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Tratamiento de Agua para
Procesos Industriales
…"Si el hombre es recuerdo, el agua es memoria.
Si el hombre es un niño, el agua es París…"
Joan Manuel Serrat
Materia: Química General
Carrera: Ingeniería Industrial
Autor: Carolina Lunati
Año: 2016
 
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Índice Temático
Introducción (pag. 3)
Desmineralización y Ablandamiento (pag. 5)
 Dureza
 Dureza temporal
 Dureza permanente
 Medidas de dureza
 Cortado de jabón
 Ablandamiento/desionización por intercambio iónico
 Ablandamiento por el método de Cal-Soda
 Determinación de dureza en el laboratorio
Potabilización para consumo humano (pag. 12)
 Captación
 Elevación/conducción
 Clarificación: Coagulación; Floculación, sedimentación y decantación;
Filtración
 Desinfección
 Distribución
 Control de calidad
Bibliografía (pag. 17)
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Introducción
El agua es una sustancia indispensable para todos los seres vivos.
Además, toda industria la requiere, ya sea para el mismo proceso de
producción, para la producción de vapor, para los sistemas de enfriamiento,
como disolvente, etc. En todo proceso industrial hay que contemplar el
abastecimiento de agua en la calidad que se necesite.
El agua puede provenir de la red de la ciudad, de pozos propios, de
derivaciones de algún río o acequia, del bombeo desde lagos o desde el mar,
etc. Por regla general, no puede usarse tal cual, sino que tiene que ser
sometida a procesos de purificación y eliminación de las impurezas que
molesten. Este proceso se denomina “acondicionamiento del agua”.
El agua, tal como la proporciona la naturaleza, puede ser clasificada de
acuerdo a su contenido de sales y otras impurezas. Las aguas dulces son
aquellas que se pueden beber directamente. Generalmente contienen sales que
no afectan seriamente el sabor y que no están en cantidades excesivas, así
como gases disueltos necesarios para el organismo humano. Si la cantidad de
sales es mayor y su sabor se siente salino, se les denomina oligo-minerales y,
muchas veces, llevan o se les agrega gas carbónico, presentándose como
aguas minerales de mesa.
Aguas con mayor contenido de sales, sobre todo si contienen impurezas
tales como sulfatos y sales de magnesio, resultan amargas y no son aptas para
beber. Se las conoce como aguas salobres.
Finalmente están las aguas saladas, tales como las del mar y de
algunos lagos como el Lago Salado en Utah (Estados Unidos) o como las del
Mar Muerto en Israel. El manejo de este tipo de agua requiere de equipos
construidos con materiales especiales y generalmente se emplean sólo en
forma limitada para uso industrial.
Gran Lago Salado, Utah, Estados Unidos
El agua es siempre el mismo compuesto químico (H2O), estando la
diferencia fundamental en las impurezas que la acompañan y en algunas
 
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características propias de cada fuente de origen. Por consiguiente, es
indispensable conocer la composición de sus impurezas, para establecer en
cada caso el tratamiento adecuado para acondicionar el agua al uso que se le
vaya a dar.
Las principales impurezas que suele contener el agua podrían
clasificarse en tres grupos: físicas, químicas y biológicas. Desde el punto de
vista físico, se puede hablar de sólidos totales, los cuales pueden ser filtrables
(si se trata de materiales en suspensión que pueden sedimentar por reposo),
no filtrables (si se trata de sales o gases disueltos) o algo intermedio (coloides).
A menudo es necesario eliminar estas impurezas del agua; y cuáles de ellas se
van a remover mediante cuál secuencia de operaciones, es algo que depende
del destino que se le vaya a dar al agua. A continuación se presentan algunos
procesos de acondicionamiento de agua de uso muy común.
Los principales objetivos del acondicionamiento de aguas para usos
industriales son quitar materias solubles y en suspensión y eliminar gases.
Esto se realiza para evitar la formación de incrustaciones sobre las superficies
de calentamiento de aguas, y para proteger contra la corrosión a los metales
de calderas, recuperadores, tuberías, etc.
No existe un procedimiento único para el tratamiento de todas las
clases de aguas. Cada caso se debe considerar individualmente. Sin embargo,
en líneas generales, los métodos de acondicionamiento se clasifican en
métodos de ablandamiento y métodos de purificación.
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Desmineralización y ablandamiento
Dureza del agua
 
El agua dura es aquella que contiene un alto nivel de minerales. En
razón del origen del agua que consumimos en nuestro país, la dureza se debe
principalmente a sales de calcio y magnesio; en otras localidades geográficas,
el hierro, el aluminio y el manganeso también se encuentran presentes en
niveles elevados. Se cree que el origen del término dureza viene del efecto
inhibidor de estos iones sobre la acción emulsificante de los jabones de grasas
animales, haciendo el agua “dura” para lavar. El agua dura puede ablandarse
mediante distintos métodos.
El inconveniente que presenta el agua dura desde el punto de vista
industrial es la precipitación de las sales causantes de la dureza, porque
provoca la formación de incrustaciones adherentes en tuberías y equipos. Este
problema conlleva altos costos económicos en mantenimiento y sustitución
prematura de equipos como calderas, intercambiadores y válvulas. Además,
supone un mayor gasto energético en el calentamiento del agua, porque
reduce la conductividad térmica de los equipos intercambiadores de calor, y
un mayor consumo de detergentes. En el uso doméstico, el agua dura no
produce espuma con el jabón, formando en cambio un residuo grisáceo que a
veces altera el color de la ropa sin poder lavarla correctamente, forma una
dura costra en las ollas y en los grifos, estropea los electrodomésticos y,
algunas veces, tienen un sabor desagradable.
Incrustaciones en tuberías de minería
Muchos procesos industriales, como los farmacéuticos, los textiles o la
generación industrial de vapor, necesitan agua completamente
desmineralizada. La desmineralización es un conjunto de operaciones
mediante las cuales se eliminan los todos los iones disueltos en el agua.
Habitualmente se realiza mediante resinas de intercambio iónico.
 
