Laboratorio de Ingenierıa AmbientalQuım. Ma. Teresa Moran y Moran

Ing. Leticia Espinosa Marvan

Practica 10: Demanda de Cloro y Cloro ResidualTrabajo Prelaboratorio

Francisco Jose Guerra MillanAdelwart Struck Garza

Santiago Andres Villalobos StetaMexico D.F., 27 de octubre de 2008.

Practica 10: Demanda de Cloro y Cloro ResidualTrabajo Prelaboratorio

1. Explicar que se entiende por demanda de cloro en el agua. Explicarque compuestos podrıan generar una demanda de cloro en el agua.¿Que compuestos forman el cloro libre y el cloro combinado? ¿Cuales la importancia de su presencia?

La demanda de cloro se define como la diferencia entre la cantidad de cloroaplicada al agua y la cantidad de cloro libre residual, combinado residual o totalresultante al final de un especıfico perıodo de contacto.

Las diferentes sustancias presentes en el agua, como lo es la materia organicay otros contaminantes, influyen en la demanda de cloro y complican el uso decloro para la desinfeccion. Por ello es necesario agregar suficiente cloro no solopara destruir organismos, sino tambien para compensar el cloro consumido poresas sustancias.

La demanda de cloro se debe a la gran variedad de reacciones entre el cloroactivo y los compuestos presentes en el agua y tambien en algunas circunstan-cias a su propia descomposicion.

Estas reacciones se puede agrupar del siguiente modo:

1. Las provocadas por la radiacion solar

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 1

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

2. Las que se producen entre el cloro activo y los compuestos inorganicos

3. Las reacciones del cloro activo con el amoniaco y el nitrogeno organico

4. Las producidas entre el cloro activo y los compuestos organicos

El cloro presente en el agua se aglutina con las bacterias, dejando solo unaparte de la cantidad original (cloro libre) para continuar su accion desinfectante.Si el nivel de cloro libre no es el que corresponde al pH, el agua tendra un olory sabor desagradables y el potencial desinfectante del cloro se vera disminuido.

El cloro libre reacciona con los iones de amoniaco y compuestos organicoshasta formar compuestos de cloro que dan como resultado una disminucion desu capacidad desinfectante si la comparamos con el cloro libre.

Los compuestos de cloro junto con las cloraminas forman el cloro combinado.El conjunto de cloro combinado y cloro libre da como resultado el cloro total.Mientras que el cloro libre tiene un potencial desinfectante superior, el clorocombinado tiene una mayor estabilidad y una menor volatilidad.

2. ¿Como es una curva de cloro residual? ¿Que significa el punto deruptura en esta curva? ¿Por que debe rebasarse este punto en la do-sificacion del cloro?

La Figura 1 muestra de forma ilustrativa la tendencia de una curva de clororesidual.

El punto de ruptura (“Breakpoint” en la Figura 1) es cuando se llega a unpunto en donde todo el amonio presente se oxida llegando a cloro residual. Es-to aplica generalmente para la desinfeccion del agua, pero tambien sirve paracontrolar el olor y el sabor. Para llegar al punto de ruptura se aplica una supercloracion, lo que implica concentraciones de cloro que excedan 1 mg/L.

La importancia de rebasar este punto radica en la obtencion de cloro librepara tener una mejor desinfeccion, siempre y cuando haya amoniaco en el agua.El cloro libre tiene una gran capacidad desinfectante pero se disipa rapidamente.Es por ello que se usa un tratamiento final con amoniaco para convertir el clorolibre a cloro combinado, el cual tiene un tiempo de vida mucho mas elevado.

3. ¿Que son los trihalometanos? ¿Como se generan y porque es inde-seable su presencia en el agua potable?

Los trihalometanos (THMs) son compuestos quımicos volatiles que se gene-ran durante el proceso de potabilizacion del agua por la reaccion de la materiaorganica, aun no tratada, con el cloro utilizado para desinfectar. En esta reac-cion se reemplazan tres de los cuatro atomos de hidrogeno del metano (CH4)

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 2

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

Figura 1: Curva de cloro residual.

por atomos halogenos.

