El agua dura es aquella que tiene un alto contenido de minerales (en contraste con el "agua blanda"). El agua dura se forma cuando el agua se filtra a través de depósitos de piedra caliza , tiza o yeso , [1] que están compuestos principalmente de carbonatos de calcio y magnesio , bicarbonatos y sulfatos .
Beber agua dura puede tener beneficios moderados para la salud. Puede plantear problemas críticos en entornos industriales, donde se controla la dureza del agua para evitar averías costosas en calderas , torres de refrigeración y otros equipos que manejan agua. En entornos domésticos, la dureza del agua suele indicarse por la falta de formación de espuma cuando se agita el jabón en el agua y por la formación de cal en las teteras y los calentadores de agua. [2] Siempre que la dureza del agua es una preocupación, se suele utilizar el ablandamiento del agua para reducir los efectos adversos del agua dura.
El agua de lluvia natural, la nieve y otras formas de precipitación suelen tener bajas concentraciones de cationes divalentes , como calcio y magnesio. Pueden tener pequeñas concentraciones de iones como sodio , cloruro y sulfato derivados de la acción del viento sobre el mar. Cuando la precipitación cae en cuencas de drenaje formadas por rocas duras, impermeables y pobres en calcio, solo se encuentran concentraciones muy bajas de cationes divalentes y el agua se denomina agua blanda . [3] Los ejemplos incluyen Snowdonia en Gales y las Tierras Altas Occidentales en Escocia.
Las áreas con geología compleja pueden producir distintos grados de dureza del agua en distancias cortas. [4] [5]
La dureza permanente del agua está determinada por la concentración de cationes en el agua con cargas mayores o iguales a 2+. Por lo general, los cationes tienen una carga de 2+, es decir, son divalentes . Los cationes comunes que se encuentran en el agua dura incluyen Ca 2+ y Mg 2+ , que con frecuencia ingresan a los suministros de agua al lixiviarse de los minerales dentro de los acuíferos . Los minerales comunes que contienen calcio son la calcita y el yeso . Un mineral de magnesio común es la dolomita (que también contiene calcio). El agua de lluvia y el agua destilada son blandas , porque contienen pocos de estos iones . [3]
La siguiente reacción de equilibrio describe la disolución y formación de carbonato de calcio y bicarbonato de calcio (a la derecha):
La reacción puede darse en cualquier dirección. La lluvia que contiene dióxido de carbono disuelto puede reaccionar con el carbonato de calcio y llevarse consigo los iones de calcio. El carbonato de calcio puede volver a depositarse en forma de calcita a medida que el dióxido de carbono se pierde en la atmósfera, formando a veces estalactitas y estalagmitas .
Los iones de calcio y magnesio a veces se pueden eliminar mediante ablandadores de agua. [6]
La dureza permanente (contenido mineral) generalmente es difícil de eliminar mediante ebullición . [7] Si esto ocurre, generalmente se debe a la presencia de sulfato de calcio / cloruro de calcio y/o sulfato de magnesio / cloruro de magnesio en el agua, que no precipitan a medida que aumenta la temperatura . Los iones que causan la dureza permanente del agua se pueden eliminar utilizando un ablandador de agua o una columna de intercambio iónico .
La dureza temporal es causada por la presencia de minerales de bicarbonato disueltos ( bicarbonato de calcio y bicarbonato de magnesio ). Cuando se disuelven, estos tipos de minerales producen cationes de calcio y magnesio (Ca 2+ , Mg 2+ ) y aniones de carbonato y bicarbonato ( CO 2−
3y HCO−
3). La presencia de cationes metálicos hace que el agua sea dura. Sin embargo, a diferencia de la dureza permanente causada por los compuestos de sulfato y cloruro , esta dureza "temporal" se puede reducir ya sea hirviendo el agua o mediante la adición de cal ( hidróxido de calcio ) a través del proceso de ablandamiento con cal . [8] La ebullición promueve la formación de carbonato a partir del bicarbonato y precipita el carbonato de calcio fuera de la solución, dejando agua que es más suave al enfriarse.
Con agua dura, las soluciones de jabón forman un precipitado blanco ( espuma de jabón ) en lugar de producir espuma , porque los iones 2+ destruyen las propiedades tensioactivas del jabón formando un precipitado sólido (espuma de jabón). Un componente principal de dicha espuma es el estearato de calcio , que surge del estearato de sodio , el componente principal del jabón :
La dureza puede definirse como la capacidad de una muestra de agua para absorber jabón, o como la capacidad de precipitación del jabón, propiedad característica del agua que impide la formación de espuma. Los detergentes sintéticos no forman este tipo de espuma.
Como el agua blanda tiene pocos iones de calcio, no se inhibe la acción espumante de los jabones y no se forman restos de jabón en el lavado normal. De manera similar, el agua blanda no produce depósitos de calcio en los sistemas de calentamiento de agua .