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Es costumbre hacer una diferencia entre dureza total, dureza carbónica
o temporal, y dureza no-carbónica ó permanente.
Dureza temporal
 
La dureza temporal puede ser eliminada al hervir el agua y es debida los
cationes de calcio o magnesio asociados a carbonato ácido o bicarbonato
(Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2). El bicarbonato de estos cationes se convierte por
calentamiento en dióxido de carbono, agua y carbonato del catión
correspondiente, siendo estos carbonatos insolubles (y responsables de las
incrustaciones mencionadas anteriormente). De esta manera, al hervir agua
dura que contenga iones bicarbonato, precipitará carbonato de calcio fuera de
la solución, dejando el agua menos dura.
Mg(HCO3)2(ac) Ø MgCO3(s) + CO2(g) + H2O(g)
Ca(HCO3)2(ac) Ø CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(g)
Dureza permanente
 
La dureza permanente, en cambio, no puede ser eliminada al hervir el
agua; es causada por los cationes de calcio y magnesio asociados a cualquier
otro anión, diferente al bicarbonato.
Medidas de la dureza
 
Habitualmente se indica la dureza como miligramos de carbonato
cálcico (CaCO3) por litro de agua (ppm de carbonato cálcico), sin importar si se
debe en realidad al calcio o al magnesio; por ejemplo 1mol de MgSO4=120g es
equivalente a 1 mol de CaCO3=100g pues, de ser soluble el CaCO3, 100g de
CaCO3 cortarían la misma cantidad de jabón (2 moles) que 120g de MgSO4. La
razón de la elección del carbonato de calcio como sustancia de referencia es
que su peso molecular es exactamente 100, lo que facilita los cálculos.
El rango de dureza varia entre 0 y cientos de ppm, dependiendo de la
fuente de agua y el tratamiento al que haya sido sometida. Si la dureza es
inferior a 50 ppm de CaCO3, el agua se considera "blanda"; si es superior a
200 ppm, es agua muy dura; si está entre 50 y 150 ppm, se considera media
y si está entre 150 y 200, dura.
 
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Cortado del jabón
 
El jabón es una sal de sodio de un ácido graso superior (generalmente
de 16 a 18 átomos de carbono por molécula). Estos jabones son solubles, al
menos dispersables coloidalmente, en agua y se caracterizan por la formación
de espuma. En cambio, las sales (“jabones”) de los cationes Ca2+ y Mg2+ son
insolubles en agua. Se dice que el agua dura corta el jabón, ya que sólo
agregando un exceso de este último (superando la cantidad
estequiométricamente necesaria para precipitar todo el Ca2+ y Mg2+) se logran
la espuma y la detergencia propias de los jabones.
Ablandamiento/desionización por intercambio iónico
 
Las resinas de intercambio iónico son sólidos no cristalinos, porosos,
insolubles en agua, que se comercializan en forma de trozos de forma irregular
o esféricos, de algunos milímetros de diámetro. Pueden ser catiónicas o
aniónicas, por un lado; y por otro, pueden ser base o ácido fuerte o débil,
dependiendo la calidad del agua a tratar y los contaminantes que se requiera
remover.
Resina de intercambio catiónico.
Las resinas catiónicas tienen macroaniones unidos a cationes discretos,
como por ejemplo: H+; K+; NH4+; Ca2+; Mg2+ o incluso de masas mayores, pero
no macromoleculares. En medios polares, como el agua y las soluciones
acuosas, existen equilibrios iónicos heterogéneos como el siguiente:
Na2R (s) + Me2+ ↔ RMe (s) + 2 Na+
donde R representa un fragmento del macroanión correspondiente a una carga
elemental negativa y Me2+ al catón calcio o magnesio. La ecuación, leída de
 
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izquierda a derecha, muestra la posibilidad de reemplazar los iones Me2+ en
una solución acuosa por iones Na+ provenientes de la fase resina y. La misma
ecuación, leída de derecha a izquierda, muestra la posibilidad de regenerar la
resina cálcica o magnésica (agotada) con una solución saturada de cloruro de
sodio (salmuera).
Si se pasa agua dura por un lecho de esta resina en estado sódico, el
agua se va ablandando a medida que sus iones Me2+ se van sustituyendo por
iones Na+ provenientes de la resina. La reacción se desplaza a la derecha
debido a la formación de un producto insoluble (RMe). Por cada equivalente-gr
de Me2+ (0,5 mol porque tiene dos cargas) eliminado de la fase acuosa, entra
en la misma un equivalente-gr de Na+ (1mol).
Análogamente, existen resinas que intercambian aniones. Deben
emplearse en conjunto con las descriptas previamente si se quiere
desmineralizar (o desionizar) el agua por completo.
Ablandamiento por el método de la Cal-Soda
 
Un método muy usado en la industria para ablandar agua dura es el de
la Cal-Soda. Se basa en la obtención de compuestos insolubles de calcio y
magnesio usando cal (hidróxido de calcio) y soda (carbonato de sodio). De los
compuestos de calcio, el más insoluble es el carbonato de calcio y de los de
magnesio, el hidróxido de magnesio.
El bicarbonato de calcio, que constituye dureza temporaria, puede
convertirse en carbonato tratándolo con un hidróxido. El hidróxido más barato
es el de calcio (cal apagada).
La dureza temporaria debida al calcio se elimina entonces con cal:
Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 CaCO3(s) + H2O
La dureza debida al magnesio, tanto la temporaria como la permanente,
se puede eliminar con cal:
Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 Mg(OH)2(s) + CaCO3(s) + H2O
(Dureza temporaria)
Mg2+ + Ca(OH)2 Mg(OH)2(s) + Ca2+(s)
(Dureza permanente)
 
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Como se puede observar, al eliminar con cal dureza permanente debida
al magnesio, se genera dureza permanente debida al calcio.
La dureza permanente debida al calcio (y el calcio que se ha agregado
en el paso anterior) se elimina tratándola con carbonato de sodio:
CaCl2 + Na2CO3 CaCO3(s) + 2NaCl
Cuando se utiliza este método para eliminar dureza en una industria,
se mide la dureza total y se agrega en primera instancia cal suficiente para
eliminarla y el doble de soda por si existiera magnesio. Luego se debe
neutralizar el pH.
Determinación de dureza en el laboratorio
 