Muchos trihalometanos son considerados peligrosos para la salud y el me-dio ambiente e incluso carcinogenos. La normativa de la Comunidad Europeaestablece que no se deben superar los cien microgramos de trihalometanos porlitro de agua para el consumo. No obstante, algunos se utilizan en la industriacomo disolventes o refrigerantes. La Figura 2 muestra algunos de los THMs mascomunes.

4. ¿Cuales otros metodos de desinfeccion existen? ¿Que ventajas ydesventajas presentan cada uno de estos metodos?

Entre los metodos para desinfeccion del agua mas habituales se encuentran elcloro, las cloraminas, el ozono, la radiacion ultravioleta y el carbon activado.

Cloraminas: Las cloraminas son un tipo de aminas organicas que se producencuando el amoniaco y el cloro (en forma de acido hipocloroso) reaccionan entresı. Cada vez se emplea mas la cloramina en lugar del cloro en las plantas detratamiento de agua, debido a que la cloramina es mucho mas estable y nodesaparece del agua asegurando la desinfeccion hasta el momento en que elagua llega al consumidor. En el tratamiento del agua con cloramina, se formamonocloramina (NH2Cl) al anadir cloro y amoniaco bajo ciertas condiciones.En el tratamiento del agua con cloro, los subproductos de desinfeccion que se

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 3

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

Figura 2: Tabla de trihalometanos comunes (ordenados por peso molecular).

forman son una combinacion de cloraminas inorganicas, a la que tambien sellama residuos combinados de cloro. En el aire, las cloraminas son un fuerteirritante respiratorio.

Ozono: El ozono es una molecula de caracter oxidante formada por tres ato-mos de oxıgeno. Su uso se ha ido generalizando con el paso del tiempo en ladesinfeccion de aguas, area donde muestra gran eficacia. Sus principales venta-jas son que no deja residuos quımicos y no confiere aromas u olores particularesal producto final, como ocurre con otros desinfectantes como el hipoclorito. Lacapacidad desinfectante del ozono se basa en su potencial oxidante, produciendouna intoxicacion intracelular que conduce a la muerte de los microorganismos.Consecuentemente, cuanto mas sucia este el agua (cuanto menos efectivos hayansido los sistemas de depuracion), menos efectivo sera el ozono, por lo que mayordebe ser la concentracin para lograr resultados optimos.

Radiacion UV: La irradiacion de los germenes presentes en el agua con rayosUV provoca una serie de danos en su molecula de ADN, que impiden la divisioncelular y causan su muerte. La luz ultravioleta a 253.7 nm, altera el materialDNA en las celulas para que los microbios, virus, mojo, alga y otros microor-ganismos no puedan reproducirse. Los microorganismos al estar consideradosmuertos se elimina el riesgo de enfermedad.

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 4

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

Carbon Activado: La aplicacion del Carbon Activado (CA) en el tratamien-to del agua esta enfocada en la retencion de materia organica. La decloracion,constituye una excepcion, porque el cloro no es un contaminante, sino un desin-fectante que agrega el hombre.?

5. ¿A que se denomina el Numero mas Probable de Coliformes?¿Que nos esta indicando?

El numero mas probable de coliformes (NMP) es un indicador de la presenciade microorganismos del grupo coliforme. El metodo del Numero Mas Probable,descrito por McCrady en 1914, se basa en que existe la posibilidad de detectarla presencia o ausencia de microorganismos del tipo coliformes en el agua perono es posible hacer un recuento directo de estos.

Las bacterias coliformes son bacilos cortos, gram negativos que fermentanla lactosa y forman acido y gas dentro de un periodo de 48 hrs. En general,se obtiene una combinacion de resultados positivos y negativos y existe unaconcentracion c que maximiza la probabilidad de obtener dicha combinacion.Esta concentracion c es la que se denomina NMP. Para el calculo del NMP seutilizan tablas estadısticas.