El agua dura también forma depósitos que obstruyen las tuberías. Estos depósitos, llamados " incrustaciones ", están compuestos principalmente de carbonato de calcio (CaCO3 ) , hidróxido de magnesio (Mg(OH) 2 ) y sulfato de calcio (CaSO4 ) . [3] Los carbonatos de calcio y magnesio tienden a depositarse como sólidos blanquecinos en las superficies internas de las tuberías y los intercambiadores de calor . Esta precipitación (formación de un sólido insoluble) es causada principalmente por la descomposición térmica de los iones de bicarbonato, pero también ocurre en casos en los que el ión carbonato está en concentración de saturación. [9] La acumulación de incrustaciones resultante restringe el flujo de agua en las tuberías. En las calderas, los depósitos perjudican el flujo de calor hacia el agua, lo que reduce la eficiencia de calentamiento y permite que los componentes metálicos de la caldera se sobrecalienten. En un sistema presurizado, este sobrecalentamiento puede provocar la falla de la caldera. [10] El daño causado por los depósitos de carbonato de calcio varía según la forma cristalina, por ejemplo, calcita o aragonito . [11]
La presencia de iones en un electrolito , en este caso, agua dura, también puede provocar corrosión galvánica , en la que un metal se corroerá preferentemente cuando entre en contacto con otro tipo de metal cuando ambos estén en contacto con un electrolito. El ablandamiento del agua dura mediante intercambio iónico no aumenta su corrosividad per se . De manera similar, cuando se utilizan tuberías de plomo, el agua ablandada no aumenta sustancialmente la plumbo -solvencia. [12]
En las piscinas, el agua dura se manifiesta por un aspecto turbio o turbio (lechoso). Los hidróxidos de calcio y magnesio son solubles en agua. La solubilidad de los hidróxidos de los metales alcalinotérreos a los que pertenecen el calcio y el magnesio ( grupo 2 de la tabla periódica ) aumenta a medida que desciende por la columna. Las soluciones acuosas de estos hidróxidos metálicos absorben dióxido de carbono del aire, formando carbonatos insolubles y dando lugar a turbidez. Esto suele deberse a que el pH es excesivamente alto (pH > 7,6). Por tanto, una solución habitual al problema es, manteniendo la concentración de cloro en el nivel adecuado, reducir el pH añadiendo ácido clorhídrico ; el valor óptimo está en el rango de 7,2 a 7,6.
En algunos casos es conveniente ablandar el agua dura. La mayoría de los detergentes contienen ingredientes que contrarrestan los efectos del agua dura sobre los surfactantes. Por este motivo, la ablandación del agua suele ser innecesaria. Cuando se practica la ablandación, a menudo se recomienda ablandar solo el agua enviada a los sistemas de agua caliente sanitaria para evitar o retrasar las ineficiencias y los daños debidos a la formación de incrustaciones en los calentadores de agua. Un método común para ablandar el agua implica el uso de resinas de intercambio iónico , que reemplazan iones como Ca 2+ por el doble de la cantidad de monocationes como los iones de sodio o potasio .
El carbonato de sodio ( Na2CO3 ) se obtiene fácilmente y desde hace mucho tiempo se utiliza como ablandador de agua para la ropa doméstica, junto con el jabón o detergente habitual .
El agua que ha sido tratada mediante un descalcificador puede denominarse agua descalcificada . En estos casos, el agua también puede contener niveles elevados de sodio o potasio y de iones de bicarbonato o cloruro .
La Organización Mundial de la Salud afirma que "no parece haber ninguna evidencia convincente de que la dureza del agua cause efectos adversos para la salud de los seres humanos". [2] De hecho, el Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos ha descubierto que el agua dura sirve como complemento dietético de calcio y magnesio. [13]
Algunos estudios han demostrado una relación inversa débil entre la dureza del agua y las enfermedades cardiovasculares en los hombres, hasta un nivel de 170 mg de carbonato de calcio por litro de agua. La Organización Mundial de la Salud ha revisado la evidencia y ha llegado a la conclusión de que los datos eran inadecuados para recomendar un nivel de dureza. [2]
Se han hecho recomendaciones para los niveles mínimos y máximos de calcio (40–80 ppm ) y magnesio (20–30 ppm) en el agua potable, y una dureza total expresada como la suma de las concentraciones de calcio y magnesio de 2–4 mmol/L. [14]
Otros estudios han demostrado correlaciones débiles entre la salud cardiovascular y la dureza del agua. [15] [16] [17]
La prevalencia de dermatitis atópica (eczema) en niños puede aumentar si se bebe agua dura. [18] [19] Vivir en zonas con agua dura también puede influir en el desarrollo de dermatitis atópica en los primeros años de vida. Sin embargo, cuando la dermatitis atópica ya está establecida, el uso de descalcificadores de agua en el hogar no reduce la gravedad de los síntomas. [19]
La dureza se puede cuantificar mediante análisis instrumental . La dureza total del agua es la suma de las concentraciones molares de Ca 2+ y Mg 2+ , en unidades mol/L o mmol/L. Aunque la dureza del agua suele medir solo las concentraciones totales de calcio y magnesio (los dos iones metálicos divalentes más frecuentes ), el hierro , el aluminio y el manganeso también están presentes en niveles elevados en algunos lugares. La presencia de hierro confiere característicamente un color pardusco ( similar al óxido ) a la calcificación, en lugar de blanco (el color de la mayoría de los demás compuestos).
