La relación dinámica entre la alcalinidad y el pH en la descarga de aguas residuales cero
La alcalinidad en las aguas residuales se debe principalmente a tres especies: hidróxido (OH⁻), carbonato (CO₃²⁻) y bicarbonato (HCO₃⁻). Estas forman un sistema tampón dinámicamente equilibrado, donde la especie dominante evoluciona con el pH:
CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃⁻ ⇌ 2H⁺ + CO₃²⁻
Este equilibrio determina la forma primaria de alcalinidad en diferentes rangos de pH:
1. pH
2. pH 6,3-10,3: El bicarbonato (HCO₃⁻) es la especie dominante, un rango común para la mayoría de las aguas residuales.
3. pH > 10,3: Los carbonatos (CO₃²⁻) y los hidróxidos (OH⁻) comienzan a predominar.
La proporción de distribución de la alcalinidad total en el agua (principalmente HCO₃⁻ y CO₃²⁻) está determinada con precisión por el pH.
Factores clave de influencia y lógica de control:
1. Control de incrustaciones (ablandamiento): El agua con alta alcalinidad y alta dureza es muy susceptible a la formación de incrustaciones de carbonato de calcio (CaCO₃) durante el calentamiento y la concentración, lo que obstruye las membranas y los evaporadores.
La adición de ácido (como H₂SO₄) disminuye el pH, convirtiendo el HCO₃⁻ en gas CO₂ (que se elimina mediante una torre de desorción): 2HCO₃⁻ + H₂SO₄ → 2CO₂↑ + 2H₂O + SO₄²⁻
Esta es la conversión entre "alcalinidad" y "pH". La cantidad de ácido que se añade viene determinada directamente por la alcalinidad del agua bruta (consumo de alcalinidad) y se controla mediante el pH objetivo (normalmente entre 6,5 y 7,0).
2. Control de la corrosión
Un pH y una alcalinidad excesivamente bajos (
3. Optimización de la evaporación y la cristalización
Antes de entrar en el evaporador, el pH debe ajustarse al rango adecuado (generalmente >9,5). Un pH elevado favorece la precipitación de silicio y la volatilización del nitrógeno amoniacal, pero un pH y una alcalinidad excesivamente altos pueden provocar la formación de incrustaciones de otras sales (como el Mg(OH)₂). Controlar con precisión la cantidad de NaOH añadida equivale, en esencia, a intercambiar álcali por un pH objetivo preciso.
En ingeniería, "conversión" se refiere principalmente a dos tipos de cálculos:
1. Cálculo de la alcalinidad a partir del pH y el carbono inorgánico total (CT) (cálculo teórico)
2. Cálculo de la dosificación de ácido/base necesaria para alcanzar el pH objetivo en función de la alcalinidad (práctica básica de ingeniería).
Fórmula principal y pasos de cálculo:
1. Relación teórica
La expresión exacta para la alcalinidad total (Alk) es: Alk = [HCO₃⁻] + 2[CO₃²⁻] + [OH⁻] - [H⁺] (eq/L)
Utilizando las constantes de ionización primaria y secundaria del ácido carbónico (K₁, K₂) y del carbono inorgánico total (CT), cada término puede expresarse como una función de [H⁺]. Este es un cálculo complejo que generalmente se realiza con la ayuda de software como PHREEQC.
2. Práctica de ingeniería "conversión": cálculo de la dosificación ácido/base
Este es el cálculo más utilizado en el diseño de sistemas de descarga cero (ZLD). El principio consiste en determinar la cantidad de ácido o base necesaria para neutralizar la alcalinidad (o acidez) del agua hasta alcanzar el pH deseado.
Ejemplo: Calcular la cantidad de ácido sulfúrico (H₂SO₄) necesaria para reducir el pH actual del agua al pH deseado.
Dado: La alcalinidad del agua de origen es Alk₁ = 300 mg/L (como CaCO₃), y el pH objetivo debe reducirse a 6,8 (en cuyo punto la alcalinidad residual es aproximadamente Alk₂ ≈ 50 mg/L).
Fórmula: Dosis de ácido (mg/L) = (Alk₁ - Alk₂) × (peso equivalente de ácido) / (peso equivalente de CaCO₃)
Cálculo: Equivalente de CaCO₃ = 50 g/eq; Equivalente de H₂SO₄ = 98/2 = 49 g/eq (porque 1 molécula de H₂SO₄ proporciona 2 átomos de H⁺); Cantidad requerida de H₂SO₄ = (300 - 50) mg/L × (49/50) = 250 × 0,98 = 245 mg/L
Esto significa que por cada tonelada de agua tratada, se requieren aproximadamente 245 gramos de ácido sulfúrico puro. La clave de este cálculo reside en la "diferencia de alcalinidad", no en el valor directo del pH, lo que refleja a la perfección la lógica del cálculo mediante el factor de capacidad.