Demanda de Cloro

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERIA AMBIENTAL

DEMANDA DE CLORO OBJETIVOS 

Conocer el principio de la determinación de la demanda de cloro necesario para las aguas de consumo humano.



Desarro Desarrollar llar experim experimenta entalmen lmente te los principio principioss de la desinfe desinfecció cción n utilizad utilizada a para el tratamiento de aguas.



Determinar la cantidad de cloro residual, luego de la dosificación de cloro (solución madre).

CLORACION O DESINFECCIÓN El cloro, debido a su gran eficacia, incluso en dosis extraordinariamente extraordinari amente pequeñas, y su facilidad de empleo, es el reactivo más utilizado para la desinfección del agua.

CARACTERISTICAS DEL CLORO Peso atómico Solubilidad a 15 °C = Ebullición = Estado físico Fusión Temp. crítica: Presión crítica Valencia Densidad Nº atómico

=

=

= 35.5 2.5 litro po por lilitro de H 2 O -37.6°C = Gas amarillo - verdoso 102° = 146° = 93 atm. = -1 , +1, +3, +5, +7 = 2.45 17

El cloro como elemento, elemento, no se encuentra libre libre en la naturaleza por su gran actividad actividad química, química, pero abunda en combinación formando cloruros. Las principales combinaciones del cloro son:

El de sodio o sal común El de potasio o silvina

ClNa ClK

El cloro es un gas amarillo-verdoso, de olor sofocante, que ataca las vías respiratorias. El cloro es dos veces y media más pesado pesado que el aire y fácilmente liquefactible liquefactible por enfriamiento enfriamiento y presión. El cloro a causa de la gran variabilidad de su valencia ofrece muchas reacciones de oxidación y reducción al pasar pasar a HOCl HOCl (ácido (ácido hipocloros hipocloroso), o), HClO3 (ácido clórico), HClO4 (ácido perclórico), etc. El cloro se usa usa como decolorante decolorante y desinfectante, desinfectante, generalmente generalmente en la forma de hipocloritos hipocloritos.. El cloro se usa además para la extracción del oro y la obtención de cloruros hipocloritos, cloritos, cloratos, etc.

Procesos Unitarios Unitarios en Ingeniería Ingeniería Sanitaria

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El cloro es un agente fuerte de oxidación (su potencial standard de oxidación es de 1.36v.). La acción desinfectante del cloro se debe probablemente probablemente a la inactivación de la célula glucosa y del sistema de metabolismo por la oxidación de las enzimas. El cloro destruye por contacto la enzima de la célula, produciéndose una combinación, combinación, alterando e impidiendo su efectiva actividad. En solución acuosa el agente activo de la desinfección es el ácido hipocloroso (HOCl). Cl2 + H2O HCl + HOCl Para las concentraciones que se usan en la desinfección, la reacción anterior es prácticamente completa y se produce muy rápidamente. Los hipocloritos de Calcio y Sodio reaccionan de una manera similar con el agua a un valor de pH favorable:

Ca( OCl )2 + 2H2O NaOCl + H2O

Ca( OH )2 + 2HOCl NaOH + HOCl

PUNTO DE QUIEBRE DEL CLORO ( BREAK B REAK POINT CLORINATION ) Antes del año de 1943 no existía ninguna prueba rutinaria (determinación del cloro residual) residual),, para poder distingui distinguirr las cloraminas cloraminas (NH2Cl, NHCl2, NCl3) del cloro libre (HOCl). Con Con el desa desarro rrollo llo de prue prueba bass adec adecua uada dass ha sido sido posi posibl ble e dete determi rmina narr las las reacciones que ocurren cuando se agrega cloro al agua que contenga amonio (NH3), (ó materia orgánica).

Grafico que relaciona cloro aplicado versus cloro residual

Punto A:

A pes pesar ar de que que el el clo cloro ro que que se se apl aplic ica a aum aumen enta ta su valo valorr , el cloro residual disminuye y puede llegar a ser cero.


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El cloro es un agente fuerte de oxidación (su potencial standard de oxidación es de 1.36v.). La acción desinfectante del cloro se debe probablemente probablemente a la inactivación de la célula glucosa y del sistema de metabolismo por la oxidación de las enzimas. El cloro destruye por contacto la enzima de la célula, produciéndose una combinación, combinación, alterando e impidiendo su efectiva actividad. En solución acuosa el agente activo de la desinfección es el ácido hipocloroso (HOCl). Cl2 + H2O HCl + HOCl Para las concentraciones que se usan en la desinfección, la reacción anterior es prácticamente completa y se produce muy rápidamente. Los hipocloritos de Calcio y Sodio reaccionan de una manera similar con el agua a un valor de pH favorable:

Ca( OCl )2 + 2H2O NaOCl + H2O

Ca( OH )2 + 2HOCl NaOH + HOCl

PUNTO DE QUIEBRE DEL CLORO ( BREAK B REAK POINT CLORINATION ) Antes del año de 1943 no existía ninguna prueba rutinaria (determinación del cloro residual) residual),, para poder distingui distinguirr las cloraminas cloraminas (NH2Cl, NHCl2, NCl3) del cloro libre (HOCl). Con Con el desa desarro rrollo llo de prue prueba bass adec adecua uada dass ha sido sido posi posibl ble e dete determi rmina narr las las reacciones que ocurren cuando se agrega cloro al agua que contenga amonio (NH3), (ó materia orgánica).

Grafico que relaciona cloro aplicado versus cloro residual

Punto A:

A pes pesar ar de que que el el clo cloro ro que que se se apl aplic ica a aum aumen enta ta su valo valorr , el cloro residual disminuye y puede llegar a ser cero.


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Punto B:

Llam Llamad ado o tam tambi bién én punt punto o de de qui quieb ebre re en en la clor clorac ació ión. n. A parti partir r de ese punto el cloro que se agregue al agua formará ácido hipocloroso de gran poder desinfectante. LAS CLORAMINAS

El Cloro Cloro (o hipoc hipoclo lori rito tos) s) y el amonía amonía (NH (NH3) en solución reaccionan en la siguiente forma:

Cl2

+ H2O

HOCl + HCl

HOCl + NH3 Cl2

NH2Cl + H2O

+ 2NH3

NH2Cl + HOCl 2Cl2

+ 3NH3

ACIDO HIPOCLOROSO MONOCLORAMINA

NH2Cl + NH4Cl MONOCLORAMINA NHCl2 + H2O

DICLORAMINA

NHCl2 + 2NH4Cl DICLORAMINA

NHCl2 + HOCl NCl3 + H2O A pH 8.5 sólo existe la monocloramina (NH2Cl)

TRICLORAMINA

Entre pH igual 5 y pH 8.5, existe una mezcla mezcla de: • •

Monocloramina (NH 2Cl) Dicloramina (NHCl 2)

A pH igual a 7 existe una mezcla igual igual de : • •

Monocloraminas (NH 2Cl) un 50 % Dicloraminas (NHCl 2) un 50 %

Entre pH igual a 4.4 y pH igual a 5.0 existe sólo •

Dicloramina (NHCl 2)

A pH 4.4 solo existe •

Triclo Tricloram ramina ina (NCl (NCl3)

Las cloramina cloraminass ( Monoclo Monocloramina ramina NH2Cl, Dicloramina NHCl2 y Tricloramina NCl3) como desinfectantes, son diferentes al cloro libre o (Ácido Hipocloroso HOCl ) APLICACIÓN APLICA CIÓN DE CLORO CLORO Una aplicación adecuada de Cl 2 o HOCl debe ser suficiente como para: a)

Como Como para para deja dejarr un clor cloro o resi residu dual al acti activo vo (HOC (HOCl) l),, desp despué uéss de la comb combin inac ació ión n del del clor cloro o con con las las sust sustan anci cias as que que inte interf rfie iere ren n en su aplic aplicac ació ión, n, mate materia ria orgá orgáni nica ca nitr nitrog ogen enad ada a (NH (NH 3), que proteja al abastecimiento de agua de una probable futura contaminación.


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b) Como para para mantener mantener una concent concentració ración n residual residual capaz de penetra penetrarr las membranas y paredes de la célula y bloquear el metabolismo de las células destruyendo por oxidación a las enzimas. Después de alcanzado el punto de quiebre (break point clorination) todo el cloro que se titula es HOCl, pero este al variar el pH del agua se disocia en iones H+ y OCl-, en la siguiente forma: (el poder desinfectante del HOCl es 40 veces superior al de OCl -).

K

H+ + OCl-

HOCl

(I)

Dond Donde e “K” “K” es igua iguall a una una cons consta tant nte e de ioni ioniza zaci ción ón que que depe depend nde e de la temperatura. Valores de la constante K para una fuerza iónica 0.01N se presenta en la siguiente tabla:

Temp. °C_

0°C_

10°C

20°C

30°C

K de ionización 2.0 x10-8 2.6 x10-8 3.3 x10-8 4.2 x10-8 Si llamamos “T” a la concentración del cloro total titulado residual en p.p.m.