La dureza del agua no suele expresarse como una concentración molar, sino en varias unidades, como grados de dureza general ( dGH ), grados alemanes (°dH), partes por millón (ppm, mg/L o grados americanos), granos por galón (gpg), grados ingleses (°e, e o °Clark ) o grados franceses (°fH, °f o °HF; se utiliza f minúscula para evitar confusiones con grados Fahrenheit ). La siguiente tabla muestra los factores de conversión entre las distintas unidades.
Las distintas unidades alternativas representan una masa equivalente de óxido de calcio (CaO) o carbonato de calcio (CaCO 3 ) que, al disolverse en una unidad de volumen de agua pura, daría como resultado la misma concentración molar total de Mg 2+ y Ca 2+ . Los diferentes factores de conversión surgen del hecho de que las masas equivalentes de óxido de calcio y carbonatos de calcio difieren y que se utilizan diferentes unidades de masa y volumen. Las unidades son las siguientes:
Como es la mezcla precisa de minerales disueltos en el agua, junto con el pH y la temperatura del agua, lo que determina el comportamiento de la dureza, una escala de un solo número no describe adecuadamente la dureza. Sin embargo, el Servicio Geológico de los Estados Unidos utiliza la siguiente clasificación para el agua dura y blanda: [5]
El agua de mar se considera muy dura debido a las diversas sales disueltas que contiene. Normalmente, la dureza del agua de mar se sitúa en torno a los 6.570 ppm (6,57 gramos por litro). [21] En cambio, el agua dulce tiene una dureza de entre 15 y 375 ppm, generalmente alrededor de 600 mg/L. [22]
Se utilizan varios índices para describir el comportamiento del carbonato de calcio en mezclas de agua, aceite o gas. [23]
El índice de saturación de Langelier [24] (a veces denominado índice de estabilidad de Langelier) es un número calculado que se utiliza para predecir la estabilidad del carbonato de calcio del agua. [25] Indica si el agua precipitará, se disolverá o estará en equilibrio con el carbonato de calcio. En 1936, Wilfred Langelier desarrolló un método para predecir el pH al que el agua está saturada de carbonato de calcio (denominado pH s ). [26] El LSI se expresa como la diferencia entre el pH real del sistema y el pH de saturación: [27]
Si el pH real del agua está por debajo del pH de saturación calculado, el LSI es negativo y el agua tiene un potencial de formación de incrustaciones muy limitado. Si el pH real supera los pH, el LSI es positivo y, al estar sobresaturada con CaCO3 , el agua tiende a formar incrustaciones. A medida que aumentan los valores positivos del índice, aumenta el potencial de formación de incrustaciones.
En la práctica, el agua con un LSI entre −0,5 y +0,5 no mostrará propiedades mejoradas de disolución de minerales ni de formación de incrustaciones. El agua con un LSI inferior a −0,5 tiende a mostrar capacidades de disolución notablemente mayores, mientras que el agua con un LSI superior a +0,5 tiende a mostrar propiedades de formación de incrustaciones notablemente mayores.
El índice de fluidez en agua (LSI) es sensible a la temperatura. El índice de fluidez en agua se vuelve más positivo a medida que aumenta la temperatura del agua. Esto tiene implicaciones particulares en situaciones en las que se utiliza agua de pozo. La temperatura del agua cuando sale por primera vez del pozo suele ser significativamente inferior a la temperatura dentro del edificio abastecido por el pozo o en el laboratorio donde se realiza la medición del índice de fluidez en agua. Este aumento de temperatura puede provocar incrustaciones, especialmente en casos como los calentadores de agua. Por el contrario, los sistemas que reducen la temperatura del agua tendrán menos incrustaciones.
El índice de estabilidad de Ryznar (RSI) [24] : 525 utiliza una base de datos de mediciones de espesor de escala en sistemas de agua municipales para predecir el efecto de la química del agua. [25] : 72 [28] Se desarrolló a partir de observaciones empíricas de tasas de corrosión y formación de películas en tuberías de acero.