En laboratorio, la dureza de agua se determina mediante una
volumetría basada en una reacción de formación de complejos.
Las técnicas volumétricas consisten en determinar qué volumen de una
solución de concentración conocida se requiere para hacer reaccionar
completamente una sustancia que se encuentra en otra solución, en
concentración desconocida; el volumen de la segunda solución debe ser
conocido. Para que esta determinación sea precisa, es necesario conocer la
estequiometría de la reacción, que la reacción sea completa y que haya alguna
característica medible que se pueda monitorear para determinar el punto en
que ha concluido la reacción.
Los complejos se producen por la coordinación de un catión y un
ligando; estos últimos son especies dadoras de electrones y tienen por lo
menos un par de electrones sin compartir. Algunos complejos se denominan
quelatos; en ellos el catión queda rodeado por uno o varios anillos de cinco o
seis miembros. Los compuestos orgánicos más conocidos que forman quelatos
utilizables en análisis cuantitativo son el ácido nitrilotriacético, el ácido
etilendiaminotetraacético (EDTA) y la sal disódica del EDTA; estos compuestos
se conocen comercialmente con los nombres de Titriplex I, II, y III
respectivamente; también se utilizan los nombres de Complexonas, Vercenos o
Secuestrenos. El más empleado de los anteriores compuestos es la sal disódica
del EDTA, debido a que es muy soluble en agua.
 
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Complejo EDTA-Ca2+
El EDTA contiene cuatro hidrógenos ácidos; por esa razón se representa
también como H4Y. Forma complejos estables con la mayoría de los cationes y
participa siempre en relación molar 1:1 en la fórmula del complejo,
independiente de la carga del catión; como se muestra en las siguientes
reacciones:
Mg2+ + Y4- ↔ MgY2-
Ca2+ + Y4- ↔ CaY2-
Los iones formados en las reacciones anteriores son incoloros, de tal
manera que para determinar el punto final de la reacción es necesario emplear
indicadores, llamados metalocrómicos. Estos indicadores tienen la propiedad
de formar con los cationes (como el Ca2+ y el Mg2+), compuestos complejos de
distinto color al que presenta el indicador libre. Los indicadores
metalocrómicos son ácidos débiles y se representan como HIn.
En la determinación de la dureza de agua mediante volumetría
complejométrica, se utiliza como indicador un colorante denominado negro de
eriocromo T (NET). Al adicionar EDTA a la solución que contiene la muestra
con el indicador, el EDTA se combina primero con el Ca2+ y luego con el Mg2+,
ya que el complejo EDTA-Ca2+ es más estable que el complejo EDTA-Mg+2.
Mientras hay iones libres Mg2+, el indicador forma complejo con ellos, el cual
presenta un color púrpura. Cuando todos los iones Mg2+ están formando
complejo con el EDTA, el color púrpura desaparece (ausencia de complejo
indicador-Mg2+) y se puede observar el color azul que corresponde al indicador
sin complejar con el Mg2+.
Negro de eriocromo T (NET).
 
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Diferentes coloraciones en la titulación.
Esto ocurre debido a que la constante de formación del complejo con el
EDTA es mayor que con el indicador, es decir, los iones Ca2+ y Mg2+ tienen más
tendencia a formar complejo con el EDTA que con el indicador en el rango de
pH de trabajo, pH=10. A pHs mayores, precipitan CaCO3 y Mg(OH)2; además,
la transición de color entre el indicador libre y complejado es menos evidente a
otros valores de pHs y también cambia la estabilidad relativa de los complejos,
con lo cual sería mucho más difícil determinar el punto final de la reacción y
casi imposible asegurar que coincide con el de equivalencia. La secuencia que
se produce durante la valoración se representa en el siguiente esquema:
Mg2+ + NET [Mg-NET]
¢ púrpura
Ca2+ + EDTA [Ca-EDTA] + H+
[Mg-NET] + EDTA [Mg-EDTA] + NET
color azul
En el siguiente video se puede ver esta volumetría:
https://www.youtube.com/watch?v=X3VWvHWn858
 
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Potabilización de agua para consumo humano
El tratamiento del agua para el consumo humano suele incluir alguna o
varias de las siguientes etapas: clarificación, desinfección, acondicionamiento
químico y acondicionamiento organoléptico. A continuación se expone la
cadena de tratamiento realizada en una de las plantas que abastecen de agua
potable al conurbano bonaerense. La descripción corresponde a la Planta
potabilizadora General Belgrano,perteneciente a la localidad de Bernal en el
partido de Quilmes. Esta planta fue inaugurada en el año 1978 por la ex OSN
y ampliada a fines de los 90’ por la concesionaria Aguas Argentinas S.A.
En la página oficial de AySA, se puede ver una animación del proceso de
potabilización. Cada etapa del mismo puede verse en detalle haciendo click en
el paso correspondiente. También puede encontrarse una descripción de las
diferentes plantas potabilizadoras que posee actualmente la empresa.
Captación
La toma de agua se realiza mediante una torre de hormigón ubicada en
el Río de la Plata, a 2400 metros de distancia de la costa. Esta torre tiene
forma hexagonal y posee una abertura para el acceso del agua en cada uno de
los lados, las cuales tienen como protección rejas gruesas y compuertas. El
agua se toma a una profundidad de 3 a 5 metros para evitar el arrastre de los
componentes flotantes. De la torre parte un conducto de hormigón que
traslada el agua por gravedad hasta la planta.
Torre de captación. Costanera Norte.
Elevación/conducción
El recorrido del agua por toda la planta se realiza por gravedad. Para
ello se requiere una altura de elevación que depende del nivel del río, el cual
varía día a día. Esta elevación se logra con seis bombas.
 