“T”

=

[HOCl] + [OCl -]

(II)

y de la ecuación ecuación (I) despejamos despejamos la constante constante de ionización ionización K, en función del producto de ionización y el ácido hipocloroso, tendríamos:

[ H+] [ OCl -] K

= [ HOCl ]

Si de esta esta últim última a ecua ecuaci ción ón desp despej ejam amos os el valo valorr corr corres espo pond ndie iente nte al ión ión hipocloroso tendríamos: -

[OCl ] =

K [ HOCl ] [ H+ ]

Sustituyendo en (II) el valor correspondiente al ión hipocloroso, tenemos:

K [HOCl ] “T” =

[ HOCl ] +

o también:

[H+ ] K

“T” =

[HOCl]

1 +


[H+ ] 4


De esta última expresión podríamos despejar el valor correspondiente al porcentaje de eficiencia en la desinfección, y este sería:

[ HOCl ]

% de eficiencia =

1 (III)

“T”

1+

K [H+ ]

Sabemos que el pH es igual a :

1 pH = log10 de donde:

[H+ ]

1

pH

10

=

[H+ ]

Sustituyendo este último valor en la expresión III, tendríamos que el porcentaje de la eficiencia es igual a :

[ HOCl ]

1 =

T

1 + K 10 pH

Para que la cloración sea efectiva interesa que el valor de K 10pH sea lo más pequeño posible y entonces casi todo el cloro estará en la forma de HOCl.

T HOCl

= 1

+ K 10pH

Un pH bajo significará que existe un mayor porcentaje de HOCl y menor porcentaje de OCl- , y por consiguiente tendremos una buena cloración. El porcentaje de ión hipocloroso lo podríamos determinar de acuerdo a la siguiente expresión:

(% OCl-)

=

100 - (% HOCl)

Si sustituimos los diferentes valores de K para diferentes valores de pH en las ecuaciones anteriores, obtenemos:

pH Temperatura Temperatura Temperatura 0 C 10 C 20 C -8 -8 K = 2.0 x 10 K = 2.6 x 10 K = 3.3 x 10-8 % % % %OCl %OCl %OClHOCl HOCl HOCl 99.99 3 99.998 0.002 99.997 0.003 0.004 6 4 99.98 0,02 99.97 0,03 99.96 0.04 5 99.80 0.20 99.70 0,30 99.67 0.33 Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

Temperatura 30 C K = 4.2 x 10-8 % %OClHOCl 99.99 0.005 5 99.95 0.05 95.96 0.42 5


6 7 8 9 10

98.03 83.33 33.33 4.76 0.50

1.97 16.67 66.67 95.24 99.5

97.46 79.36 27.77 3.70 0.27

2.54 20.64 72.23 96.30 99.60

96.80 75.18 23.25 2.94 0.30

3.20 24.82 76.75 97.06 99.70

90.58 70.42 19.23 2.32 0.22

4.04 29.58 80.77 97.68 99.77

El cuadro anterior nos muestra que a un valor de pH igual a 6.0 ó menor, prácticamente todo el cloro titulable presente es HOCl Cuando el valor del pH aumenta sobre 6.0, la fracción presente como OCl-. A un valor de pH igual o mayor a 10 prácticamente todo el cloro titulable se encuentra como OCl-.

SIGNIFICACO PRACTICO DEL PUNTO DE QUIEBRE DEL CLORO (Break Point Clorination). PRIMERO: Teniendo en solución cloro libre (HOCl) la desinfección será más rápida y el poder de destrucción (matanza) de bacterias será uniforme después del punto de quiebre (Break Point). SEGUNDO: El sabor y olor son mínimos en las concentraciones del (Break Point) punto de quiebre; sin embargo no lo cura todo, pues algunas aguas, aun con un apropiado control del punto de quiebre (Break Point), tienen un olor intenso y es necesario filtrarla por carbón activado. TERCERO: El residuo final después del punto de quiebre es estable; la materia orgánica nitrogenada (que sirve de alimento para los crecimientos) está destruida. CUARTO: En algunos casos el color del agua aumenta.

CLORO DISPONIBLE EN COMPUESTO DE CLORO QUE SE USAN EN LA DESINFECCIÓN El “Cloro Disponible”, puede calcularse basándose en el número de valencias del cloro en la molécula considerada. Es al relación del compuesto considerado en una molécula de Cl 2 (cloro nativo), en su poder oxidante. Cuando vimos las reacciones de oxidación y reducción, estudiamos como se calcula el “número de valencias” en compuestos, por medio de reglas arbitrarias que es necesario recordar:

PRIMERO: Ciertos elementos tienen asignados números constantes para sus valencias, Ejemplo:. Hidrógeno H+ +1 Oxígeno O -2 Metales alcalinos (sodio Na+, etc) +1 Met. Alcal. Térreos (calcio Ca+, etc) +2 Elementos no combinados 0 SEGUNDO: Que las cargas de valencias negativas y positivas en una molécula deben ser iguales, o sea que la suma algebraica de las valencias positivas y negativas debe ser cero, Ejemplo: En la oxidación la molécula de cloro (Cl 2) cae del número de valencia 2 x 0 (Cl°,- Cl°) a 2 x (-1) (Cl

Elemento Valencias positivas y negativas

Cl2 HOCl 0 +1,-2.+1

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ClO3 ClO2 NaCl +5.-6 +4,-4 +1,-1

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Cuando más alto el número de valencias del cloro en la molécula considerada mayor será su capacidad de oxidación (pues mayor será su caída de valencia); entonces el átomo Cl en la molécula HOCl será (+1), y es equivalente en potencia de oxidación a los dos átomos del cloro de Cl2 (cloro nativo), desde que la oxidación total resulta y termina (o la reducción del Cl) con la formación de un ión de Cl con una valencia (-1). Gráficamente será:

Considerando, como otro ejemplo, el bióxido de cloro ClO 2 ; Gráficamente, tenemos: ClO2 Cl-1 ; el cloro pasa de:

+4, -4 valencias Cl0 Cl0

+4, + 3, + 2, +1, (1) (2) (3) (4)

0

-1 (5)

Cl-1 ya sabemos que caen 2 valencias.

Luego en potencia de oxidación el O 2Cl es 2.5 veces la del cloro nativo Cl 2 ; ó la potencia oxidante del O2Cl es equivalente a 2.5 Cl 2 . Finalmente, teniendo la certeza del número de moléculas de cloro a las cuales la molécula considerada es equivalente, el cálculo del cloro disponible sigue a una simple proporción estequiométrica.

EL CLORO El cloro es un gas ampliamente distribuido en la naturaleza, su capacidad de reacción es tal, que es muy extraño encontrarlo como gas libre. Es conocido el peligro potencial para la salud el trabajar en su manufactura y en usos industriales. El cloro gas en sí es un gas cáustico, irritante, amarillo verdoso, cuyo peso supera el doble del peso del aire. Es manufacturado pasando electricidad a través de una solución de sal de mesa y entonces es usualmente comprimido a líquido para empaque y almacenamiento. El manejo y uso de ambos, cloro líquido y cloro gaseoso requiere atención a las precauciones de seguridad. El cloro es usado en muchas industrias como blanqueador de materiales blancos usados en industrias de papel y textiles, así como en la elaboración de fibras de celulosa para fábricas Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

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sintéticas. En vista que es también un poderoso desinfectante es usado para purificar agua de bebida, para desinfectar piscinas de natación y tratamiento de aguas servidas. En la industria química es usado para la manufacturación de químicos útiles tales como solventes, gases refrigerantes, plásticos, productos de goma y microbicidas. El cloro en el comercio está clasificado por el Departamento de transporte del Instituto del Cloro, como un gas comprimido no inflamable. El cloro en cilindros se encuentra en ambas fases: líquido y gas. Todos los envases usados en la transportación de cloro así como todo sobre su transporte, es controlado por las regulaciones gubernamentales. Es responsabilidad de cada persona envasadora, transportadora o usuario del cloro, el conocimiento y cumplimiento de estas regulaciones. El cloro es un elemento químico. Ni es estado gaseoso, ni en estado líquido es explosivo o inflamable; ambos reaccionan químicamente con muchas sustancias. El cloro es sumamente soluble, únicamente en agua. En su fase gaseosa tiene un color característico y un color amarillo verdoso, siendo aproximadamente 2 ½ veces mas pesado que el aire. Así que en caso de fuga de un cilindro o del sistema de cloración, él buscará el nivel bajo del edificio o área donde el escape ocurra. El cloro líquido es claro, de color ámbar y es cerca de 1 a 1 ½ veces mas pesado que el agua. A presión atmosférica, su punto de ebullición está cerca de los 30 F (-34.4 C). Cuando se vaporiza un volumen de cloro líquido, puede producir cerca de 460 volúmenes de gas. Si bien el cloro gas no reacciona con muchos metales, él es muy reactivo (fuertemente corrosivo) cuando la humedad se hace presente. A menos que se indique lo contrario, la palabra cloro utilizada aquí, se refiere a cloro seco.       





