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Medición de la dureza del agua mediante titulación con electrodos fotométricos

La dureza del agua se refiere a la cantidad de minerales disueltos en el agua y en gran parte es el resultado del calcio y el magnesio. Con base en la concentración de estos minerales disueltos, el agua se puede clasificar en “blanda” o como diferentes grados de “dureza” (Figura 1), donde tales minerales son inherentes a la fuente del agua debido a la ubicación geográfica y la composición de la tierra.

Figura 1. Intervalos de concentración de la dureza del agua en miligramos por litro (1)
ClasificaciónCaCO3(mg/L)
Blanda≤60
Moderadamente dura61-120
Dura121-180
Muy dura>180

 

¿Cómo podemos saber si tenemos un agua dura?

Si los niveles de dureza son lo suficientemente altos como para considerar que el agua es “dura”, es posible que se sientan los efectos cuando se usa jabón. Los niveles altos de calcio y otros minerales disueltos presentes en el agua dura reaccionan con el jabón, produciendo menos espuma, reduciendo la efectividad del agente de limpieza y eventualmente formando depósitos conocidos como “espuma de jabón”. Si alguna vez ha lavado una gran cantidad de platos y ha notado la presencia de manchas y/o películas después de lavar y secar, comprende las consecuencias estéticas que el agua dura puede tener en los procesos de limpieza. Sin embargo, cuando se calienta el agua dura, estos minerales disueltos son más propensos a precipitarse. El compuesto más común es el carbonato de calcio (CaCO3), que tiene el potencial de causar costosos problemas mecánicos tanto para los usuarios de aguas domésticas como industriales. Estos depósitos comúnmente se denominan “escamas”, los cuales pueden aumentar los costos de calentar el agua y reducir la eficiencia y la vida útil de los calentadores de agua eléctricos y otros equipos. El CaCO3 también se puede acumular en las tuberías, lo que reduce la presión y provoca obstrucciones. En general, la medición de la dureza del agua se realiza comúnmente en el tratamiento de agua y aplicaciones industriales basadas en agua, tales como agua potable, agua residual y torres de enfriamiento.

Cuando se realiza la medición de la dureza del agua, el calcio y el magnesio son los dos constituyentes usados para determinar la dureza total del agua debido a que ambos son los mayores contribuidores. Los resultados de la dureza se expresan en miligramos de CaCO3 equivalente a la cantidad total del calcio y magnesio presente en un litro de agua, o mg/L de CaCO3.

¿Cómo puedo realizar la prueba de la dureza del agua?

La titulación es el estándar de referencia cuando se mide la dureza del agua, donde el calcio y el magnesio forman complejos con el titulante, EDTA. Cuando se realiza esta titulación con un titulador potenciométrico automático, existen dos formas diferentes para controlar esta reacción: (1) con un electrodo de ion-selectivo de calcio (ISE), o (2) un electrodo fotométrico. El uso de uno frente al otro se basa en el objetivo de medición general y la preferencia del usuario, ambos métodos tienen ventajas y desventajas (Figura 2). Detallaremos las diferencias entre los dos procedimientos para ayudarlo a determinar qué método es más apropiado para su aplicación.

 

Figura 2. Ventajas y desventajas de la determinación de la dureza de calcio con un electrodo ISE y fotométrico (3)
 ISE CalcioElectrodo fotométrico
VentajasDetermina el calcio y el magnesio en una titulación (una muestra)Se requiere menor mantenimiento del electrodo
Cambios mínimos en el procedimiento de titulación manual
DesventajasEl electrodo requiere mayor mantenimientoSe requieren dos titulaciones por separado (dos muestras) para determinar la dureza de calcio y magnesio
Costos de inicio y recurrentes más altos (ISE, módulos y reactivos químicos requeridos)

 

Método de ISE de calcio

En presencia de la solución amortiguadora TRIS, el electrodo ISE de calcio se puede utilizar para detectar tanto el calcio como el magnesio en una titulación, donde cada ion se diferencia y muestra con su propio punto de equivalencia específico (Figura 3). Una vez completada la titulación, los resultados son calculados automáticamente para la dureza total, la dureza de calcio y dureza de magnesio. Esto permite utilizar una sola muestra para los tres analitos, beneficiando a los usuarios que tienen un alto número de muestras. Sin embargo, este método requiere costos iniciales y recurrentes ligeramente más altos para los consumibles y materiales necesarios; un electrodo de ion selectivo tiene un costo promedio entre $800 y $1000 dólares. Además, los electrodos de ion selectivo requieren más tiempo para la preparación y mantenimiento, representando una curva de aprendizaje más profunda para quienes no están familiarizados con los electrodos de ion selectivo.

Figura 3. Titulación de dos puntos de equivalencia (EQPT) mediante el método ISE de calcio, donde EQPT 1 (7.528 mL) se refiere a la dureza de calcio y el EQPT 2 (1.682 mL) se refiere a la dureza de magnesio.