6. ¿Como se puede destruir o eliminar el exceso de cloro presente enel agua?

En el agua, el cloro queda disuelto en forma de acido hipocloroso (HClO),un acido debil que tiende a disociarse. Para eliminar el cloro libre se utilizacarbon activado granular. La eliminacion sucede de acuerdo a las siguientesreacciones:

HClO + CA → CAO + H+ + Cl− (1)2HClO + CA → CAO2 + 2H+ + 2Cl− (2)

En donde CA representa el carbon activado. Los oxidos superficiales poco apoco van ocupando espacios en la superficie del carbon Activado. Algunos deestos oxidos se liberan hacia la solucion, disolviendose como acido carbonico(HCO3), dejando espacios libres que alargan la vida del carbon activado. Almismo tiempo que el carbon activado granular actua como declorador, adsorbela materia organica presente en el agua.

7. Segun las normas oficiales de calidad del agua, ¿cual es la concen-tracion de cloro permisible en el agua potable?, ¿cual es la normapara la cantidad de coliformes presentes en agua potable y en aguasde descarga a rıos y lagos? ¿Cual es la norma de calidad del aguapotable para trihalometanos?

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 5

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

De acuerdo con las normas mexicanas NOM-003-SEMARNAT-1997 y NOM-127-SSA1-1994, el lımite permsible de cloro en el agua para consumo humanoes de 0.2 a 1.50 mg/L mientras que el lımite de trihalometanos es de 0.2 mg/L.

En la Figura 3 se muestran los lmites permisibles de coliformes en aguapotable y en aguas de descarga.

Figura 3: Tabla extraıda de la norma mexicana NOM-003-SEMARNAT-1997.

8. Hacer un diagrama de flujo estableciendo los pasos de la experi-mentacion a seguir, y asignando una actividad especıfica a cada unode sus miembros.

Preparacion y valoracion de la solucion estandar de cloro

Diluir 2 mL de la solucion de cloro comercial en 100 mL de agua destilada, enun matraz aforado.

(2 minutos. Francisco Guerra (FG))⇓

De esta solucion determinar el cloro libre total utilizando el Metodo detitulacion con tiosulfato que se muestra a continuacion haciendolo por

duplicado (a dos muestras).⇓

a) Colocar 2 mL de esta solucion medidos con pipeta volumetrica en unmatraz Erlenmeyer de 25 mL.

⇓b) Anadirle 0.5 mL. de acido sulfurico 0.1M o 0.25 mL de acido acetico

concentrado con una pipeta Beral.⇓

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 6

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

c) Anadirle unos cristales de yoduro de potasio (la punta de una espatula),mezclar la muestra hasta disolucion del yoduro de potasio y la liberacion de

yodo (coloracion amarillo-cafe).⇓

d) Si la muestra presenta un color amarillo claro, anadir unas gotas deindicador de almidon. Si la muestra todavıa muestra un color cafe oscuro,

titular con tiosulfato de potasio o sodio 0.01N hasta lograr el color amarillo, yen ese momento anadir el indicador de almidon. La solucion podra tomar una

coloracion verdosa o azul.⇓

e) Continuar titulando con el tiosulfato de sodio hasta lograr que el color azuldesaparezca y la solucion permanezca incolora por un minuto.

⇓f) Anotar el volumen total en mL (Y) y la normalidad del titulante utilizado,

ası como el tamano de la muestra valorada.(10 minutos. Adelwart Struck (AS))

Preparacion de la curva de calibracion

1. Para construir la curva de calibracion por el metodo espectrofotometricoutilizando el metodo de DFD se hara lo siguiente: tomar la solucion estandar

de cloro al 2 % en volumen preparada en el paso anterior, y preparar enmatraces aforados de 50 mL las diluciones de la Tabla 1:

(5 minutos. Santiago Villalobos (SV))⇓

Tabla 1: Diluciones.