Cloro: Elemento químico en cualquier estado o condición, puede existir bajo las condiciones por el momento consideradas. Cloro líquido: Es un gas comprimido o licuado para empaque comercial. Cloro gas: Es cloro seco en estado gaseoso. Cloro seco: El cloro, líquido gaseoso contiene no mas de 150 ppm de agua. Cloro húmedo: El cloro, líquido o gaseoso que contiene mas de 150 ppm de agua (por peso). Cloro mojado: Sinónimo de cloro húmedo. Cloro gas saturado: Cloro gas en tales condiciones que la remoción de cualquier calor causaría la condensación a líquido de alguna porción de él. Este término no debe ser confundido con cloro húmedo o mojado. Cloro líquido saturado: El cloro líquido está en condiciones tales que cualquier adición de calor puede causar alguna vaporización de gas. Este término no debe ser confundido con el cloro húmedo o mojado. Solución de cloro: Una solución de cloro en agua (para la solubilidad del cloro en agua).


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R eacciones del cloro con el agua DESINFECCION CON CLORO El cloro continua siendo la sustancia química que más económicamente, y con mejor control y seguridad se puede aplicar al agua para obtener su desinfección. Cuando el cloro se aplica al agua, la reacción química que se produce es la siguiente: Cl2 + H2O  HOCL + H+ CL- , que se complementa hacia la derecha al cabo de varias horas, así: HOCL  H+ + OCL. La desinfección requiere, dependiendo del tipo de agua, un mayor o menor período de contacto y una mayor o menor dosis del desinfectante. Generalmente, un agua relativamente clara, pH cerca de la neutralidad, sin muchas materias orgánicas y sin fuertes contaminaciones, requiere de unos cinco a diez minutos de contacto con dosis menores a un mg/l. De cloro. En cada caso deberá ser determinada la dosis mínima requerida para que permanezca un pequeño residuo libre que asegure un agua exenta en cualquier momento de agentes patógenos vivos. Cuando se aplican soluciones, como las de hipoclorito de calcio o de sodio, deberá tomarse en cuenta su contenido de cloro, expresado en la forma de ácido hipocloroso, con objeto de fijar las dosificaciones. También deben considerarse las concentraciones de las soluciones. Por ejemplo: un producto comercial, el hipoclorito de calcio, con 98% de pureza, dará: (ClO)2 Ca + H2O  2ClOH + Ca, el peso molecular del ácido hipocloroso es de aproximadamente 52, y el del hipoclorito de calcio es de aproximadamente 144. Luego 2 x 52 / 144 = 0.722 y 0.722 x 0.98 = 0.71; es decir, 71% de Cl utilizable en la forma de ácido hipocloroso.


9


El cloro se encuentra en tres estados físicos: gaseoso, líquido o sólido. El equipo requerido para la dosificación del cloro depende del estado en que éste se vaya a dosificar. 









Cloro gaseoso en solución acuosa. El cloro viene embalado en cilindros y para poder pasarlo a una solución acuosa se requiere de agua a presión. Por la complejidad y peligrosidad en el manejo del cloro gaseoso, este sistema es más utilizado en plantas de purificación convencionales para acueductos de gran tamaño. Aplicación directa del cloro gaseoso. Este sistema de aplicación del cloro gaseoso es utilizado en instalaciones relativamente pequeñas, pero teniendo en cuenta que se requiere una cierta infraestructura y adiestramiento de los operarios. Aplicación del cloro sólido o líquido. En instalaciones pequeñas resulta ser más económico y fácil el empleo del cloro en cualquiera de estos dos estados. Los hipocloritos (sales del ácido hipocloroso) pueden ser obtenidos comercialmente en cualquiera de estas formas. Algunos de ellos son: Hipoclorito de calcio: El hipoclorito de calcio más usado es el HTH (High Test Calcium

Hypoclorite), el cual viene en forma granular, polvo o tabletas. Su aplicación puede ser directa o mediante la preparación previa de una solución acuosa. Hipoclorito de sodio: Este hipoclorito viene en forma líquida en diferentes concentraciones. Por ejemplo el Peclorito 130 (130 g/L). El cloro es un elemento muy corrosivo y por lo tanto se debe tener precaución en su manejo; adicionalmente los equipos empleados deben ser de materiales resistentes a la corrosión. Los hipocloritos líquido son dosificados mediante el empleo de "hipocloradores", los cuales son bombas de desplazamiento positivo, de diafragma o pistón , con elementos resistentes a la corrosión del cloro. Para hacer la dosificación de un hipoclorito, es necesario hacer una dilución de la concentración inicial de cloro de 0.5 a 1.0 por ciento en peso. En la práctica, el cloro líquido se obtiene en cilindros a presión con capacidades de 100, 150 y 2.000 libras (46-88 y 908 Kg.). El cloro líquido se gasifica en cuanto deja de estar sometido a presión y los aparatos dosificadores (cloradores) lo aplican como tal o bien disuelto en agua. El cloro se obtiene en la forma de hipoclorito de calcio o sodio y se aplican como suspensiones. Para dosificaciones que requieran gran exactitud se utiliza el gas cloro aplicado con aparatos cloradores de alta precisión. El pH del agua del agua tiene una marcada influencia en la cloración de las aguas. Por ejemplo, a pH 6 una solución de cloro es casi 100% HCLO y baja a un por ciento mínimo a pH 9.

DETERMINACION DE LA CAPACIDAD DEL CLORADOR. Muchos factores determinan la exacta cantidad de cloro a dosificar en una aplicación dada para obtener los resultados deseados. Los dosificadores de gas cloro funcionan abarcando una amplia gama de dosificaciones y normalmente pueden convertirse fácilmente en dosificadores de capacidad mayor o menor. El caudal máximo de un clorador es por lo menos veinte veces su dosificación mínima, con cualquier capacidad dada del tubo medidor. Como una ayuda a los lectores no familiarizados con algunos de los términos básicos utilizados en cloración y en tratamiento de agua y aguas residuales, las siguientes definiciones pueden serle útiles: a. DOSIFICACION. La cantidad de cloro añadida al agua o aguas residuales, expresada en partes por millón (PPM) o miligramos por litro (mg/L).


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b. DEMANDA. La cantidad de cloro requerida para reaccionar con las substancias orgánicas e inorgánicas, y destruir las bacterias contenidas en el suministro de agua. c. EFLUENTE. La descarga de líquido de una planta de tratamiento o de una parte del equipo o depósito dentro de la planta. d. DBO. Demanda Bioquímica de Oxígeno; la cantidad requerida de oxígeno para la oxidación química y biológica de las substancias contenidas en el agua en un tiempo específico, bajo condiciones específicas. e. CLORO RESIDUAL. La cantidad de cloro remanente después de un periodo de contacto especificado. Es necesario mantener un nivel de cloro residual para asegurar el tratamiento completo y adecuado. Margen de seguridad contra una subsiguiente contaminación. f. CONTRAPRESION. La presión en una tubería en la que el cloro tiene que inyectarse más la pérdida de presión en la tubería de solución desde el eyector al punto de aplicación.

La cantidad de cloro requerida para efectuar la desinfección (dosificación) o cualquier otro tipo de tratamiento depende de: La demanda de cloro en el agua, la cantidad y tipo de cloro residual requerido; el tiempo de contacto del cloro en el agua, la temperatura del agua, el volumen del flujo a tratar. La demanda de cloro se define como la diferencia entre la cantidad de cloro aplicada al agua y la cantidad de cloro libre residual, combinado residual o total resultante al final de un específico período de contacto. Las diferentes sustancias presentes en el agua, influyen en la demanda de cloro y complican el uso de cloro para la desinfección. Por lo tanto es necesario aplicar suficiente cloro no solo para destruir organismos, sino también para compensar el cloro consumido por esas sustancias.


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El tipo y cantidad de cloro residual requerido para una aplicación particular, así como el tiempo de contacto necesario, varía de tiempo en tiempo y de lugar en lugar. Adicionalmente cualquier tipo de restricción impuesta por las autoridades de salud pública, deberán ser tomadas en consideración. Los resultados obtenidos en instalaciones anteriores, pueden ser utilizados como una guía en la selección del tratamiento a seguir. Así mismo, es conveniente realizar algunas pruebas de laboratorio, en plantas existentes o en plantas pilotos para obtener el tipo de tratamiento requerido. Las pruebas son especialmente importantes cuando se desea realizar un tipo de cloración con varios objetivos (desinfección y otras finalidades). Los datos aportados en la Tabla No 1 son valores aproximados y se utilizan como guía para el cálculo de la capacidad del dosificador.

