Descripción física del agua

IDENTIFICACIÓN.

TITULO DEL EXPERIMENTO:

Practica ºn 7: Demanda Química de Oxígeno (DQO)

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PROGRAMA: Tecnología Ambiental

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RESUMEN.

En la práctica de laboratorio se pretendía  determinar la demanda química de oxigeno como un parámetro que mide la cantidad de materia orgánica susceptible a ser oxidada por medios químicos, este método es aplicable en aguas continentales (ríos, lagos, acuíferos, etc.), aguas residuales o cualquier agua que pueda contener una cantidad apreciable de materia orgánica. Este análisis puede realizarse mediante un sistema cerrado o abierto.

ANÁLISIS DE RESULTADOS.

• La determinación de la DQO junto con la DBO permite establecer una relación y por tanto conocer si se debe efectuar un tratamiento de aguas residuales o un tratamiento físico-químico. Esta relación nos da idea de clase de vertido.

  Vertido industrial[pic 3]

  Vertido industria poco biodegradable (tratamiento físico-químico)[pic 4]

  vertido urbano (tratamiento biológico)[pic 5]

• Las sustancias orgánicas e inorgánicas oxidables presentes en la muestra, se oxidan mediante reflujo cerrado en solución fuertemente acida (H2SO4) ácido sulfúrico, con un exceso conocido de bicromato de potasio (K2Cr2O7) en presencia de (AgSO4) sulfato de plata y (HgSO4) sulfato de mercurio. Después de la digestión, el oxígeno consumido se determina mediante lectura espectrofotométrica a una longitud de onda de 600 nm contra estándares.

• El (K2Cr2O7) bicromato de potasio actúa como agente oxidante, este elemento químico tiende a ganar electrones quedando con un estado menor de oxidación.

                       se oxida[pic 6]

-6-5-4-3-2-1 0 +1+2+3+4+5+6

                                                                                                       se reduce[pic 7]

• El (HgSO4) sulfato de mercurio actúa como  un inhibidor de haluros (Cl, Br, I, F)

                                     HgSO4 + CaCl2                             HgCl2 + CaSO4[pic 8]

• El (AgSO4) sulfato de plata actúa como catalizador (ayuda a aumentar la velocidad de la reacción).

• El  (C8H5O4K) Ftalato acido de potasio se usa como solución patrón  debido a que su molécula es muy similar a la de la materia orgánica además es una sal con un hidrógeno ligeramente ácido, y se utiliza a menudo en valoración ácido-base porque es sólido y estable al aire, por lo que es fácil de pesar con precisión. Además, no es higroscópico.

En agua, el KHP se disocia completamente dando el catión potasio (K+) y el anión hidrógeno ftalato (HP-). Como ácido débil que es el HP-, reacciona reversiblemente con agua para dar el ion hidronio (H3O+) e iones ftalato (P2-).

HP- + H2O [pic 9] P2- + H3O+

• Al agregar el bicromato a la solución debe virar a amarillo, si por el contrario se pone verde quiere decir que la materia orgánica esta en exceso; la solución debe ser verde al momento del salir de termo reactor.

                            C6H12O6 + K2Cr2O7-- + 32 H+                    6CO2 + 8Cr+3 + 22H2O + 2K+[pic 10]

 ¿A cuánto equivale 1 kilo de H2SO4  en ml si la densidad de la solución es de 1.84 g/ml al 96%?

Peso molecular H2SO4: 98,079 g/mol

d= 1.84 g/ml

V= 3.5 ml H2SO4

d= m/v

m= d x V

m= 1.84 g/ml x 3.5 ml H2SO4[pic 11][pic 12]

m= 6.44 g H2SO4 x 98,079 g  H2SO4

m= 631.62 H2SO4 g H2SO4 Presente en la solución.

R/ 1 kg de H2SO4 equivale a 0.6316 ml de H2SO4.

¿Por qué el ftalato es un patrón primario?

Un patrón primario, es aquella sustancia que cumple con las siguientes características:

• Posee una elevada pureza, mayor del 99,9 %.

• Es estable frente a los agentes atmosféricos.

• Posee un peso molecular alto, para disminuir los errores asociados a la pesada.

El ftalato ácido de potasio es utilizado a menudo como patrón primario en valoración ácido-base porque es sólido y estable al aire, por lo que es fácil de pesar con precisión. Además, no es higroscópico.

En agua, el KHP se disocia completamente dando el catión potasio (K+) y el anión hidrógeno ftalato (HP-). Como ácido débil que es el HP-, reacciona reversiblemente con agua para dar el ion hidronio (H3O+) e iones ftalato (P2-).

HP- + H2O [pic 13] P2- + H3O+

El ftalato ácido de potasio, KHP, es una sal del ácido ftálico. El pH de una disolución de hidrogenoftalato de potasio se puede estimar como: pH =1/2(pK1 + pK2) el cual es independientemente de la concentración, ya que esta especie es anfótera, es decir actúa como ácido y como base a la vez.

¿Hallar la curva de calibración de la cartelera? ¿Calcular el DQO OJO la absorbancia de la muestra problema (agua residual) fue de 0.45?