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Una vez elevada, el agua pasa por rejas finas con barredores
automáticos para retener los sólidos flotantes y peces que hayan pasado a
través de las rejas de la torre toma.
Los conductos que conducen el fluido a la planta poseen medidores de
caudal con el fin de estimar la dosificación de los productos químicos y
controlar el funcionamiento de las electrobombas.
Clarificación
Durante la etapa de clarificación se eliminan las partículas finas.
Consta de cuatro operaciones: coagulación, floculación y sedimentación y/o
filtración.
La Coagulación y Floculación son dos procesos en los cuales las
partículas se aglutinan en pequeñas masas llamadas blocs, tales que su peso
específico supere al del agua y puedan precipitar.
1) Coagulación
“Coagulación” en tanto operación, se refiere al proceso de adicionar los
productos químicos que permiten reducir o anular las fuerzas de separación
que tienden a mantener las partículas coloidales en suspensión.
La arcilla que contiene el Río de la Plata forma micelas liofílicas de
carga superficial negativa. La carga de estas partículas coloidales se produce
por la ionización de grupos hidroxilo, carboxilos, fosfatos o sulfatos, los cuales
están presentes la superficie de la partícula. Estos grupos reaccionan con los
iones metálicos de los coagulantes, que las neutralizan facilitando su
aglutinación. Por eso, la desestabilización de los sistemas coloidales se ve
mejor bajo el punto de vista químico.
Entre las sustancias que pueden actuar como coagulantes, se
encuentran las sales de aluminio, las de hierro y los polielectrolitos. En
general, los coagulantes con mayor valencia actúan mejor debido a su mayor
capacidad de intercambio de carga. El más usado en tratamientos de
potabilización de agua es el sulfato de aluminio (alumbre); en la planta que se
analiza se utiliza precisamente esta sustancia. Además, se agrega un
polielectrolito, que es un polímero aniónico, para aumentar la masa de los
flocs y ayudar a la floculación.
El coagulante aumenta la acidez del agua, por lo que se agrega cal para
equilibrar su pH y evitar la corrosión de las cañerías. La reacción puede verse
en la siguiente ecuación:
Al2(SO4)3 + 6H2O 2Al(OH)3 + 6H+ + 3SO4
2-
 
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Si el agua contiene bicarbonatos, el pH puede mantenerse relativamente
constante, ya que estos actúan como amortiguadores, como se expone en la
ecuación:
Al2(SO4)3·14H2O + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3 + 6CO2 + 14H2O + 3CaSO4
Sin embargo, el CO2 puede producir corrosión y por lo tanto suele
neutralizarse con cal.
La dosificación del coagulante en la planta General Belgrano se realiza
en la cámara de carga por medio de un sistema de válvulas reguladoras. La
dosis adecuada de coagulante se determina mediante un ensayo en el
laboratorio de planta (Jar-Test).
2) Floculación, Sedimentación y Decantación
“Floculación” en términos de operaciones se llama a la aglomeración de
las partículas por efecto de un movimiento lento del agua, de manera que se
formen partículas de mayor tamaño (flocs) que puedan sedimentar por
gravedad.
La agitación necesaria para que se formen los flocs se logra mediante
agitadores de paletas, instalados en la entrada de los decantadores; el
movimiento lento del agua permite que las partículas se adhieran a los
flóculos ya formados, de forma que estos aumenten de tamaño para su
posterior precipitación.
Los sedimentadores (que también se suelen llamar decantadores)
consisten en unas piletas rectangulares con un volumen suficiente para
asegurar el tiempo de residencia del agua necesario para que los flóculos se
depositen en el fondo. En su tramo final poseen vertederos por encima de los
cuales decanta la capa superior del agua límpida; el diseño de los mismos
permite el drenaje a velocidad baja, de manera que el agua no arrastre los
barros que se depositaron en el fondo.
 
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3) Filtración
El proceso de filtración consiste en la remoción de las partículas que no
alcanzaron a sedimentar en la etapa anterior, haciendo pasar el agua a través
de un material poroso. En la planta que analizamos, se usan filtros de arena
de diferente granulometría.
Un filtro está compuesto por un manto sostén: piedras, granza y arena.
La filtración se realiza ingresando el agua sedimentada o decantada por
encima del filtro. Por gravedad el agua pasa a través de la arena la cual
retiene las impurezas o turbiedad residual que queda en la etapa de
decantación.
Desinfección
Una vez filtrada, el agua se desinfecta a la entrada de la reserva
mediante el agregado de cloro. El objetivo es destruir todo organismo viviente
potencialmente infeccioso contenido en el agua y mantener un valor de cloro
residual en la red de distribución que proteja al agua de posibles
contaminaciones microbiológicas secundarias durante su distribución.
Distribución
La planta potabilizadora General Belgrano posee dos salidas. Mediante
la estación elevadora Bernal I abastece de agua potable al partido de Quilmes.
El resto del agua tratada es enviada por ríos subterráneos hasta otras
estaciones elevadoras, a partir de las cuales se distribuyen en la red.
Planta potabilizadora General Belgrano. (fuente AySA).
 
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Control de calidad
La eficacia de la cadena de tratamiento se controla mediante el
seguimiento de algunos parámetros seleccionados:
 Turbiedad: se entiende por turbiedad a la propiedad óptica de
una muestra de diseminar y absorber la luz en lugar de
transmitirla en línea recta; es en parte responsable de la
coloración del agua. Se mide en UNT, unidad que hace referencia
al número de partículas. Parte de la contaminación queda
adsorbida sobre las partículas que causan turbiedad, de ahí la
importancia de mantenerla en valores reducidos.
 Materia orgánica: se puede evaluar por dos parámetros, uno
global, la oxidabilidad por el permanganato, y otro específico, la
concentración de pesticidas. La materia orgánica también aporta
color al agua y puede indicar contaminación de diversas fuentes.
 Amoníaco: es un indicador de contaminación por aguas
residuales.
 Microorganismos: es esencial tener un control por el riesgo
potencial que representan para la salud humana. Se pueden
medir de manera directa o por medio del potencial de
desinfección.
 Metales pesados: indican contaminación industrial.
Para seguir la evolución de estos parámetros, hay instalados tableros de
calidad con sensores de medición en continuo en distintas etapas del
tratamiento: agua cruda, decantada y filtrada. También se monitorea en
tiempo real la evolución de conductividad, cloro, pH y temperatura. Los
análisis físico-químicos y orgánicos se realizan en forma periódica.
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Bibliografía
 Procesos Industriales. Otto Leidinger. Pontificia Universidad Católica
del Perú. Fondo Editorial. 1997.
 Química, la Ciencia central. Brown, TL; Le May, HE Jr; Bursten, BE.
Prentice Hall Hispanoamericana, 1993, México.
 Análisis Químico Cuantitativo. Harris D. Editorial Reverté. 2003
 AySA. Página Oficial.