Dilucion V de solucion base50 mL

1 0.12 0.33 0.54 0.75 0.96 1.1

Una vez preparadas las diluciones en los matraces aforados, continuar con elsiguiente procedimiento con cada una de ellas, para determinar el cloro total

presente por el Metodo de cloro total con DFD y lograr lecturas en elespectrofotometro entre 10 % y 90 % de transmitancia.

Metodo de Cloro Total con DFP

En un matraz Erlenmeyer de 10 o 25 mL, colocar 0.5 mL de buffer de fosfatos

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 7

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

con una pipeta Beral y anadir una pequena cantidad de indicador de DFDsolido con una espatula.

⇓Verter en el matraz 5 mL de la correspondiente dilucion, mezclar e

inmediatamente anadir 0.1 g de cristales de yoduro de potasio (punta deespatula mediana) y mezclar perfectamente hasta disolucion de los cristales.

Observar la formacion de la coloracion rosa o roja.(10 minutos. FG)

⇓Dejar reaccionar al menos 5 minutos. Al final de este tiempo llenar una celda

de espectrofotometro y medir en el espectrofotometro la absorbancia otransmitancia a una longitud de onda de 515 nm calibrando previamente con

agua destilada al 100 % de transmitancia.(10 minutos. AS)

⇓Una vez determinados estos valores y con la valoracion por titulacion realizada

a la solucion estandar por el metodo de titulacion con tiosulfato, calcular laconcentracion real de cada dilucion y relacionarla con la absorbancia, para

construir una curva de calibracion que nos permita relacionar, la concentracionde cloro presente con la absorbancia a 515 nm.

⇓Esta curva servira para determinar la concentracion en todo el resto de las

determinaciones.

Determinacion del cloro residual total, libre y combinado en el aguade la llave

Tomar una muestra de 5 mL del agua de la llave y determinarle el clororesidual total presente siguiendo la tecnica del Anexo I.1.

(15 minutos. SV)⇓

Tomar otra alıcuota de 5 mL del agua de la llave con una pipeta volumetrica,colocarla en un matraz de 25 mL y seguir el mismo procedimiento de

valoracion espectrofotometrica con DFD que se presenta en el Anexo I.2, I.3 yI.4 para determinarle el cloro libre, las monocloraminas y las dicloraminas

presentes.(17 minutos. AS)

⇓Anotar en cada caso la lectura de absorbancia y referirse a la curva de

calibracion construida inicialmente, para determinar la concentracion del cloroen su forma correspondiente, como se indica en el Anexo I.

Determinacion del cloro residual total, libre y combinado en el aguade salida de la planta de tratamiento de agua antes de cloracion

a) Colocar una alıcuota de 5 mL del agua de salida de la planta de tratamientode aguas antes de la cloracion y determinar el Cloro total utilizando el metodo

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 8

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

espectrofotometrico con DFD siguiendo la tecnica especificada en el Anexo I.1y midiendo en el espectrofotometro.

(15 minutos. FG)⇓

b) Tomar otra alıcuota de 5 mL y hacer en esta la valoracionespectrofotometrica para determinar el cloro libre y el cloro combinado,

utilizando nuevamente el metodo espectrofometrico (Anexo I.2, I.3 y I.4).Anotar las lecturas y determinar las concentraciones correspondientes de

acuerdo a la curva de calibracion y las indicaciones del anexo correspondiente.(17 minutos. AS)

Determinacion del cloro residual total, libre y combinado en el aguade salida de la planta de tratamiento de agua despues de cloracion

Tomar dos alıcuotas de 5 mL con pipeta volumetrica del agua de salida de laplanta de tratamiento de aguas despues de cloracion, colocar cada una en un

matraz de 25 mL y seguir el mismo procedimiento de valoracion que seutilizo en el inciso anterior. Anotar las lecturas y determinar las

concentraciones correspondientes de acuerdo a la curva de calibracion y lasindicaciones del anexo correspondiente.