[pic 14]

[pic 15]

• A= 0.45
• Ftalato= 1000 ppm
• Sulfato Ferroso Amoniacal (FAK)= 850 ppm

X = 1000 ppm FAK x 1000 DQO (mg/L O2)  = 1647 ppm O2[pic 16][pic 17]

                850 ppm FAK [pic 18]

DQO= (mg/L O2) = 1647 ppm O2

¿Cuáles son las interferencias del DQO?

• Los compuestos alifáticos volátiles de cadena lineal no se oxidan en cantidad apreciable, en parte debido a que están presentes en la fase de vapor y no entran en contacto con el líquido oxidante; tales compuestos se oxidan más efectivamente cuando se agrega Ag2SO4 como catalizador. Sin embargo, éste reacciona con los iones cloruro, bromuro y yoduro produciendo precipitados que son oxidados parcialmente.
• Las dificultades causadas por la presencia de los haluros pueden superarse en buena parte, aunque no completamente, por acomplejamiento antes del proceso de reflujo con sulfato de mercurio (HgSO4), que forma el haluro mercúrico correspondiente, muy poco soluble en medio acuoso. Si bien se especifica 1 g de HgSO4 para 50 ml de muestra, se puede usar una menor cantidad cuando la concentración de cloruro sea menor de 2 000 mg/L, mientras se mantenga una relación HgSO4:Cl– de 10:1. La técnica no se debe usar para muestras que contengan más de 2 000 mg de Cl–/L; existen otros procedimientos diseñados para determinar la DQO en aguas salinas.
• El nitrito (NO2–) tiene una DQO de 1,1 mg de O2/mg de NO2–-N, y como las concentraciones de NO2– en aguas rara vez son mayores de 1 o 2 mg NO2–-N/L, esta interferencia es considerada insignificante y usualmente se ignora. Para evitar una interferencia significante debida al NO2–, agregar 10 mg de ácido sulfámico por cada mg de NO2–-N presente en el volumen de muestra usado; agregar la misma cantidad de ácido sulfámico al blanco de agua destilada.
• Las especies inorgánicas reducidas, tales como iones ferroso, sulfuro, manganoso, etc., se oxidan cuantitativamente bajo las condiciones de la prueba; para concentraciones altas de estas especies, se pueden hacer las correcciones al valor de DQO obtenido, según los cálculos estequiométricos en caso de conocer su concentración inicial.

Problemas DQO

[pic 19]

[pic 20]

[pic 21]

CONCLUSIONES.

• A pesar de que hay diversos métodos de oxidación, en la determinación de la DQO se prefiere el método de reflujo cerrado por que es económico en el uso de reactivos de sales metálicas, pero para resultados reproducibles requiere la homogenización de muestras que contengan solidos suspendidos. Este método es aplicables para valores de DQO mayores de 50 mg/L, pero según la validación realizada, el límite se puede bajar a 20 mg/L.
• Es indispensable realizar diluciones con residuos que contengan una DQO alta ya que de esta manera podemos  reducir el margen de error que se presenta con mayor facilidad en muestras de volúmenes pequeños.
• La DQO  es mayor que la DBO por la cantidad de compuestos que se oxidan (o sea que la DBO esta intrínseca en la DQO), ya que en la DBO se oxida el material orgánico y al hacer la DQO se oxida material orgánico e inorgánico.
• En caso de que obtengamos un DBO  mayor que la DQO se puede determinar  un error de concepto. En dado caso puede ser que la forma de medida tenga un error de escala, jamás se debe dar ese resultado externamente, si es posible hablar con el suministrador de la muestra para despejar cualquier duda.
• Los métodos de reflujo cerrado son más económicos en cuanto al uso de  sales metálicas como reactivos y a la inexistencia del uso del agua para reflujo.
• La diferencia principal entre la DBO y la DQO es que la DQO engloba la DBO, es decir, la DBO es parte de la DQO pero incluye más cosas. DBO y DQO son dos conceptos relacionados.

EVALUACIÓN.

1. ¿Qué es un espectrofotómetro y un microreactor?

El espectrofotómetro un instrumento usado en el análisis químico que sirve para medir en función de la longitud de onda, la relación entre valores de una misma magnitud fotométrica relativos a dos haces de radiaciones y la concentración o reacciones químicas que se miden en una muestra. También es utilizado en los laboratorios de química para la cuantificación de sustancias y microorganismos. Hay varios tipos de espectrofotómetros, puede ser de absorción atómica, de absorción molecular y no debe ser confundido con un espectrómetro de masa.

Este instrumento tiene la capacidad de proyectar un haz de luz monocromática a través de una muestra y medir la cantidad de luz que es absorbida por dicha muestra. Esto le permite al operador realizar dos funciones:

Dar información sobre la naturaleza de la sustancia en la muestra.

Indicar indirectamente qué cantidad de la sustancia que nos interesa está presente en la muestra.

En la determinación de la Demanda Química de Oxigeno (DQO) el espectrofotómetro permite medir la cantidad de oxigeno consumido por medio de  una longitud de onda de 600 nm contra estándares.  