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  • 1. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 1 Tratamiento de Agua para Procesos Industriales …"Si el hombre es recuerdo, el agua es memoria. Si el hombre es un niño, el agua es París…" Joan Manuel Serrat Materia: Química General Carrera: Ingeniería Industrial Autor: Carolina Lunati Año: 2016  
  • 2. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 2   Índice Temático Introducción (pag. 3) Desmineralización y Ablandamiento (pag. 5)  Dureza  Dureza temporal  Dureza permanente  Medidas de dureza  Cortado de jabón  Ablandamiento/desionización por intercambio iónico  Ablandamiento por el método de Cal-Soda  Determinación de dureza en el laboratorio Potabilización para consumo humano (pag. 12)  Captación  Elevación/conducción  Clarificación: Coagulación; Floculación, sedimentación y decantación; Filtración  Desinfección  Distribución  Control de calidad Bibliografía (pag. 17)
  • 3. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 3 Introducción El agua es una sustancia indispensable para todos los seres vivos. Además, toda industria la requiere, ya sea para el mismo proceso de producción, para la producción de vapor, para los sistemas de enfriamiento, como disolvente, etc. En todo proceso industrial hay que contemplar el abastecimiento de agua en la calidad que se necesite. El agua puede provenir de la red de la ciudad, de pozos propios, de derivaciones de algún río o acequia, del bombeo desde lagos o desde el mar, etc. Por regla general, no puede usarse tal cual, sino que tiene que ser sometida a procesos de purificación y eliminación de las impurezas que molesten. Este proceso se denomina “acondicionamiento del agua”. El agua, tal como la proporciona la naturaleza, puede ser clasificada de acuerdo a su contenido de sales y otras impurezas. Las aguas dulces son aquellas que se pueden beber directamente. Generalmente contienen sales que no afectan seriamente el sabor y que no están en cantidades excesivas, así como gases disueltos necesarios para el organismo humano. Si la cantidad de sales es mayor y su sabor se siente salino, se les denomina oligo-minerales y, muchas veces, llevan o se les agrega gas carbónico, presentándose como aguas minerales de mesa. Aguas con mayor contenido de sales, sobre todo si contienen impurezas tales como sulfatos y sales de magnesio, resultan amargas y no son aptas para beber. Se las conoce como aguas salobres. Finalmente están las aguas saladas, tales como las del mar y de algunos lagos como el Lago Salado en Utah (Estados Unidos) o como las del Mar Muerto en Israel. El manejo de este tipo de agua requiere de equipos construidos con materiales especiales y generalmente se emplean sólo en forma limitada para uso industrial. Gran Lago Salado, Utah, Estados Unidos El agua es siempre el mismo compuesto químico (H2O), estando la diferencia fundamental en las impurezas que la acompañan y en algunas  
  • 4. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 4   características propias de cada fuente de origen. Por consiguiente, es indispensable conocer la composición de sus impurezas, para establecer en cada caso el tratamiento adecuado para acondicionar el agua al uso que se le vaya a dar. Las principales impurezas que suele contener el agua podrían clasificarse en tres grupos: físicas, químicas y biológicas. Desde el punto de vista físico, se puede hablar de sólidos totales, los cuales pueden ser filtrables (si se trata de materiales en suspensión que pueden sedimentar por reposo), no filtrables (si se trata de sales o gases disueltos) o algo intermedio (coloides). A menudo es necesario eliminar estas impurezas del agua; y cuáles de ellas se van a remover mediante cuál secuencia de operaciones, es algo que depende del destino que se le vaya a dar al agua. A continuación se presentan algunos procesos de acondicionamiento de agua de uso muy común. Los principales objetivos del acondicionamiento de aguas para usos industriales son quitar materias solubles y en suspensión y eliminar gases. Esto se realiza para evitar la formación de incrustaciones sobre las superficies de calentamiento de aguas, y para proteger contra la corrosión a los metales de calderas, recuperadores, tuberías, etc. No existe un procedimiento único para el tratamiento de todas las clases de aguas. Cada caso se debe considerar individualmente. Sin embargo, en líneas generales, los métodos de acondicionamiento se clasifican en métodos de ablandamiento y métodos de purificación.
  • 5. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 5 Desmineralización y ablandamiento Dureza del agua   El agua dura es aquella que contiene un alto nivel de minerales. En razón del origen del agua que consumimos en nuestro país, la dureza se debe principalmente a sales de calcio y magnesio; en otras localidades geográficas, el hierro, el aluminio y el manganeso también se encuentran presentes en niveles elevados. Se cree que el origen del término dureza viene del efecto inhibidor de estos iones sobre la acción emulsificante de los jabones de grasas animales, haciendo el agua “dura” para lavar. El agua dura puede ablandarse mediante distintos métodos. El inconveniente que presenta el agua dura desde el punto de vista industrial es la precipitación de las sales causantes de la dureza, porque provoca la formación de incrustaciones adherentes en tuberías y equipos. Este problema conlleva altos costos económicos en mantenimiento y sustitución prematura de equipos como calderas, intercambiadores y válvulas. Además, supone un mayor gasto energético en el calentamiento del agua, porque reduce la conductividad térmica de los equipos intercambiadores de calor, y un mayor consumo de detergentes. En el uso doméstico, el agua dura no produce espuma con el jabón, formando en cambio un residuo grisáceo que a veces altera el color de la ropa sin poder lavarla correctamente, forma una dura costra en las ollas y en los grifos, estropea los electrodomésticos y, algunas veces, tienen un sabor desagradable. Incrustaciones en tuberías de minería Muchos procesos industriales, como los farmacéuticos, los textiles o la generación industrial de vapor, necesitan agua completamente desmineralizada. La desmineralización es un conjunto de operaciones mediante las cuales se eliminan los todos los iones disueltos en el agua. Habitualmente se realiza mediante resinas de intercambio iónico.  