(32 minutos. FG y SV)

Determinacion de la demanda de cloro del agua de salida de laplanta antes de clorar

a) Medir el pH del agua residual o agua de salida de la planta sin desinfectar(antes de la cloracion). Colocar en 10 matraces con tapon o Parafilm, 50 mLdel agua de salida de la planta sin desinfectar medida con probeta, y anadirlela cantidad de solucion estandar de cloro segun se indica en la siguiente tabla.

⇓b) En otro matraz igual colocar 50 mL de agua destilada que servira como

Testigo, anadiendole la cantidad de cloro como se indica la tabla.⇓

c) Anadir las dosis de la Tabla 2 a cada uno de los matraces, asegurando quese mezcle perfectamente en el momento de la dosificacion.

(10 minutos. AS)⇓

Mezclar intensamente, medir el pH de cada solucion y dejar reposar 30minutos exactamente como tiempo de reaccion, sin que le de la luz del sol

directamente. Se recomienda desfasar la dosificacion 5 minutos entre matraz ymatraz, para poder llevar un control mas riguroso del tiempo de reaccion. Se

pueden cubrir los matraces con Papel Parafilm o con tapon de hule.(1 hora. Todos)

⇓d) Al final del tiempo de reaccion seguir los pasos de valoracion

espectrofotometrica con DFD utilizando una muestra de 5 mL para

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 9

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

Tabla 2: Dosis.

Matraz No. Contenido Solucion estandar de hipocloritoVolumen [mL]

1 Agua residual sin clorar 0.12 Agua residual sin clorar 0.23 Agua residual sin clorar 0.34 Agua residual sin clorar 0.45 Agua residual sin clorar 0.56 Agua residual sin clorar 0.67 Agua residual sin clorar 0.78 Agua residual sin clorar 0.89 Agua residual sin clorar 0.910 Agua residual sin clorar 1.0

Testigo Agua desionizada 1.0

determinar cloro residual total (Anexo I.1) y otra de 5 mL para determinar elcloro residual libre y combinado (mono y dicloroamina) siguiendo la tecnica en

el mismo anexo (Anexo I.2, I.3 y I.4) para cada solucion.(1 hora. Todos)

⇓En los matraces con concentraciones elevadas como serıan: el testigo y los

matraces 8 a 10, se requiere hacer una dilucion, por lo que se sugiere preparardiluciones al 10 % de la muestras: testigo y 8 en adelante para poder hacer las

lecturas en el espectrofotometro.⇓

Para esto se tomaran 5 mL y se llevaran a 50 mL en los matraces aforados de50 mL previamente lavados. Las muestras diluidas en los matraces aforados semezclaran bien y de allı se tomaran las muestras correspondientes para poder

hacer las determinaciones del cloro total, libre y combinado.

Pruebas de decloracion

En esta prueba se compararan los metodos de decloracion: 1) usando carbonactivado y 2) el tratamiento quımico con un reactivo reductor.

⇓Despues del tratamiento con cloro, colocar 5 mL del agua utilizada comotestigo (agua desionizada + cloro) en un vaso de precipitados y anadirle 1

punta de espatula de carbon activado. Agitar y dejar reaccionar unos 5minutos.⇓

Colocar otros 5 mL del mismo matraz en otro vaso o tubo de ensaye y anadirle1 punta de espatula de bisulfito o sulfito de sodio. Agitar y dejar reaccionar

unos 5 minutos.⇓

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 10

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

Tomar una alıcuota de 2 mL de cada uno de los matraces y pasarlas adiferentes matraces de 25 mL y valorar el cloro total con el metodo (B) yaanteriormente planteado. Cuidar que la muestra no lleve solidos. Anotar los

resultados observados para cada caso.(15 minutos. FG, AS)