Tratamiento de Cloración para:

Dosificación Típica en partes por millón (ppm)

AGUA

3-5

Refrigeración

20

Enfriamiento

50

Lavado a chorro

1-5

Pozo

1-10 Existen muchas variables que pueden afectar al agua de superficie y al tratamiento requerido

Superficial AGUAS RESIDUALES

15-20

Aguas residuales

Dosis promedio 3-8

Efluente filtro percolador Efluente fango activado Efluente filtro de arena ALGAS

3-5

BACTERIAS

3-5

BACTERIAS FERROSAS

1-10 variando con la cantidad de bacterias a controlar

CIANURO Reducción de Cianato

2 veces el contenido de Cianuro 8, 4 veces el contenido de Cianuro

Destrucción completa


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COLOR (eliminación)

La dosificación depende del tipo y de la cantidad de color que desee eliminar. Puede variar desde una dosificación de 1 a 500 ppm

LIMO

3-5

OLOR

1-3

PISCINAS

1-5

Precipitación de Hierro

0.64 veces el contenido de Fe

Precipitación de Manganeso

1.3 veces el contenido de Mn

REDUCCION DE DBO

10

SABOR

1-3

SULFURO DE HIDROGENO

2 veces el contenido de H2S

Control de sabor y Olor

8, 4 veces el contenido de H2S

Destrucción

TABLA N°1 Dosificaciones Típicas en ppm

PARTE EXPERIMENTAL Materiales       

01 pipeta de 1 ml. 01 pipeta de 0.1 ml. 01 probeta de 200 ml. Parafilm o película de parafina. Ortotolidina. 03 Erlenmeyer. Solución Madre de cloro 1000 ppm.

Mecanismos de Desinfección con cloro El cloro generalmente presente en estado gaseoso (Cl 2), hipoclorito de sodio (NaOCl) e hipoclorito de calcio (CaOCl 2) se hidroliza al entrar en contacto con el agua:

Ca(OCl)2 + 2H2O = Ca++ +2OH- + 2HOCl 2HOCl

=

Ácido Hipocloroso


H+

+

OClIon hipoclorito

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Especies microbicidas que inhiben la actividad enzimática de bacterias y virus produciendo su in activación. Asimismo la eficiencia del HOCl es 80 veces mayor que la del OCl -.

Aguas para consumo humano Como etapa final en el tratamiento de aguas (poscloracion) o previo a cualquier tratamiento (precloracion).

Aguas Residuales Como etapa final en el tratamiento (poscloracion) generalmente para disminuir la concentración de coliformes termotolerantes.

Equipo Requerido 

01 comparador de cloro.

Procedimiento Cloro Residual 

Preparamos la solución madre de cloro, la cual contiene 1000 ppm de Cloro.



Preparamos Erlenmeyer con 200 ml de muestra.


14






Calculamos la cantidad de solución madre de cloro a agregar a la muestra problema aplicando la siguiente formula.

Añadimos el volumen de solución madre en cada muestra de agua.


15




Guardar tapado con parafilm. Tiempo de contacto 30 minutos.

Cloro Residual – Método Ortotolidina 

Medir el cloro residual libre


16




Añadimos 2 ml de ortotolidina al blanco y a la muestra. Esperamos 3 minutos; analizamos la muestra haciendo la comparación en el equipo.

Cloro Residual – Método del dietil para fenilendiamina DPD 

Añadimos un volumen de muestra con cloro y le agregamos una pastilla DPD. Esperemos que se disuelva la pastilla y analizamos la muestra haciendo la comparación con el equipo en le vire a un color rosado.


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CALCULOS Y RESULTADOS 1. Calcular la demanda de cloro para cada una de las muestras analizadas. Dosis de Cloro (mg/l) 0.5 5 10 15

Volumen de la Volumen de la Muestra Solución Madre (ml) (ml) 200 200 200 200

0.10 1.01 2.02 3.05

Cloro Residual (mg/l) 0.41 0.40 0.50 0.56

2. Luego calculamos la Demanda de Cloro Demanda de Cl = Dosis de Cl – Conc. Residual de Cl Dosis de Cloro Demanda Cloro Residual de Cloro (mg/l) (mg/l) (mg/l) 0.5 5 10 15

0.41 0.40 0.50 0.56

0.09 4.60 9.50 14.44

3. Grafique los datos obtenidos y encuentre la curva de la demanda de cloro para la muestra analizada . Interprete sus resultados.


18


4. Determine la dosis de cloro a fin de garantizar una concentración de cloro residual de 0.5 ppm en la muestra analizada. Según la ecuación obtenida de la curva de tendencia de la Concentración Residual vs. Dosis de cloro se tiene lo siguiente:

Y = 0.0114X + 0.3803 Donde: • •

Y: Concentración Residual de Cloro (mg/l) X: Dosis de Cloro (mg/l)

Se quiere que Y = 0.5, reemplazando:

0.5 = 0.0114X + 0.3803 X = 10.5 mg/l. 5. Determinar el volumen de solución madre a utilizar para un caudal de 10 l/s de agua analizada. • •

Caudal: 10l/s Tiempo sugerido: 30 min. = 1800 seg.

V = 10 l/s

1800 seg. =18000 L

Luego se sabe que para determinar el volumen de la solución madre se aplica la siguiente formula:


19


Vsm

Csm = Cf (Vmuestra + Vsm)

Reemplazando se tiene lo siguiente:

Vsm

1000 = 0.5 (18000 + Vsm) Vsm = 9.0045 L

6. Determinar el eso de HTH a utilizar considerando la siguiente ecuación: Vd = (%

P)/Cf

Donde : • • •

%: % de cloro activo en el producto ( asumir 65%) Vd: Volumen de solución madre. Cf: Concentración de solución madre (g/L)

Luego tenemos que el Volumen de la solución madre es el mismo del problema anterior (Vd = 9.0045 L) y la concentración de la solución de cloro es 1 g/L. Entonces remplazando tenemos :

9.0045 = (0.65

P)/1

P = 13.8531 gr. 7. Determine el costo mensual de HTH a utilizar para desinfectar un caudal de 10 L/s de la muestra analizada. Indique el nombre comercial del producto averiguado. Según los datos obtenidos en el laboratorio de HTH y de lo que nos cobro el delegado del curso tenemos lo siguiente: 0.15 gr. 13.8531 gr.

→ →

S./ 0.6 S./ X

X = S./ 55.4124 Preparación de 1 litro de solución madre del 1% de hipoclorito con diversos compuestos de hipoclorito de calcio.


20


Desinfección de agua en recipientes domésticos de varias capacidades con diferentes concentraciones de soluciones de hipoclorito para suministrar dosis de 2 a 5 mg/litro

Dosis deseada: 2 mg de cloro por litro Para agua de poca turbiedad pero contaminada

Dosis deseada: 5 mg de cloro por litro Para agua turbia muy contaminada

Desinfectantes comerciales comunes para uso doméstico e individual

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 

La demanda de cloro obtenida en muestra de agua residual fue de 0.09, 4.60, 4.60 y 14.44 mg/L para diferentes dosis de cloro lo que indica que a mayor dosificación la concentración de cloro residual aumentará.



En vista de que es ampliamente reconocido el efecto de la desinfección del agua con cloro en condiciones normales, su


21


aplicación es aun mas necesaria en situaciones de emergencia, a fin de evitar la propagación de enfermedades gastrointestinales. 

La dosis de cloro que se debe aplicar para obtener una concentración de cloro residual de 0.5 ppm es de 10.5 mg/L. Lo cual indica que es un valor adecuado para que en el punto mas alejado de la red de distribución de agua se tenga un equivalente no menor de 0.5 ppm.



No se debe diluir la muestra aunque tenga un valor alto de porque se quiere hallar la verdadera cantidad de cloro que se debe aplicar para tratar ese desagüe.



Hasta la fecha, el cloro es el desinfectante de agua mas económico, práctico y efectivo. Otros desinfectantes como el ozono, el dióxido de cloro y la monocloramina, son utilizados en algunas comunidades; si bien estos pueden evitar la formación de algunos subproductos de la cloración, no son capaces de mantener el efecto desinfectante posterior del cloro residual.



Debe considerarse que no todas las aguas superficiales son aptas para su cloración directa sin tratamiento y para su uso posterior para consumo humano. Su selección depende de la demanda de cloro, pues las características del agua influyen en la formación de compuestos organoclorados que, en altas concentraciones, podrían tener efectos adversos en la salud.



Es necesario perfeccionar las técnicas de medición de los subproductos del cloro de una manera práctica y confiable que permita la caracterización de las fuentes de agua que se utilizaran para el abastecimiento.



Se recomienda también que cuando se agregue la solución madre se tape y guarde de in mediato debido a que esto reacciona mejor en lugares lejos de la luz solar y en temperaturas bajas.

CUESTIONARIO 1.

¿Por qué cree que la concentración de cloro residuales es menor que la inicial?

El cloro que generalmente se encuentra en estado gaseoso (Cl 2). Hipoclorito de sodio (NaOCl) e hipoclorito de calcio(Ca(OCl) 2) al entrar en contacto con el agua se hidroliza, esta reacción es prácticamente completa y se produce muy Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

22


rápidamente a un pH favorable y a ciencia cierta no se sabe la dosis exacta de cloro ya que esto dependerá de la carga orgánica (NH3) y las pruebas de demanda de cloro que se realicen en el laboratorio para asegurar que se forme ácido hipocloroso de gran poder desinfectante.

Ca(OCl)2 + 2H2O NaOCl + H2O 2.

Cloro gaseoso

Hipoclorito de sodio

Hipoclorito de calcio

3.

NaOH + HOCl

Elabore una tabla con las diversas presentaciones del cloro sus principales características.