  • 6. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 6 Es costumbre hacer una diferencia entre dureza total, dureza carbónica o temporal, y dureza no-carbónica ó permanente. Dureza temporal   La dureza temporal puede ser eliminada al hervir el agua y es debida los cationes de calcio o magnesio asociados a carbonato ácido o bicarbonato (Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2). El bicarbonato de estos cationes se convierte por calentamiento en dióxido de carbono, agua y carbonato del catión correspondiente, siendo estos carbonatos insolubles (y responsables de las incrustaciones mencionadas anteriormente). De esta manera, al hervir agua dura que contenga iones bicarbonato, precipitará carbonato de calcio fuera de la solución, dejando el agua menos dura. Mg(HCO3)2(ac) Ø MgCO3(s) + CO2(g) + H2O(g) Ca(HCO3)2(ac) Ø CaCO3(s) + CO2(g) + H2O(g) Dureza permanente   La dureza permanente, en cambio, no puede ser eliminada al hervir el agua; es causada por los cationes de calcio y magnesio asociados a cualquier otro anión, diferente al bicarbonato. Medidas de la dureza   Habitualmente se indica la dureza como miligramos de carbonato cálcico (CaCO3) por litro de agua (ppm de carbonato cálcico), sin importar si se debe en realidad al calcio o al magnesio; por ejemplo 1mol de MgSO4=120g es equivalente a 1 mol de CaCO3=100g pues, de ser soluble el CaCO3, 100g de CaCO3 cortarían la misma cantidad de jabón (2 moles) que 120g de MgSO4. La razón de la elección del carbonato de calcio como sustancia de referencia es que su peso molecular es exactamente 100, lo que facilita los cálculos. El rango de dureza varia entre 0 y cientos de ppm, dependiendo de la fuente de agua y el tratamiento al que haya sido sometida. Si la dureza es inferior a 50 ppm de CaCO3, el agua se considera "blanda"; si es superior a 200 ppm, es agua muy dura; si está entre 50 y 150 ppm, se considera media y si está entre 150 y 200, dura.  
  • 7. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 7 Cortado del jabón   El jabón es una sal de sodio de un ácido graso superior (generalmente de 16 a 18 átomos de carbono por molécula). Estos jabones son solubles, al menos dispersables coloidalmente, en agua y se caracterizan por la formación de espuma. En cambio, las sales (“jabones”) de los cationes Ca2+ y Mg2+ son insolubles en agua. Se dice que el agua dura corta el jabón, ya que sólo agregando un exceso de este último (superando la cantidad estequiométricamente necesaria para precipitar todo el Ca2+ y Mg2+) se logran la espuma y la detergencia propias de los jabones. Ablandamiento/desionización por intercambio iónico   Las resinas de intercambio iónico son sólidos no cristalinos, porosos, insolubles en agua, que se comercializan en forma de trozos de forma irregular o esféricos, de algunos milímetros de diámetro. Pueden ser catiónicas o aniónicas, por un lado; y por otro, pueden ser base o ácido fuerte o débil, dependiendo la calidad del agua a tratar y los contaminantes que se requiera remover. Resina de intercambio catiónico. Las resinas catiónicas tienen macroaniones unidos a cationes discretos, como por ejemplo: H+; K+; NH4+; Ca2+; Mg2+ o incluso de masas mayores, pero no macromoleculares. En medios polares, como el agua y las soluciones acuosas, existen equilibrios iónicos heterogéneos como el siguiente: Na2R (s) + Me2+ ↔ RMe (s) + 2 Na+ donde R representa un fragmento del macroanión correspondiente a una carga elemental negativa y Me2+ al catón calcio o magnesio. La ecuación, leída de  
  • 8. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 8 izquierda a derecha, muestra la posibilidad de reemplazar los iones Me2+ en una solución acuosa por iones Na+ provenientes de la fase resina y. La misma ecuación, leída de derecha a izquierda, muestra la posibilidad de regenerar la resina cálcica o magnésica (agotada) con una solución saturada de cloruro de sodio (salmuera). Si se pasa agua dura por un lecho de esta resina en estado sódico, el agua se va ablandando a medida que sus iones Me2+ se van sustituyendo por iones Na+ provenientes de la resina. La reacción se desplaza a la derecha debido a la formación de un producto insoluble (RMe). Por cada equivalente-gr de Me2+ (0,5 mol porque tiene dos cargas) eliminado de la fase acuosa, entra en la misma un equivalente-gr de Na+ (1mol). Análogamente, existen resinas que intercambian aniones. Deben emplearse en conjunto con las descriptas previamente si se quiere desmineralizar (o desionizar) el agua por completo. Ablandamiento por el método de la Cal-Soda   Un método muy usado en la industria para ablandar agua dura es el de la Cal-Soda. Se basa en la obtención de compuestos insolubles de calcio y magnesio usando cal (hidróxido de calcio) y soda (carbonato de sodio). De los compuestos de calcio, el más insoluble es el carbonato de calcio y de los de magnesio, el hidróxido de magnesio. El bicarbonato de calcio, que constituye dureza temporaria, puede convertirse en carbonato tratándolo con un hidróxido. El hidróxido más barato es el de calcio (cal apagada). La dureza temporaria debida al calcio se elimina entonces con cal: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 CaCO3(s) + H2O La dureza debida al magnesio, tanto la temporaria como la permanente, se puede eliminar con cal: Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2 Mg(OH)2(s) + CaCO3(s) + H2O (Dureza temporaria) Mg2+ + Ca(OH)2 Mg(OH)2(s) + Ca2+(s) (Dureza permanente)  