ANEXO I: Metodo de determinacion de cloro total, libre ycombinado utilizando DFP

I.1 Determinacion del cloro totalEn un matraz Erlenmeyer de 10 o 25 mL colocar 0.5 mL de buffer de fosfatos

y una pequena cantidad de indicador de DFD solido.⇓

Anadir 5 mL de la muestra utilizando una pipeta volumetrica einmediatamente anadir unos 0.1 g de cristales de yoduro de potasio (punta deespatula mediana) y mezclar perfectamente hasta disolucion de los cristales yobservar la formacion de la coloracion rosa o roja. Dejar reaccionar al menos 4

minutos.⇓

Al final de este tiempo llenar una celda de espectrofotometro y medir laabsorbancia o transmitancia a una longitud de onda de 515 nm calibrando

previamente con agua destilada al 100 % de transmitancia. Con este lectura sepodra, a partir de la curva de calibracion, obtener el valor en mg/L de cloro

total o VALOR T.(15 minutos. SV)

I.2 Determinacion del cloro libreColocar en un matraz de 25 mL, 0.5 mL de buffer de fosfatos con una pipeta

Beral y 25 mg de DFD solido (una punta de espatula fina); mezclar y anadir 5mL de muestra con pipeta volumetrica y mezclar perfectamente. Si hay cloro

se generara una coloracion roja.⇓

Llenar una celda del espectrofotometro y medir inmediatamente en elespectrofotometro previamente calibrado con agua destilada a 515 nm. De esta

lectura se podra determinar el valor de la concentracion de cloro libre oVALOR A.

(10 minutos. AS)

I.3 Determinacion de monocloramina presenteSobre la misma muestra en la celda de espectrofotometro, anadir un cristal

muy pequeno de yoduro de potasio (0.05 mg) y mezclar. Si existemonocloramina se generara el color rojo mas intenso. Medir inmediatamente a

la misma longitud de onda, para obtener el VALOR B.(2 minutos. AS)

I.4 Determinacion de dicloramina presente

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 11

Universidad Iberoamericana Laboratorio de Ingenierıa Ambiental, Otono 2008

Sobre la misma muestra en la celda del espectrofotometro anadir exceso decristales de yoduro de potasio (una punta de espatula mediana, 0.1 g

aproximadamente) y mezclar hasta disolucion.⇓

Dejar reposar un mınimo de 3 a 5 minutos y al termino de este tiempo medirla absorbancia en el espectrofotometro y determinar la nueva concentracion o

VALOR C.(5 minutos. AS)

⇓Cuando el valor del cloro total (T) sea mayor a la suma del cloro libre + el

cloro combinado como mono y dicloroamina, la diferencia serıa la contribucionpor tricloroamina (NCl3) presente, es decir, en ese caso, la diferencia de

concentraciones de cloro nos dara el valor de la concentracion de la forma detricloroamina en que se encuentra el cloro en el agua en mg/L de Cl2.

Referencias

[1] Lenntech. Chlorine as disinfectant for water.http://www.lenntech.com/water-disinfection/disinfectants-chlorine.htm,October 2008.

[2] C. N. Sawyer. Qumica para Ingeniera Ambiental. McGraw-Hill, 2001.

[3] Secretarıa de Salud. NOM-127-SSA1-1994, November 1995.

[4] SEMARNAT. NOM-003-ECOL-1997, April 2003.

[5] Textos Cientıficos. Adsorbedores de carbon activado granular.http://www.textoscientificos.com/quimica/carbon-activo/carbon-activado-granular, October 2008.

[6] Wikipedia. Acido hipocloroso.http://es.wikipedia.org/wiki/Acido hipocloroso, October 2008.

[7] Wikipedia. Trihalometano.http://es.wikipedia.org/wiki/Trihalometano, October 2008.

[8] Yahoo! Answers. ¿Cuales son las impurezas del carbon activado?http://espanol.answers.yahoo.com/question/index?qid=20080106154651AA2UhpI, October 2008.

F. J. Guerra, A. Struck, S. A. Villalobos 12