Desinfectante

Dióxido

Ca(OH)2 + 2HOCl

Notación química

Cl2

NaClO 2

Ca(ClO)2

ClO2

Estado de agregación

Características comerciales / Características de aplicación

Gaseoso

Licuado en cilindros de acero de 50kgs y 65 Kg. ó tanques de acero de 500 Kg. o 1,000 Kg.; términos de embarque de acuerdo a la DIN EN 937 Φ 99.5% Cl 2 máx., 20 ppm H2O, adición como soluciones acuosas con 0.3-3 g/L Cl2 o producido en sitio por electrólisis por medio de cloruro de sodio o ácido clorhídrico.

Solución comercial con 150-170 g/L de cloro efectivo, la solución de hipoclorito de sodio contiene aprox. 12 g/L de sosa cáustica y por consiguiente es fuertemente alcalina, valor de pH de 11.5-12.5; términos de embarque de acuerdo a la DIN EN 901, contiene como subproducto aprox. 140 g/L de cloruro Líquido, como solución de sodio (NaCl) y aprox. 5 g/L de clorato de sodio (NaClO 3) así acuosa como bromato, es difícil de almacenar, se descompone; o producido en sitio por electrólisis por medio de una solución de cloruro de sodio. Concentración efectiva en la solución de 8.25 g/L dependiendo del proceso de electrólisis. La solución de hipoclorito producida por medio de la salmuera tiene un valor de pH de 9-10.

Sólido

Comercialmente disponible en polvo, gránulos o tabletas; términos de embarque según la DIN EN 900, el hipoclorito de calcio debe contener un mínimo de 65% de cloro activo, además contiene 4-7% de sustancias no solubles en agua y un mínimo de 5% de H 2O, se usa como solución al 1-5%, el valor de pH de la solución es 10-11.

Líquido comun

Generado en sitio por medio de cloro gas y solución de clorito de sodio o por medio de ácido de cloro solución acuosa clorhídrico y solución de clorito de sodio, la concentración de la solución es de 0.5-4.0 g/l ClO 2.

Averigüe sobre el efecto de la formación de Trihalometanos en la desinfección de aguas para consumo humano y aguas residuales. SUBPRODUCTOS DE DESINFECCIÓN

TRIHALOMETANOS (THM)  ACIDOS HALOACETICOS (HAA5) 


23


 

BROMATO CLORITOS

TRIHALOMETANOS Los trihalometanos son un grupo de 4 compuestos químicos formados cuando se usa el cloro u otro desinfectante para el control microbiano. Los trihalometanos mas comúnmente presentes son: Cloroformo – Bromodiclorometano – Dibromoclorometano – Bromoformo

SUBPRODUCTOS HALOGENADOS FORMADOS POR CLORACIÓN

HOCl + Precursores 

  

THMs + Subproductos

La velocidad de reacción del HOCl con los precursores es lenta y por lo general demora varias horas. De aquí que las concentración THMs aumenta con el tiempo. El incremento en la temperatura acelera la reacción, y por lo tanto la producción de THMs. A mayor pH, la formación de THMs se hace más rápidamente. Entre mayor sea la concentración de ácidos húmicos y fúlvicos, mayor es la producción de THMs.


24


Aumento de la concentración de THM en el tiempo, Fuente (ARBOLEDA, Jorge. Teoría y práctica de la purificación del agua. Tercera edición. Editorial Mc-Graw Hill, Bogotá 2000.

ESTUDIOS SOBRE EFECTOS PRODUCIDOS POR LOS THMs EN LA SALUD Fuentes de exposición: el cloroformo es el mas comun de los trihalomentanos presentes en el agua, se considera que el cloroformo es realmente adsorbido por la piel de los humanos. •Ducha • Alimentos y bebidas •Productos de consumo •Piscinas Se estima una ingestión promedio de 10 µg/kg de peso por día, y para nadadores se han reportado alrededor de 65 µg/kg de peso por día. El cloroformo es distribuido a través del cuerpo con mayores niveles de concentración en los tejidos grasos, sangre, hígado, riñones, pulmones y sistema nervioso, también se ha demostrado que existe transferencia ínter placentaria. Los compuestos bromado tienen alta lipofilicidad.

Metabolismo: • • •

Eliminación por respiración como cloroformo o co2. Biotransformación oxidativa (a fosgeno). Biotransformación reductiva (radical diclorometil).


25


Dosis (en ratas macho): • • • •

DL50 CLOROFORMO: 908 mg/kg de peso DL50 BROMODICLOROMETANO: 916 mg/kg de peso DL50 DIBROMOCLOROMETANOS: 1186 mg/kg de peso DL50 BROMOFORMO: 1388 mg/kg de peso

Dosis (en ratas hembra): • • • •

DL50 CLOROFORMO: 1117 mg/kg de peso DL50 BROMODICLOROMETANO: 969 mg/kg de peso DL50 DIBROMOCLOROMETANOS: 848 mg/kg de peso DL50 BROMOFORMO: 1147 mg/kg de peso

Estudios sobre asociación del cáncer colorectal y cerebro con los subproductos de desinfección no son suficientemente sustentados como para confirmar una dosis respuesta. Evidencia epidemiológica para una asociación entre triahlometanos y crecimiento fetal son inconsistentes. Evidencia epidemiológica para una asociación entre triahlometanos y tasa de abortos espontáneos es inconsistente. El cloroformo ha sido clasificado como posible carcinogenico para humanos (grupo 2b) basado en una evidencia limitada en humanos, pero suficiente en animales (iarc, international agency for research on cancer 1999). En un estudio reciente ipcs (who-international programme on chemical safety – ginebra 2004) se estableció como dosis tolerable diaria (tdi) de 0.015 mg/kg de peso corporal por día, calculado así:

4.

Anexo: Tema a investigar.

Desinfección mediante radiación Ozono y su aplicación en el Perú Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

26


1. INTRODUCCIÓN 1.1.- CARACTERISTICAS FISICO-QUIMICAS DEL OZONO: El ozono es una forma alotrópica del oxígeno en la que los tres átomos de este elemento se combinan para generar la molécula de ozono. El ozono se forma cuando las moléculas de oxígeno son excitadas lo suficiente para descomponerse en oxígeno atómico , las colisiones entre los átomos provocan la formación de ozono. Es un gas de color azulado, más pesado que el aire , de olor fuerte y penetrante, que como se ha dicho anteriormente se encuentra en estado natural diluido en grandes masas de oxígeno es el causante del color azul del cielo.

El ozono es uno de los oxidantes más enérgicos de la naturaleza, puesto que su potencial electroquímico es de 2.07 eV frente a 1.36 eV del cloro gas. Concretamente, oxida muy rápidamente estructuras orgánicas, lo que hace que desde hace algún tiempo sea el esterilizante más usado para las aguas potables de los países más desarrollados. La capa de ozono -ozonosfera- está comprendida en una región entre los 25 y 30 Km de altitud, su acción es la protección de los rayos ultravioletas más nocivos para la vida, su influencia es fundamental en nuestro ecosistema. Otras características: Fórmula química Masa molecular Temperatura de condensación Temperatura de fusión Densidad.(líquido) Densidad.(gas)

O3 48 g/ml -112 Cº -192 Cº 1.572 g/cm3 2.144 g/cm 3

APLICACIONES GENERALES DEL OZONO Depuración de aguas potables. Tratamiento de aguas residuales urbanas e industriales. Reducción de contaminantes: pesticidas, fenoles, metales pesados. Agua ultra pura para industria. Esterilización de agua en intercambiadores de calor y torres de refrigeración. Tratamiento de salmueras en industria quesera, animal y hortofrutícola. Esterilización de hospitales, saunas, vestuarios... Esterilización de aguas de limpieza de embotelladoras. •

•

• •

• • •


27


1.2.- BREVE HISTORIA DEL OZONO Y SUS TRATAMIENTOS INICIALES En el año 1785 M. Von Marum, investigando con máquinas electroestáticas, observó la presencia de un olor característico, fenómeno que hizo constatar en sus conclusiones. Al realizar la electrólisis del agua Cruickshank en 1801 observó también ese olor característico. No fue hasta 1840 cuando se pudo clasificar, siendo el científico Schümbein quien lo denominó por vez primera "ozono", nombre proveniente del griego que significa olor. Desde ese año y hasta 1863, se pensó que se trataba de un peróxidon de hidrógeno, hasta que Sonet confirmó el hecho de que se trataba de un compuesto formado sólo por átomos de oxígeno. Si bien fueron muchos los científicos en determinar sus características, sólo M.P. Otto fue el que logró determinar su densidad, peso molecular, logrando además producirlo y controlarlo artificialmente por medio de descargas eléctricas. El primer intento de esterilizar agua con ozono fue en 1893 y la primera vez que se utilizó comercialmente para la desinfección de agua municipal fue durante el año 1906 en Niza, Francia. Así se empleo uno de los agentes oxidantes para la desinfección de aguas. El ozono es un bi-radical libre de oxígeno triatómico y se genera a partir del oxígeno biatómico cuando se expone a una radiación con longitud de onda entre 185 y 210 nm, es decir a longitudes de onda de la radiación solar y en la vecindad de fuentes eléctricas. La siguiente lista nos da una noción de la variedad de aplicaciones del ozono en el tratamiento del agua: • • • • • • • • • • • •

Desinfección bacterial. Inhibición viral. Oxidación del Hierro y Manganeso. Reducción de Sales pesadas (Oxidación). Eliminación del color, sabor, olor (Oxidación). Eliminación de la turbiedad o suspensión de sólidos(Oxidación). Eliminación de Algas (Oxidación). Oxidación de Orgánicos (Fenoles, Detergentes, Pesticidas). Micro floculación de disolventes orgánicos (Oxidación). Oxidación de Inorgánicos (Cianuros, Sulfuros y Nitritos). Pretratamiento de procesos biológicos ( Sales, Antracitas, GAC). Reducción de Trihalometanos, y otros elementos órganos clorados.