  • 9. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 9 Como se puede observar, al eliminar con cal dureza permanente debida al magnesio, se genera dureza permanente debida al calcio. La dureza permanente debida al calcio (y el calcio que se ha agregado en el paso anterior) se elimina tratándola con carbonato de sodio: CaCl2 + Na2CO3 CaCO3(s) + 2NaCl Cuando se utiliza este método para eliminar dureza en una industria, se mide la dureza total y se agrega en primera instancia cal suficiente para eliminarla y el doble de soda por si existiera magnesio. Luego se debe neutralizar el pH. Determinación de dureza en el laboratorio   En laboratorio, la dureza de agua se determina mediante una volumetría basada en una reacción de formación de complejos. Las técnicas volumétricas consisten en determinar qué volumen de una solución de concentración conocida se requiere para hacer reaccionar completamente una sustancia que se encuentra en otra solución, en concentración desconocida; el volumen de la segunda solución debe ser conocido. Para que esta determinación sea precisa, es necesario conocer la estequiometría de la reacción, que la reacción sea completa y que haya alguna característica medible que se pueda monitorear para determinar el punto en que ha concluido la reacción. Los complejos se producen por la coordinación de un catión y un ligando; estos últimos son especies dadoras de electrones y tienen por lo menos un par de electrones sin compartir. Algunos complejos se denominan quelatos; en ellos el catión queda rodeado por uno o varios anillos de cinco o seis miembros. Los compuestos orgánicos más conocidos que forman quelatos utilizables en análisis cuantitativo son el ácido nitrilotriacético, el ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) y la sal disódica del EDTA; estos compuestos se conocen comercialmente con los nombres de Titriplex I, II, y III respectivamente; también se utilizan los nombres de Complexonas, Vercenos o Secuestrenos. El más empleado de los anteriores compuestos es la sal disódica del EDTA, debido a que es muy soluble en agua.  
  • 10. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 10 Complejo EDTA-Ca2+ El EDTA contiene cuatro hidrógenos ácidos; por esa razón se representa también como H4Y. Forma complejos estables con la mayoría de los cationes y participa siempre en relación molar 1:1 en la fórmula del complejo, independiente de la carga del catión; como se muestra en las siguientes reacciones: Mg2+ + Y4- ↔ MgY2- Ca2+ + Y4- ↔ CaY2- Los iones formados en las reacciones anteriores son incoloros, de tal manera que para determinar el punto final de la reacción es necesario emplear indicadores, llamados metalocrómicos. Estos indicadores tienen la propiedad de formar con los cationes (como el Ca2+ y el Mg2+), compuestos complejos de distinto color al que presenta el indicador libre. Los indicadores metalocrómicos son ácidos débiles y se representan como HIn. En la determinación de la dureza de agua mediante volumetría complejométrica, se utiliza como indicador un colorante denominado negro de eriocromo T (NET). Al adicionar EDTA a la solución que contiene la muestra con el indicador, el EDTA se combina primero con el Ca2+ y luego con el Mg2+, ya que el complejo EDTA-Ca2+ es más estable que el complejo EDTA-Mg+2. Mientras hay iones libres Mg2+, el indicador forma complejo con ellos, el cual presenta un color púrpura. Cuando todos los iones Mg2+ están formando complejo con el EDTA, el color púrpura desaparece (ausencia de complejo indicador-Mg2+) y se puede observar el color azul que corresponde al indicador sin complejar con el Mg2+. Negro de eriocromo T (NET).  
  • 11. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 11 Diferentes coloraciones en la titulación. Esto ocurre debido a que la constante de formación del complejo con el EDTA es mayor que con el indicador, es decir, los iones Ca2+ y Mg2+ tienen más tendencia a formar complejo con el EDTA que con el indicador en el rango de pH de trabajo, pH=10. A pHs mayores, precipitan CaCO3 y Mg(OH)2; además, la transición de color entre el indicador libre y complejado es menos evidente a otros valores de pHs y también cambia la estabilidad relativa de los complejos, con lo cual sería mucho más difícil determinar el punto final de la reacción y casi imposible asegurar que coincide con el de equivalencia. La secuencia que se produce durante la valoración se representa en el siguiente esquema: Mg2+ + NET [Mg-NET] ¢ púrpura Ca2+ + EDTA [Ca-EDTA] + H+ [Mg-NET] + EDTA [Mg-EDTA] + NET color azul En el siguiente video se puede ver esta volumetría: https://www.youtube.com/watch?v=X3VWvHWn858  
  • 12. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 12 Potabilización de agua para consumo humano El tratamiento del agua para el consumo humano suele incluir alguna o varias de las siguientes etapas: clarificación, desinfección, acondicionamiento químico y acondicionamiento organoléptico. A continuación se expone la cadena de tratamiento realizada en una de las plantas que abastecen de agua potable al conurbano bonaerense. La descripción corresponde a la Planta potabilizadora General Belgrano,perteneciente a la localidad de Bernal en el partido de Quilmes. Esta planta fue inaugurada en el año 1978 por la ex OSN y ampliada a fines de los 90’ por la concesionaria Aguas Argentinas S.A. En la página oficial de AySA, se puede ver una animación del proceso de potabilización. Cada etapa del mismo puede verse en detalle haciendo click en el paso correspondiente. También puede encontrarse una descripción de las diferentes plantas potabilizadoras que posee actualmente la empresa. Captación La toma de agua se realiza mediante una torre de hormigón ubicada en el Río de la Plata, a 2400 metros de distancia de la costa. Esta torre tiene forma hexagonal y posee una abertura para el acceso del agua en cada uno de los lados, las cuales tienen como protección rejas gruesas y compuertas. El agua se toma a una profundidad de 3 a 5 metros para evitar el arrastre de los componentes flotantes. De la torre parte un conducto de hormigón que traslada el agua por gravedad hasta la planta. Torre de captación. Costanera Norte. Elevación/conducción El recorrido del agua por toda la planta se realiza por gravedad. Para ello se requiere una altura de elevación que depende del nivel del río, el cual varía día a día. Esta elevación se logra con seis bombas.  
