Inducción del ablandamiento en aguas carbonatadas mediante procesos fisicoquímicos de desgasificación del CO2 y mecanismos de sorción

Abstract

El agua que emerge de manantiales kársticos contiene altas concentraciones de dureza causadas por la disolución de formaciones geológicas carbonatadas. Estas características son particularmente limitantes cuando la utilización de este recurso está destinada a una actividad distinta al uso doméstico e industrial, como es el caso de la acuicultura. En esta investigación, un enfoque experimental sustentado en la combinación de procesos fisicoquímicos de desgasificación del CO2 y mecanismos de sorción, fue adoptado para inducir el ablandamiento del agua en condiciones cercanas a la neutralidad. La consecución de este objetivo partió de una caracterización espacio-temporal del agua que posibilito la preparación de soluciones sintéticas, de composición equiparable al agua natural del sitio, con las cuales se estableció una serie de pruebas experimentales en el laboratorio dirigidas a la simulación y optimación de los mecanismos naturales de ablandamiento dados por los efectos de aireación, y a la evaluación del proceso de sorción mediante pruebas batch y de columna con clinoptilolita. La conjunción de los resultados obtenidos, en las etapas experimentales precedentes, sustento el diseño y la implementación de un sistema de ablandamiento a escala piloto con el que se ejecutaron pruebas in situ. El agua del sitio de estudio se caracterizó cuantitativamente como de tipo cálcica-bicarbonatada-clorurada con fluctuaciones de dureza entre 208 a 273 mg L-1 de CaCO3, y cualitativamente como muy dura. El análisis de cuatro indicadores fisicoquímicos: pCO2, ISC, pH y dureza total, describieron la evolución espacio-temporal del agua identificando la ocurrencia de procesos naturales de ablandamiento asociados a los efectos físicos de aireación, velocidad y turbulencia, ocurridos durante su descanso, los cuales tienden a incrementar el pH, la interfase aire-agua (IAA) y el ISC, con la consecuente reducción natural de la dureza en niveles que, desafortunadamente, no consiguen por si mismos una reducción optima de la dureza. Se demostró experimentalmente que la precipitación del CaCO3, en la solución sintética, se logra con la ruptura del equilibrio químico de la solución que desgasifica el CO2 disuelto mediante el incremento de la IAA, así mismo, un mayor grado de incidencia del burbujeo sobre una interfase solida (ISA) favorece la nucleación de los compuestos carbonatados disueltos sobre superficies minerales. Un análisis de la sorcion con pruebas batch proporciono capacidades de sorción para clinoptilolita natural (CN) de 11 mg L-1 y 12 mg L-1 en estado sódico (CS), contrastando con los obtenidos en las pruebas de columna de 15 (CN) y 19 mg L-1 (CS), debidos las condiciones experimentales particularmente utilizadas. Para una concentración máxima 110 mg L-1 a la salida de la columna con una C0 de 240 mg L-1, los puntos de ruptura fueron 150 vp (CN) y 200 vp (CS), y los puntos de agotamiento de 340 vp (CN) y 360 vp (CS). Los resultados condujeron al diseño de una combinación de procesos inductores del ablandamiento in situ, compuesto por una columna de aireación de película delgada (APD) asociada a un proceso de sorción con clinoptilolita. Esta combinación de procesos logro, en la fase APD, una desgasificación del 87% del CO2 y en la fase complementaria de sorción, una remoción del 90 al 98% de la naturaleza. El incremento en el pH, de 7.24 a 8.5 y en la alcalinidad de 120 a 188 mg L-1 a la salida del sistema se situó dentro de los límites de tolerancia requeridos. La eficiencia de la implementación del proceso combinado de ablandamiento del agua in situ es consecuencia de una coordinación conveniente entre la investigación de campo, la simulación de los procesos naturales en el laboratorio y la implementación de pruebas a escala piloto.