Este índice se define como: [29]
El índice de incrustación de Puckorius (PSI) utiliza parámetros ligeramente diferentes para cuantificar la relación entre el estado de saturación del agua y la cantidad de cal depositada.
Otros índices incluyen el índice Larson-Skold, [30] el índice Stiff-Davis, [31] y el índice Oddo-Tomson. [32]
La dureza de los suministros de agua locales depende de la fuente de agua. El agua de los arroyos que fluyen sobre rocas volcánicas (ígneas) será blanda, mientras que el agua de los pozos perforados en rocas porosas normalmente es muy dura.
El análisis de la dureza del agua en las principales ciudades australianas realizado por la Asociación Australiana del Agua muestra un rango que va desde muy blanda (Melbourne) hasta dura (Adelaida). Los niveles de dureza total del carbonato de calcio en ppm son:
Las provincias de las praderas (principalmente Saskatchewan y Manitoba ) contienen grandes cantidades de calcio y magnesio, a menudo en forma de dolomita , que son fácilmente solubles en las aguas subterráneas que contienen altas concentraciones de dióxido de carbono atrapado de la última glaciación . En estas partes de Canadá, la dureza total en ppm de carbonato de calcio equivalente con frecuencia supera las 200 ppm, si el agua subterránea es la única fuente de agua potable. La costa oeste, por el contrario, tiene agua inusualmente blanda, derivada principalmente de lagos de montaña alimentados por glaciares y nieve derretida.
Algunos valores típicos son:
La información de la British Drinking Water Inspectorate [58] muestra que el agua potable en Inglaterra generalmente se considera "muy dura", y la mayoría de las áreas de Inglaterra, particularmente al este de una línea entre los estuarios Severn y Tees , exhiben más de 200 ppm para el equivalente de carbonato de calcio. El agua en Londres, por ejemplo, se obtiene principalmente del río Támesis y el río Lea , los cuales obtienen una proporción significativa de su flujo de clima seco de manantiales en acuíferos de piedra caliza y tiza. Gales , Devon , Cornualles y partes del noroeste de Inglaterra son áreas de agua más blanda y varían de 0 a 200 ppm. [59] En la industria cervecera en Inglaterra y Gales, el agua a menudo se endurece deliberadamente con yeso en el proceso de burtonización .
En general, el agua es dura en las zonas urbanas de Inglaterra, donde no hay fuentes de agua blanda disponibles. Varias ciudades construyeron fuentes de suministro de agua en el siglo XVIII, cuando la Revolución Industrial y la población urbana crecieron. Manchester era una ciudad notable en el noroeste de Inglaterra y su rica corporación construyó varios embalses en Thirlmere y Haweswater, en el Distrito de los Lagos , al norte. No hay exposición a piedra caliza ni tiza en sus cabeceras y, en consecuencia, el agua de Manchester se clasifica como "muy blanda". [52] De manera similar, el agua del grifo en Birmingham también es blanda, ya que proviene de los embalses del valle de Elan en Gales, aunque el agua subterránea en el área es dura.
La EPA ha publicado un manual de normas para la interpretación de la calidad del agua en Irlanda en el que se dan definiciones de dureza del agua. [60]
En esta sección, se hace referencia a la documentación original de la UE, que no establece ningún límite para la dureza. El manual tampoco proporciona "valores límite recomendados u obligatorios" para la dureza. El manual sí indica que por encima del punto medio de los rangos definidos como "moderadamente duros", los efectos se observan cada vez más: "Las principales desventajas de las aguas duras son que neutralizan el poder espumante del jabón [...] y, lo que es más importante, que pueden provocar el bloqueo de las tuberías y reducir gravemente la eficiencia de la caldera debido a la formación de incrustaciones. Estos efectos aumentarán a medida que la dureza aumente hasta 200 mg/L de CaCO3 y más allá.
3."
Una recopilación de datos de los Estados Unidos encontró que aproximadamente la mitad de las estaciones de agua analizadas tenían una dureza superior a 120 mg por litro de carbonato de calcio equivalente, lo que las colocaba en las categorías "duras" o "muy duras". [5] La otra mitad se clasificó como blanda o moderadamente dura. Más del 85% de los hogares estadounidenses tienen agua dura. [ cita requerida ] Las aguas más blandas se encuentran en partes de las regiones de Nueva Inglaterra , Atlántico Sur-Golfo, Noroeste del Pacífico y Hawái . Las aguas moderadamente duras son comunes en muchos de los ríos de las regiones de Tennessee , Grandes Lagos y Alaska . Se encuentran aguas duras y muy duras en algunos de los arroyos de la mayoría de las regiones de todo el país. Las aguas más duras (superiores a 1000 ppm) se encuentran en arroyos de Texas, Nuevo México, Kansas, Arizona, Utah, partes de Colorado, el sur de Nevada y el sur de California. [61] [62]