[pic 22]

El microreactor es un dispositivo en el que las reacciones químicas tienen lugar en un confinamiento con dimensiones laterales típicas por debajo de 1 mm la forma más típica de tales confinamiento son microcanales. El microreactor es por lo general un reactor de flujo continuo, ofrecen muchas ventajas sobre los reactores convencionales incluyendo grandes mejoras en la eficiencia energética, la velocidad de reacción y el rendimiento, seguridad, fiabilidad, escalabilidad, producción y un grado mucho más fino de control de procesos.

[pic 23]

1. ¿Expresa las ecuaciones químicas ocurridas durante la práctica de DQO?

• En condiciones aerobias la degradación biológica de los carbohidratos se expresa de la siguiente manera:

C6H12O6 + 6O2            6O2  + 6H2O[pic 24]

• La solución acelerada con di-cromato se expresa como:

C6H12O6 + 4Cr2O7 + 32H                   6CO2 + 8Cr + 22H2O[pic 25]

1. ¿Cuál es el principio del método utilizado (Flujo cerrado)?

La materia orgánica resulta oxidada por una mezcla a ebullición de los ácidos crómicos (H2CrO4) y sulfúricos (H2SO4). Se somete a reflujo una muestra en una solución acida fuerte con un exceso de di-cromato (K2Cr2O7). Después de la digestión del di-cromato no reducido se cuantifica para determinar la cantidad de dicromato consumido.

El sulfato de plata (Ag2SO4) se utiliza como catalizador para la oxidación de compuestos alifáticos lineales, el sulfato de aluminio (Al2(SO4)3) como inhibidor de haluros.  El tiempo de reflujo es de dos horas a 150 ºC y el consumo de oxigeno se mide a 600 nm con el espectrofotómetro.

1. ¿Qué son compuestos alifáticos volátiles?

Los compuestos alifáticos son sustancias químicas que contienen carbono y se encuentran en todos los elementos vivos. Los compuestos alifáticos volátiles, se convierten fácilmente en vapores o gases. Junto con el carbono, contienen elementos como hidrógeno, oxígeno, flúor, cloro, bromo, azufre o nitrógeno. Son liberados por la quema de combustibles, como gasolina, madera, carbón o gas natural. También son liberados por disolventes, pinturas y otros productos empleados y almacenados en la casa y el lugar de trabajo.

1. ¿En qué se diferencia el DQO del DBO?

El DQO es un parámetro que mide la cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios químicos que hay disueltas o en suspensión en una muestra líquida. Se utiliza para medir el grado de contaminación y se expresa en miligramos de oxígeno diatómico por litro (mgO2/l). Aunque este método pretende medir principalmente la concentración de materia orgánica, sufre interferencias por la presencia de sustancias inorgánicas susceptibles de ser oxidadas (sulfuros, sulfitos, yoduros...), que también se reflejan en la medida.

El valor obtenido es siempre superior a la demanda biológica de oxígeno (aproximadamente el doble), ya que se oxidan por este método también las sustancias no biodegradables. La relación entre los dos parámetros es indicativa de la calidad del agua. En las aguas industriales puede haber una mayor concentración de compuestos no biodegradables.

1.  ¿Qué tipo de aguas pueden ser analizadas mediante DQO?

El método es aplicable en aguas continentales (ríos, lagos o acuíferos), aguas negras, aguas pluviales o agua de cualquier otra procedencia que pueda contener una cantidad apreciable de materia orgánica. Este ensayo es muy útil para la apreciación del funcionamiento de las estaciones depuradoras. No es aplicable, sin embargo, a las aguas potables, ya que al tener un contenido tan bajo de materia oxidable la precisión del método no sería adecuada. En este caso se utiliza el método de oxidabilidad con permanganato potásico. La DQO varía en función de las características de las materias presentes, de sus proporciones respectivas, de sus posibilidades de oxidación y de otras variables. Es por esto que la reproductividad de los resultados y su interpretación no pueden ser satisfechas más que en condiciones de metodología de ensayo bien definida y estrictamente respetada. Las concentraciones de DQO en las aguas residuales industriales pueden tener unos valores entre 50 y 2000 mgO2/l, aunque es frecuente, según el tipo de industria, valores de 5000, 1000 e incluso más altos.

Según la Organización Panamericana de la Salud (OPS) estos son los criterios de DQO para calificar ríos y quebradas:

• Rio muy limpio:                           < 2 mg/L O2.[pic 26]
• Rio limpio:                                   2.5 mg/L O2.
• Rio sucio:                                    5 mg/L O2.
• Rio en malas condiciones:          7 mg/L O2.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

TEXTOS SUGERIDOS

• Standard methods for examinatión of wáter and waste water publicadopor la APHA.

TEXTOS COMPLEMENTARIOS

• Romero J.A 2002 calidad del agua. Escuela colombiana de ingeniería 2da edición. Santa fe de Bogotá. Pag
• MANUAL DE PRACTICAS DE LABORATORIO DE RECURSO AGUA, Departamento de Ciencias Básicas, Unidades Tecnológicas de Santander. 2013.