Método de electrodo fotométrico

Según lo dictado por los Métodos Estándar para la examinación de agua potable y aguas residuales (3), la dureza total y la dureza de calcio se pueden determinar con un indicador de color, donde la dureza de magnesio se calcula por deducción, como se muestra en la siguiente ecuación:

Dureza de magnesio = Dureza total (Titulación No. 1) – Dureza de calcio (Titulación No. 2)

En presencia de un indicador de color, la solución de prueba cambiará de color, lo que indica el punto final de la titulación. Los indicadores de color se utilizan cuando se titula manualmente la dureza y también se pueden utilizar en la titulación automática con el uso de un electrodo fotométrico. Las titulaciones manuales usualmente se ven afectadas por los errores humanos (debido a la determinación subjetiva del punto final del color), las titulaciones automáticas omiten esta subjetividad mediante el uso un electrodo para determinar el cambio de color.

Con el lanzamiento de los electrodos fotométricos basados en aplicaciones de Hanna Instruments, esta detección alternativa de indicadores de color es ahora más accesible y asequible que nunca. Al crear cuatro diferentes electrodos fotométricos en diferentes longitudes de onda, Hanna Instruments ha reducido significativamente el costo de una determinación fotométrica, permitiendo la compra de una longitud de onda única a aproximadamente $400 dólares en lugar de un electrodo innecesario basado en longitudes de onda múltiples, que cuesta más de $3,000 dólares. Los electrodos fotométricos requieren un mantenimiento mínimo y costos recurrentes significativamente más bajos donde, para los clientes que actualmente realizan pruebas mediante titulaciones manuales, los procedimientos y los reactivos químicos actuales se pueden transferir sin problemas a la automatización. Sin embargo, para determinar todos los componentes de la dureza con esta metodología, se requieren dos titulaciones separadas (y por lo tanto dos muestras separadas). Para algunos, esto podría ser problemático para el procesamiento de alto rendimiento o cuando existen limitaciones con un volumen de muestra pequeña.

Figura 4. Procedimiento para la determinación de la dureza mediante el método fotométrico y el ISE
Titulación automática
Y
o
Electrodo fotométrico de 525 nmISE de calcio
 

 

Titulación #1Titulación #2Titulación
 

 

Dureza total

pH 10-12

Indicador de color #1

Dureza de calcio

pH>12

Indicador de color #2

Dureza total, dureza de calcio y dureza de magnesio

pH 10 – 12

No requiere indicador de color

 

 

Dureza de magnesio = Dureza total (Tit. #1) – Dureza de calcio (Tit #2)

 

Breve resumen:

Para resumir, al investigar las opciones para la automatización interna de la dureza del agua, es importante considerar los recursos y los objetivos para hacerlo.

  1. ¿Realiza actualmente titulaciones manuales internas y prefiere limitar los cambios al procedimiento?
  2. ¿Tiene un alto número de muestras por día (>25)?
  3. ¿Cuánto tiempo se asignará a las pruebas diarias?
  4. ¿La gran mayoría de las muestras requieren la dureza total, dureza de calcio y magnesio?
  5. ¿Cuáles son los conocimientos técnicos de quienes realizan las pruebas?

Al responder estas preguntas, estará mejor equipado para determinar qué metodología es la más apropiada para su aplicación y organización

A continuación, se mencionan las especificaciones de los electrodos fotométricos HI90060x.

 

Intervalo de mV 10 a 1100 mV
Longitud de onda/ color LEDHI900601 @ 525 nm / LED verde

HI900602 @ 625 nm / LED rojo

HI900603 @ 590 nm / LED amarillo

HI900604 @ 470 nm / LED azul

Fuente de luzLED
Ciclo de mediciónLED pulsado a 1 kHz
Detector de luzFotocelda de silicona
Temperatura de la muestra0 a 75°C (32 a 167°F)
Material del cuerpoVidrio
Longitud del cuerpo/Longitud total122 mm/ 200 mm
Diámetro exterior12 mm
ConexiónBNC con cable de 1.5 metros para titulador o automuestreador
Suministro eléctricoConector ps/2 para conectar al Sistema de titulación
Condiciones ambientales0 a 50°C (32 a 122°F)
Información para ordenarSe suministra con manual de instrucción y certificado de calidad del electrodo

 

 

Fuente:

[1] USGS (https://www.usgs.gov/special-topic/water-science-school/science/hardness-water?qt-science_center_objects=0#qt-science_center_objects)
[2] USGS (https://www.usgs.gov/media/images/map-water-hardness-united-states)
[3] Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater Methods 2340 C. and 3500-Ca D., EDTA Titrimetric Method

dureza del agua, electrodos fotometricos, titulacion

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