En todo el escrito estaremos estableciendo un enfrentamiento Ozono (O 3) versus Cloro (Cl), dado que es el Cl., el elemento más usado como agente en la desinfección del agua potable en todo el mundo. En general ambos elementos realizan la misma misión, tratamiento del agua por oxidación química, desde hace mucho tiempo se viene intentando la destrucción de los gérmenes patógenos por oxidación a base de reacción química. Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

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Normalmente constituye la etapa final de otros tratamientos, almacenaje, filtración, floculación, decantación, etc... En esta última etapa de tratamiento por oxidación, se han venido utilizando como reactivos, el cloro y sus derivados, el bromo, iodo, ozono, permanganato potásico e incluso el agua oxigenada. De todos ellos, tan solo se ha generalizado a nivel de uso mundial el cloro y sus compuestos, ahora bien, a parte de otras consecuencias nocivas para la salud es evidente que el olor y sabor que permanece después del tratamiento en el agua es desagradable e incluso puede resultar nocivo para la salud. El Ozono, dado que es el mayor oxidante conocido después del flúor, es evidente que será más rápido en su actuación pero además es inodoro e insípido y no se le conocen derivados que puedan ser perjudiciales a la salud. Las razones para que se haya divulgado y generalizado el uso del Cloro frente al del ozono han sido, precio, era más barata en principio una instalación del Cloro que de Ozono y primordialmente debido a la fuerte inestabilidad del Ozono los métodos de generación eran complicados y muy onerosos.

3. INCORPORACION DEL OZONO AL AGUA Independientemente de los problemas de generación, que con nuestro sistema se evitan, ya que no produce ni radiación de ningún tipo, ni óxidos nitrosos y es una producción en frío: debemos incorporar el ozono al agua, hasta alcanzar las concentraciones deseadas en el agua a tratar. Como vehículo portante empleamos aire con una concentración determinada de ozono que se hace barbotear, bien directamente o por medio de un difusor: normalmente las relaciones de concentración son de 10 g. O 3/m3 aire para obtener 1 g. O3/m3 de agua; es decir 100 lts. de aire ozonizado por cada m 3 de agua, esta norma no es fija y sólo puede ser tenida en cuenta a título orientativo.


29


En primer plano el reactor de ozono abierto mostrando los tubos de cristal en los que se produce el gas a partir del aire. En segundo término se observan los diferentes sistemas de medición.

En cada caso la calidad del agua, su procedencia, el caudal de renovación, el volumen a tratar y el residual de O 3 en gr/m3 que deseamos obtener, además de otros muchos datos que según los casos se pueden necesitar como, presión en el punto de aplicación, agitación, temperatura, etc., todo ello nos permitirá elegir un modelo apropiado de nuestra gama de equipos para el tratamiento de aguas. Digamos que la transferencia del ozono al agua, se rigen por la ley de Henry, es decir que las cantidades disueltas son función de la presión y la temperatura.


30


4. APLICACIONES DEL OZONO AL AGUA 4.1.- USO INDUSTRIAL. El ozono se utiliza en la industria para una amplia variedad de aplicaciones. 1.- AGUA DE REFRIGERACION. En muchos procesos de fabricación y

particularmente en la producción de energía eléctrica, se requiere agua de refrigeración. Para prevenir el crecimiento de microorganismos en el agua de refrigeración, que reducirían el intercambio calorífico, se dosifican grandes cantidades de ozono. Cuando se trata de agua de mar, también se dosifica ozono para controlar la formación de colonias de moluscos en el interior del sistema de refrigeración. 2.- INDUSTRIA ALIMENTICIA. El ozono es muy utilizado en la industria

pesquera, avícola, lechera, destilación de bebidas, así como en el envasado de frutas y vegetales. Su aplicación se efectúa tanto en el proceso de producción como en el de limpieza. 3.- INDUSTRIA PAPELERA. Se emplea el ozono en la industria papelera para

evitar la formación de limos mejorando con ello la calidad del producto final. 4.- INDUSTRIA GALVANOPLASTICA. Los vertidos de cianuros producidos por

este tipo de industria son químicamente oxidados en soluciones alcalinas por el ozono, transformándolos en sustancias inocuas. 5.- OTROS USOS. El ozono se utiliza también como ayuda en la vulcanización

de los productos de goma. para la regeneración de soluciones de mordientes químicos, etc.

4.2.- TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

31


1.- ALCANTARILLAS. Se aplica ozono al agua residual urbana en los sistemas

de recogida, la función principal es la eliminación de olores desagradables. 2.- PREOZONIZACION. Se dosifica ozono al agua residual bruta a su llegada a

una estación depuradora, en diversos puntos de la red troncal. 3.- POST-OZONIZACION. Dosificación de ozono al efluente de una estación de

depuración de aguas residuales, generalmente el tratamiento con ozono en una Estación de Tratamiento aguas Residuales (EDAR), se puede aplicar en diversos puntos, desde las balsas de decantación primaria para aumentar la floculación, hasta el tratamiento más habitual en el último estado, clarificación, logrando un importante descenso de la DQO y DBO. 4.- OBJETIVOS. Se añade ozono al agua residual urbana con los fines

siguientes: • • • • •

• • • • • •

•

Control del olor. Prevención de la septicidad. Reducción de la DBO. Facilitar la eliminación de grasas y espumas. Prevención de estancamientos y control de insectos en filtros percoladores. Control de "bulking" en fangos. Control de formación de espumas. Destrucción de cianuros. Eliminación de fenoles. Ayudante de la coagulación. Eliminación de nitrógeno (bien por ozonización al "breakpoint" o bien por la eliminación de cloraminas en un lecho de carbón). Desinfección.

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL PROCESO DE OZONIZACIÓN

4.3.- TRATAMIENTO DE AGUA POTABLE Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

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1.- OZONIZACION SIMPLE. En muchos abastecimientos de agua, el único

tratamiento que se realiza es el de dosificar ozono. 2.- PREOZONIZACION. Dosificación de ozono al agua antes de cualquier

tratamiento posterior. 3.- POST-OZONIZACION. Dosificación de ozono en la última fase de un proceso

de tratamiento. 4.- OBJETIVOS. El ozono se añade a un suministro de agua con fines químicos

y/o bacteriológicos para: a) Desinfección. b) Prevenir la formación de limo y el crecimiento de algas. c) Control de sabor y olor. d) Oxidación del hierro y manganeso. e) Eliminación del sulfuro de hidrogeno. f) Eliminación del color.

4.4.- VENTAJAS DEL TRATAMIENTO CON OZONO 1.-El ozono es uno de los oxidantes más fuertes conseguidos para el tratamiento de agua, ( su potencial de oxidación de 2,07V contra 1.36V del Cloro Gas). 2.- El ozono es el más fuerte de los desinfectantes en general. 3.-Los subproductos de oxidación de las materias orgánicas más conocidos con ozono, aldehídos, fenoles, ácidos carboxílicos, etc, son similares a los debidos a la degradación natural biológica. 4.- La adicción de ozono al agua no añade ningún compuesto químico extraño no aumentando tampoco la concentración de sólidos totales disueltos. 5.- El tratamiento con ozono, no aumenta la alcalinidad del agua. 6.- El ozono tiene una vida media muy corta disuelta en agua. No aparecen generalmente trazas después de 90 minutos en agua limpia. Como contrapartida, el uso de ozono, no es indicado para tratamientos donde se exija un residual de oxidante a lo largo de una conducción, usaremos otros sistemas concomitantes como ClO2 o Cl libre. 7.- El ozono reacciona con desinfectantes secundarios en tratamientos integrales (EDAP):con el ion hipoclorito, produce iones Cloritos y Cloratos. Con las


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monocloraminas se producen Cloritos y Nitratos. Con Dióxido de Cloro Cl 2O produce iones Clorito y Clorato. 8.- La oxidación con ozono de algunas materias orgánicas producen una mejor floculación sirviendo las sales férricas también oxidadas como coagulante. 9.- Cuando el ozono reacciona con una pequeña parte de peróxidos de oxígeno las tasas de oxidación de algunos compuestos orgánicos (PCE y TCE), se incrementan muy rápidamente. 10.-El ozono oxida rápidamente sales de hierro y Manganeso disueltos en agua freática o embalsada, produciendo óxidos insolubles que fácilmente son eliminados en un proceso de decantación. 11.- La oxidación parcial de muchas estructuras orgánicas, aumentan su biodegradabilidad, con lo cual al pasar posteriormente por filtros de arena muchos de estos compuestos carbonanos serán convertidos en CO2 y agua (siempre que exista una ausencia total de cloro libre). Estas ventajas aportadas al agua tratada por el ozono se obtienen con un simple sistema de ozonización, para optimizar los resultados siempre es aconsejable una ozonización en dos fases, (pre y ozonización). Es importante insistir en la automatización de las instalaciones con elementos de medición y control apropiados, siempre bajo control de autómatas electrónicos más o menos sofisticados: controladores P.I.D., sistemas SCADA, sistemas de Control Distribuido, etc.