  • 13. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 13 Una vez elevada, el agua pasa por rejas finas con barredores automáticos para retener los sólidos flotantes y peces que hayan pasado a través de las rejas de la torre toma. Los conductos que conducen el fluido a la planta poseen medidores de caudal con el fin de estimar la dosificación de los productos químicos y controlar el funcionamiento de las electrobombas. Clarificación Durante la etapa de clarificación se eliminan las partículas finas. Consta de cuatro operaciones: coagulación, floculación y sedimentación y/o filtración. La Coagulación y Floculación son dos procesos en los cuales las partículas se aglutinan en pequeñas masas llamadas blocs, tales que su peso específico supere al del agua y puedan precipitar. 1) Coagulación “Coagulación” en tanto operación, se refiere al proceso de adicionar los productos químicos que permiten reducir o anular las fuerzas de separación que tienden a mantener las partículas coloidales en suspensión. La arcilla que contiene el Río de la Plata forma micelas liofílicas de carga superficial negativa. La carga de estas partículas coloidales se produce por la ionización de grupos hidroxilo, carboxilos, fosfatos o sulfatos, los cuales están presentes la superficie de la partícula. Estos grupos reaccionan con los iones metálicos de los coagulantes, que las neutralizan facilitando su aglutinación. Por eso, la desestabilización de los sistemas coloidales se ve mejor bajo el punto de vista químico. Entre las sustancias que pueden actuar como coagulantes, se encuentran las sales de aluminio, las de hierro y los polielectrolitos. En general, los coagulantes con mayor valencia actúan mejor debido a su mayor capacidad de intercambio de carga. El más usado en tratamientos de potabilización de agua es el sulfato de aluminio (alumbre); en la planta que se analiza se utiliza precisamente esta sustancia. Además, se agrega un polielectrolito, que es un polímero aniónico, para aumentar la masa de los flocs y ayudar a la floculación. El coagulante aumenta la acidez del agua, por lo que se agrega cal para equilibrar su pH y evitar la corrosión de las cañerías. La reacción puede verse en la siguiente ecuación: Al2(SO4)3 + 6H2O 2Al(OH)3 + 6H+ + 3SO4 2-  
  • 14. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 14 Si el agua contiene bicarbonatos, el pH puede mantenerse relativamente constante, ya que estos actúan como amortiguadores, como se expone en la ecuación: Al2(SO4)3·14H2O + 3Ca(HCO3)2 2Al(OH)3 + 6CO2 + 14H2O + 3CaSO4 Sin embargo, el CO2 puede producir corrosión y por lo tanto suele neutralizarse con cal. La dosificación del coagulante en la planta General Belgrano se realiza en la cámara de carga por medio de un sistema de válvulas reguladoras. La dosis adecuada de coagulante se determina mediante un ensayo en el laboratorio de planta (Jar-Test). 2) Floculación, Sedimentación y Decantación “Floculación” en términos de operaciones se llama a la aglomeración de las partículas por efecto de un movimiento lento del agua, de manera que se formen partículas de mayor tamaño (flocs) que puedan sedimentar por gravedad. La agitación necesaria para que se formen los flocs se logra mediante agitadores de paletas, instalados en la entrada de los decantadores; el movimiento lento del agua permite que las partículas se adhieran a los flóculos ya formados, de forma que estos aumenten de tamaño para su posterior precipitación. Los sedimentadores (que también se suelen llamar decantadores) consisten en unas piletas rectangulares con un volumen suficiente para asegurar el tiempo de residencia del agua necesario para que los flóculos se depositen en el fondo. En su tramo final poseen vertederos por encima de los cuales decanta la capa superior del agua límpida; el diseño de los mismos permite el drenaje a velocidad baja, de manera que el agua no arrastre los barros que se depositaron en el fondo.  
  • 15. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 15 3) Filtración El proceso de filtración consiste en la remoción de las partículas que no alcanzaron a sedimentar en la etapa anterior, haciendo pasar el agua a través de un material poroso. En la planta que analizamos, se usan filtros de arena de diferente granulometría. Un filtro está compuesto por un manto sostén: piedras, granza y arena. La filtración se realiza ingresando el agua sedimentada o decantada por encima del filtro. Por gravedad el agua pasa a través de la arena la cual retiene las impurezas o turbiedad residual que queda en la etapa de decantación. Desinfección Una vez filtrada, el agua se desinfecta a la entrada de la reserva mediante el agregado de cloro. El objetivo es destruir todo organismo viviente potencialmente infeccioso contenido en el agua y mantener un valor de cloro residual en la red de distribución que proteja al agua de posibles contaminaciones microbiológicas secundarias durante su distribución. Distribución La planta potabilizadora General Belgrano posee dos salidas. Mediante la estación elevadora Bernal I abastece de agua potable al partido de Quilmes. El resto del agua tratada es enviada por ríos subterráneos hasta otras estaciones elevadoras, a partir de las cuales se distribuyen en la red. Planta potabilizadora General Belgrano. (fuente AySA).  
  • 16. Diseño de Materiales Educativos 2016 Digitales   Carolina Lunati Página 16   Control de calidad La eficacia de la cadena de tratamiento se controla mediante el seguimiento de algunos parámetros seleccionados:  Turbiedad: se entiende por turbiedad a la propiedad óptica de una muestra de diseminar y absorber la luz en lugar de transmitirla en línea recta; es en parte responsable de la coloración del agua. Se mide en UNT, unidad que hace referencia al número de partículas. Parte de la contaminación queda adsorbida sobre las partículas que causan turbiedad, de ahí la importancia de mantenerla en valores reducidos.  Materia orgánica: se puede evaluar por dos parámetros, uno global, la oxidabilidad por el permanganato, y otro específico, la concentración de pesticidas. La materia orgánica también aporta color al agua y puede indicar contaminación de diversas fuentes.  Amoníaco: es un indicador de contaminación por aguas residuales.  Microorganismos: es esencial tener un control por el riesgo potencial que representan para la salud humana. Se pueden medir de manera directa o por medio del potencial de desinfección.  Metales pesados: indican contaminación industrial. Para seguir la evolución de estos parámetros, hay instalados tableros de calidad con sensores de medición en continuo en distintas etapas del tratamiento: agua cruda, decantada y filtrada. También se monitorea en tiempo real la evolución de conductividad, cloro, pH y temperatura. Los análisis físico-químicos y orgánicos se realizan en forma periódica.
  • 17. Diseño de Materiales Educativos Digitales 2016   Carolina Lunati Página 17   Bibliografía  Procesos Industriales. Otto Leidinger. Pontificia Universidad Católica del Perú. Fondo Editorial. 1997.  Química, la Ciencia central. Brown, TL; Le May, HE Jr; Bursten, BE. Prentice Hall Hispanoamericana, 1993, México.  Análisis Químico Cuantitativo. Harris D. Editorial Reverté. 2003  AySA. Página Oficial.