies de las tuberías y proporcionan cristales semilla para un mayor crecimiento cristalino, que se acumula en forma de incrustaciones duras. [ cita necesaria ]
Los dispositivos de tratamiento físico de 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 se calienta el agua, los minerales cristalizarán en estas semillas, en lugar del sistema de plomería. 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 de intercambio iónico; consulte la tabla a continuación.
El agua fría y dura pasa a través de un tanque que contiene pequeñas perlas poliméricas con superficies que permiten la nucleación de pequeñas burbujas 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 por un pozo de agua, como cuando se desprende la tapa de una botella de cerveza. Una vez que el dióxido de carbono sale del líquido, una reacción química provoca 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 exsolución de dióxido de carbono debido al aumento de temperatura y se produce un crecimiento de nuevos cristales en las partículas, en lugar de en el calentador de agua. Una vez que la calcita aparece en el agua, preferirá formarse calcita nueva sobre la calcita vieja debido a los enlaces disponibles en los cristales y la proximidad y la cantidad de superficies de calcita en el agua. [ cita necesaria ]
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 necesaria ] y algunos tienen un revestimiento cerámico. Las pruebas realizadas en la Universidad de Arizona y en otros lugares han demostrado que los tanques TAC son eficaces para reducir la formación de incrustaciones, aunque ligeramente menos eficaces que el intercambio iónico u otro tratamiento químico. 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 simplicidad, bajo mantenimiento, falta de efluentes tóxicos (como 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 áreas donde el agua se evapora aún mostrarán depósitos. Los fabricantes afirman que estos depósitos son más fáciles de limpiar ya que la calcita se forma en los cristales de semillas en lugar de en las superficies. [ cita necesaria ]
El Servicio Nacional de Salud del Reino Unido recomienda una ingesta máxima de sal de 6 g, frente a la ingesta actual real de 8,1 g. Los CDC de EE. UU . recomiendan 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 ablandarse, no representa un porcentaje significativo de la ingesta diaria de sodio de una persona, la EPA de 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 el agua ablandada era de 278 mg/L. [23] En 2 litros de agua, la cantidad de agua potable típicamente sugerida para un adulto promedio, esto constituye aproximadamente el 22% de la ingesta de sodio recomendada por los CDC de EE. UU. y puede marcar una diferencia para aquellos que necesitan limitar significativamente su consumo de sodio. . [ cita necesaria ] 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 necesaria ] 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 hiperpotasemia pueden provocar complicaciones como arritmia cardíaca . [ cita necesaria ]
Los altos niveles de dureza del agua en el hogar también pueden estar relacionados con el desarrollo de eccema en las primeras etapas de la vida, [24] aunque la relación real es correlacional en el momento actual y se requieren más investigaciones para establecer una relación causal.
El agua ablandada (medida como índice de carbonato de sodio residual ) en la que el calcio y el magnesio han sido reemplazados parcialmente por sodio no es adecuada para el riego, ya que tiende a provocar el desarrollo de suelos alcalinos . [25] A menudo se utilizan dispositivos no químicos en lugar del ablandamiento de agua tradicional para esta aplicación.