Aplicación del Ozono en el Perú El ozono es más eficaz que la utilización del cloro para la desinfección o destrucción de virus y bacterias pero su uso es muy limitado en el Perú debido al hecho de que no permiten, como los compuestos clorados una acción residual que proteja el sistema de abastecimiento contra contaminaciones ulteriores en un caudal tan rico en materia orgánica como el nuestro. El proceso de ozonización es una tecnología más compleja que la cloración o la desinfección con luz ultravioleta, por lo cual se requieren equipos complicados y sistemas de contacto eficientes; por tal motivo su aplicación en el Perú es reducida ya que somos un país tercermundista. El ozono es extremadamente irritante y posiblemente tóxico, así que los gases de escape que salen de la cámara de contacto deben ser destruidos, ya que genera residuos contaminantes posteriores a su aplicación para los trabajadores.


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Una de las razones por lo cual no es factible su aplicación en nuestro país es porque es el costo del tratamiento puede ser relativamente alto en cuanto a la inversión de capital y la demanda de energía eléctrica en comparación con el cloro que es mas económico. ESTIMACIÓN DE COSTOS TÍPICOS DE UN SISTEMA DE OZONIZACIÓN

gpm: galones por minuto; pcm: pies cúbico por minuto

BIBLIOGRAFÍA



Desinfección del Agua; Solsona Felipe



Purificación de aguas y tratamiento y remoción de aguas residuales; Gordon Fail, Jhon Geyer, Daniel Okum

Ed.

Limusa

México 1º Edición 1981 

Operaciones Unitarias en Ingeniería Sanitaria; Limbil G. Rich, Miguel Echegaray CIA Continental S.A. México 1º Ed. 1983


35




Análisis de Agua y desagüe; Jimeno Blasco 1998.

PROCEDIMIENTOS 1) Obtuvimos la muestra de agua del baño de hombres de la FIQT (2 L). Se muestreo a las 11.30am en un recipiente de polietileno, antes de recoger la muestra se enjuago el recipiente 3 veces según las recomendaciones del curso anterior de análisis de agua y desagües. 2) Se diluyo la solución madre de 1500ppm a 1000ppm de cloro según la formula:

C1 sm* V = C2 sm* Vfiola 1500ppm * V = 1000ppm * 100ml V = 66.66667ml

Se añade V y se enrasa con agua hasta 100ml para obtener la solución madre

3) Se verte 200ml de muestra en cada erlenmeyers


36


4) se calcula los volúmenes de las dosis que se va añadir a cada muestra de 200ml de solución madre con la siguiente formula:

Vsm = (Cf * Vmuestra) / (Csm – Cf ) Para Cf1 = 0.5ppm:

Vsm = (0.5 * 200) / (1000 – 0.5) Vsm = 0.1ml Numero Dosis(ppm) 1 0.5 2 1 3 2 4 3 5 4

Vsm(ml) 0.1 0.2 0.4 0.6 0.8

5) Tapamos cada erlenmeyers con parafilm y guardamos durante 30 minutos para reaccione el cloro. 6) Añadimos 10ml a cada tubo de ensayo y agregamos una pastilla de DPD (fueron sachet de DPD en polvo). Esperamos que se disuelva el polvo de DPD. Comparamos los virajes de cada tubo de ensayo con el comparador. 7) Medimos en cloro residual

Numero Dosis(ppm) 1 2 3 4 5

0.5 1 2 3 4

cloro residual 0.4 0.5 2 3 4


37


1. RESULTADOS 1) Calcule la demanda de cloro para cada una de las muestras analizadas:

Demanda de Cl = Dosis de Cl – Concent. Residual de cloro Segunda tabla:


0.5 1 2 3 4

cloro residual(ppm) 0.4 0.5 2 3 4

Se obtiene las siguientes demandas de cloro para cada muestra analizada:


0.5 1 2 3 4

Demanda de cloro (ppm) 0.1 0.5 0 0 0

2) Grafique los datos obtenidos y encuentre la curva de la demanda de cloro para la muestra analizada. Interprete sus resultados.


38


DEMANDA DE CLORO p 1 ( o r 0,8 o l c e 0,6 d a 0,4 d n a 0,2 m e 0 D

y= 0

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Dosis (ppm)

3) Determine la dosis de cloro a fin de garantizar una concentración de cloro residual de 0.5 ppm en la muestra analizada. Según la grafica se puede deducir que la demanda de cloro es cero. Quiere decir que si quiero un cloro residual de 0.5 ppm añado una dosis de la misma concentración (0.5 ppm). Esto es porque la demanda de cloro es cero.

4) Determine el volumen de solución madre a utilizar para una caudal de 10 l/s de agua analizada. Sea en un segundo:

Volumen del liquido = 10 L (muestra de agua analizada)

Vsm = (Cf * Vmuestra) / (Csm – Cf ) Vsm = (0.5 * 10000) / (1000 – 0.5) Vsm = 10 ml

Se requiere 10 ml de solución madre con una concentración de 0.5ppm

5) Determine el peso (P) de HTH a utilizar considerando la siguiente formula:

Vd = (% * P) / Cf 0.1

% = % de cloro activo en el producto. Asumir 65 % Vd = volumen de solución madre (L) Cf = concentración de la solución madre (g/l)

= (0.65 * P) / 0.0005

P = 30.769 gr Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

39


6) Determine el gasto mensual de HTH a utilizar para desinfectar una caudal de 10 l/s de la muestra analizada. Si en cada segundo se debe utilizar 10 ml de desinfectante (HTH), a ese dicho caudal. •

Calculamos el tiempo en segundos en un mes:

Tiempo = 30 * 24* 60 *60 = 2592000 s

Gasto mensual = 25920 l/ s

2. CONCLUSIONES •

•

•

•

Para el agua analizada en este caso agua del baño de la FIQT (para el grupo Nº 4) se corroboro que la demanda de cloro es cero , ya que esta agua del baño de la FIQT es agua para el consumo humano. Esto nos da entender que el agua analizada esta perfectamente clorada con un cloro residual. A esta agua analizada se le aplico los procedimientos de desinfección y pudimos concluir que esta agua ya estaba desinfectada porque la dosificación de cloro (solución madre)es igual al cloro residual ( cloro libre). Se comprobó que el cloro residual es igual a la dosificación de cloro, porque esta agua analizada ya estaba clorada. Entonces nosotros cuando añadimos la solución madre no hubo demanda de cloro. Si hubo una demanda de cloro pero es despreciable, ya que el método de medir el cloro residual fue por pastillas de DPD y con el comparador. Esta demanda de cloro que se desprecio es debido al tiempo requerido de la planta de tratamientote agua a la UNI ( FIQT).

3. RECOMENDACIONES •

Se recomienda que las pastillas DPD sean sólidas, ya que si es en polvo a la hora de verter el polvo se quedan trazas en la envoltura. Esto nos lleva a un error en la medición del cloro residual en la muestra.


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Colocar el parafilm cuidadosamente sin romperlo cubriendo totalmente la boca de cada erlenmeyer, ya que si se rompe el parafilm se corre el riego de que entre partículas del ambiente donde esta reposando por media hora para que reaccione el cloro.

Cuando se desee hacer la medición de la demanda de cloro se recomienda hacer las siguientes mediciones al agua analizada ya que la demanda de cloro varía con la cantidad de cloro añadida, la temperatura, el Ph y el tiempo de contacto.

4. CUESTIONARIO 1) ¿A qué se refiere con punto de quiebre? Si vamos agregando dosis progresivas de cloro, a un agua con materia orgánica, y luego de un tiempo de contacto leemos los residuos, veremos que ya no se obtiene una recta sino una curva. Esta es la curva del punto de quiebre que en ciertas aguas es difícil de obtener. La curva del punto desquiebre se puede interpretar de la siguiente manera:

PRIMERO: Teniendo en solución cloro libre (HOCl) la desinfección será más rápida y el poder de destrucción (matanza) de bacterias será uniforme después del punto de quiebre (Break Point). SEGUNDO: El sabor y olor son mínimos en las concentraciones del (Break Point) punto de quiebre; sin embargo no lo cura todo, pues algunas aguas, aun con un apropiado control del punto de quiebre (Break Point), tienen un olor intenso y es necesario filtrarla por carbón activado. TERCERO: El residuo final después del punto de quiebre es estable; la materia orgánica nitrogenada (que sirve de alimento para los crecimientos) está destruida. CUARTO: En algunos casos el color del agua aumenta. 2) Elabore una tabla con las diversas presentaciones del cloro y sus principales características. Cloraminas En este proceso se agrega amoníaco y compuestos de cloro a una planta de filtración de agua. Cuando se controla adecuadamente, la mezcla forma cloraminas. Éstas se usan comúnmente


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para mantener un residuo en el tratamiento de distribución del sistema posterior con un desinfectante más potente, como el cloro libre. Ventajas de la cloramina • • • •

Residuo persistente Minimización de sabores y olores Niveles inferiores de la formación de THM y ácido haloacético (AHA) Desinfección eficaz de biopelículas en el sistema de distribución

Desventajas de la cloramina •

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Produce subproductos de desinfección, incluidos los compuestos basados en nitrógeno, así como el hidrato de cloral que se puede reglamentar como un SPD en el futuro. Hay escasa información sobre la toxicidad de los subproductos de desinfección de cloramina. En un análisis de los efectos sobre la salud de las opciones, Bulí sostiene que "existe poca información sobre la cual basar un cálculo del riesgo para la salud que plantea la cloramina" (Bulí y Kopfler, 1991). Causa irritación en los ojos. La exposición a altos niveles de cloramína puede irritar los ojos. Requiere mayor dosificación y tiempo de contacto (valores mayores de TC, por ejemplo, el tiempo de concentración x). Tiene valores dudosos, como germicida viral y parasitario. Puede promover el crecimiento de algas en reservorios y el aumento en bacterias del sistema de distribución debidas al amoníaco residual. Puede producir altos niveles de AHA. Proporciona capacidades más débiles de oxidación y desinfección que el cloro libre.

Dióxido de cloro (ClO2) El dióxido de cloro se genera en las instalaciones de tratamiento de agua. La popularidad del dióxido de cloro como un desinfectante de agua aumentó en los años setenta cuando se descubrió que no promovió la formación de THM. Ventajas del dióxido de cloro • • •

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Actúa como una excelente substancia virucida. No reacciona con nitrógeno amoniacal para formar aminas doradas. No reacciona con material oxidable para formar THM; destruye hasta 30% de los precursores del THM. Destruye los fenoles que causan problemas de gusto y olor en los abastecimientos de agua potable. Forma pocos SPD dorados, como THM o AHA. Desinfecta y oxida eficazmente, incluyendo la buena desinfección tanto de Giardia como Criptosporidio. Obras de dosificación baja en el paso de posdesinfección sin necesidad de repetidores. Mejora la remoción del hierro y manganeso por oxidación y sedimentación rápida de compuestos oxidados.


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No reacciona con bromuro para formar bromato o subproductos del bromo.

Desventajas del dióxido de cloro •

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Se descompone en subproductos inorgánicos. El dióxido de cloro se descompone en clorito y en menor grado en ion de clorato. Requiere equipo de generación y manejo de productos químicos en el lugar. Ocasionalmente plantea problemas de olor y sabor.

3) ¿Cuándo existe riesgo de formación de trihalometanos en desinfección de agua? Trihalometanos (CHX3) han sido de los primeros compuestos descubiertos que se forman a consecuencia de la cloronizacion de las aguas. Circunstancias de la desinfección: tiempo de reacción, temperatura y PH

Cuando el tiempo de reacción es corto , se pueden formar grandes concentraciones de trihalometanos (THM) y acido acéticos halogenicos (HAA). Cuando el tiempo de reacción es mayor, algunas formas de subproductos de la desinfección se transforman en productos desinfectantes, como acido acético tribromo o bromoformo. Los haloacetonitrils (HAN) y haloketons (HK) se descomponen. Cuando la temperatura aumenta, las reacciones se suceden mas rápidamente, causando una concentración de cloro mayor requerida para la desinfección adecuada. Esto a su vez genera una mayor cantidad de subproductos de la desinfección. Un aumento de la temperatura también afianza la descomposición de acido acético tribromo, HAN y HK. Cuando los valores del PH son altos, se forma una mayor concentración de iones hipoclorito, disminuyendo así mismo la efectividad de la desinfección del cloro. A valores altos de PH, se forma mayor THM, mientras que a valores bajos de PH se forman mas HAA. A valores altos de PH los HAN y HK se descomponen por hidrólisis, debido al aumento de las reacciones de electrolisis a valores altos de PH. Los valores de trihalometanos en agua potable son generalmente mayores en los sistemas de distribución que en las compañías de producción de agua potable. Cuando ocurre la hidrólisis muchos subproductos de la desinfección se vuelven trihalometanos.


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Formación de trihalometanos (trichlorometano, bromodiclorometano, tribromometano, consecutivamente al tiempo de contacto.

dibromometano

y

4) Mencione y esquematice 4 sistemas de dosificación de cloro que existe en el mercado. Nuestros cloradores, equipos de dosificación y bombas dosificadoras para potabilización de aguas y cloración de agua potable, nos permiten una monitorización en continuo y un control de los valores de concentración de cloro, ácido y temperatura adecuados. Dosificación proporcional y automatizada de cualquier sustancia en el agua con la opción del control de los dosificadores de forma remota. Aplicaciones para abastecimientos de agua potable de consumo humano, dosificación de pozos y depósitos domésticos, dosificación de hipoclorito y ácido en piscinas públicas y privadas, y tratamientos industriales de dosificación de floculante y productos químicos en general.

Analizador fotométrico. El analizador automático de cloro libre es un instrumento microprocesado capaz de monitorizar en continuo la concentración de cloro en una instalación, en el rango de 0 a 5 mg/L con una resolución de 0,01 para una correcta potabilización de agua. Para ello el equipo dispone de los reactivos necesarios. Las botellas de solución tampón e indicador se alojan en el interior del propio instrumento. Los intervalos entre cada determinación son ajustables en el tiempo en función de la frecuencia con la que se deseen obtener las mediciones. Con un intervalo de muestreo de 10 minutos, por ejemplo, los reactivos tienen una duración aproximada de tres meses y conseguimos una perfecta monitorización del cloro libre en el tiempo. Además, las botellas de reactivos son perfectamente visibles Procesos Unitarios en Ingeniería Sanitaria

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a través de la puerta transparente del instrumento, para, de éste modo, poder verificar su nivel.

Módulo GSM

Mediante éste módulo de transmisión es posible conectar el analizador fotométrico a la red GSM. No es un simple mensaje de error sino un completo control a distancia. A través de la red es posible su conexión al teléfono móvil u ordenador del usuario con el software adecuado.


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Dosificación mediante control amperométrico. La verificación del nivel de cloro libre presente en el agua potable la realiza una sonda amperométrica para cloro libre. En función del nivel detectado por la sonda, a través del controlador digital, el sistema actúa sobre la bomba dosificadora de hipoclorito sódico dosificando el producto hasta alcanzar el valor de consigna. Para la instalación del clorador es necesario crear un pequeño circuito de recirculación que obligue al paso de un pequeño caudal del agua a través de la célula de medición.

Dosificación de cloro proporcional a caudal de entrada. Existe una alternativa intermedia a la dosificación de hipoclorito a caudal constante mediante una bomba y un sistema automático de control y dosificación. Se basa en la medición del caudal de entrada en la tubería mediante un contador emisor de impulsos. Este equipo enviará una señal a la bomba de cloro que dosificará una cantidad proporcional al caudal de paso de la tubería.


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Este sistema es ideal para soluciones en las que se busca un control de la concentración de cloro libre no tan preciso como con un sistema automático de medición, o también, en aquellos casos en que no dispongamos de energía eléctrica para alimentar una bomba de recirculación que nos permita una correcta medición mediante una sonda amperométrica. Es por lo tanto un sistema muy adecuado para ser alimentado por paneles solares con un consumo eléctrico muy reducido.

Monitarización y control remoto de dosificación y calidad del agua.

Disponemos y desarrollamos software para el control de plantas de potabilización de aguas y depuración y tratamiento de aguas residuales o procesos industriales. Control remoto de la calidad del agua: pH, cloro libre, cloro combinado, alcalinidad, temperatura, sólidos en suspensión, dureza, índice de Langelier, conductividad etc

5) Determine el costo mensual de HTH a utilizar para la desinfectar un caudal 10 l/s de la muestra analizada. Indique el nombre comercial y porcentaje de pureza del producto averiguado.

5. BIBLIOGRAFIA NB 64002 Calidad del agua - Muestreo de aguas residuales NMX-AA-005-SCFI-2000 Análisis de agua – Determinación de aceites y grasas en aguas naturales, residuales. •

SMWW Métodos Estándar para el análisis de aguas y aguas residuales.2000. 20ava edición. Método 5520 http://www.quimica.urv.es/quimio/general/incmas.pdf Incertidumbre de las medidas de masa. Última visita 10/04/07 •

Análisis de agua y desagüe – Enrique Jimeno Blasco Segunda edición-1998 Universidad Nacional de Ingeniería •

Métodos normalizados- Análisis de agua potable y residuos - tomo1 APHA – AWWA – WPFC Ediciones Días de Santo SA 1992 •


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Demanda de Cloro

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