Título
Impacto del carácter corrosivo iónico y por dióxido de carbono del agua en materiales de acero al carbón de un sistema de abastecimiento de agua potable en el Municipio de Toluca
Autor
CAROLINA ALVAREZ BASTIDA
Colaborador
VERONICA MARTINEZ MIRANDA (Asesor de tesis)
Nivel de Acceso
Acceso Abierto
Materias
Resumen o descripción
INTRODUCCIÓN La disponibilidad de agua dulce es considerada uno de los grandes retos para el futuro, en la actualidad, la gran mayoría de los acuíferos son explotados para satisfacer la demanda de agua, mediante perforaciones de nuevos pozos, o en combinación con el agua superficial. El agua va adquiriendo en su composición diversas sustancias que la alteran y determinan sus principales características fisicoquímicas durante su ciclo, ya que interactúa con diferentes medios como el aire y el suelo. En México como en varios países el agua subterránea es un recurso natural vital para el suministro confiable y económico de agua para consumo humano en los ámbitos urbano y rural. El agua antes de su consumo es continuamente monitoreada, por medio de procesos eficaces y regularizados. En los últimos años se han observado cambios significativos y continuos en la composición fisicoquímica del agua de uso y consumo, entre ellos, el incremento de los iones nitratos y el dióxido de carbono, los cuáles pueden ser transportados al agua naturalmente o por actividades antropogénicas, y entrar en contacto con el agua aportando acidez lo cual la hace corrosiva o agresiva, deteriorando la infraestructura metálica y/o materiales con que entra en contacto, incorporando al agua hierro y manganeso solubles lo que afectan las propiedades organolépticas, al aportar color y turbiedad al agua. Otros factores que también intervienen en este proceso de incorporación sustancias al agua, son la baja dureza, el decremento de oxígeno disuelto, las variaciones de la alcalinidad, incremento de los ácidos minerales y orgánicos. El objetivo principal del proyecto fue estudiar el impacto del carácter corrosivo iónico por iones nitratos y por dióxido de carbono del agua, en un sistema de abastecimiento para uso y consumo humano en el Municipio de Toluca, el cual pertenece a la cuenca alta del Rio Lerma y representa uno de los acuíferos más explotados del país para abastecer a los consumidores. Determinando los principales iones mayoritarios (carbonatos, bicarbonatos, cloruros, sodio, potasio, magnesio, calcio) del agua, se calcularon los índices de corrosión para clasificar los pozos de acuerdo al tipo de corrosión que presentaron, y se logró identificar que existen cambios más drásticos en la fisicoquímica del agua al identificarse por primera vez la formación de cloro residual crudo, producto de las reacciones de óxido reducción de los iones nitrato con los iones cloruro, indicando que existe un ambiente reductivo en el sistema acuoso también deficiente de cationes divalentes mayoritarios. Generando alternativas de solución para la disminución y/o eliminación al elevado contenido de manganeso en el agua se seleccionó un material zeolítico natural para la remoción eficiente de este metal. También se presentaron estrategias para la rehabilitación de pozos, en conjunto con los personal de Agua y Saneamiento de Toluca, además dio la pauta para que otros Municipios como Lerma y Metepec se interesaran en el proyecto. En el capítulo 1 se presenta el marco teórico, en que está fundamentado este trabajo de investigación, destacando los aspectos más significativos que conllevan al cálculo de la corrosividad del agua como: parámetros fisicoquímicos, especies en solución, conceptos de corrosión, las características establecidas para el agua de uso y consumo. Se hace un énfasis especial a la importancia de realizar análisis fisicoquímicos del agua, con la finalidad, de conocer y explicar el origen y consecuencias de los iones nitratos y dióxido de carbono. El capítulo 3, 4 y 5 están conformados por la justificación, hipótesis, objetivos y metodología, fundamentales para el desarrollo de este trabajo doctoral, que atiende los efectos de la disminución de la calidad del agua provocada por el incremento de la concentración de iones nitrato y dióxido de carbono que favorecen por la presencia de hierro y manganeso generados por el detrimento de la infraestructura hidráulica de los sistemas de abastecimiento del agua. En el capítulo 5 se presenta la metodología que se llevó a cabo en cada etapa establecida para alcanzar los objetivos el proyecto de investigación doctoral. En el capítulo 7 se presentan los resultados alcanzados y reportados en un primer artículo científico publicado titulado, “Drinking water characterization and removal of manganese. Removal of manganese from water” en el cual se explica el impacto que tiene la corrosión en la infraestructura de acero, a través de la presencia de hierro y manganeso y se propone un método para remover manganeso del agua de consumo. En un segundo artículo, en proceso de evaluación, se analiza la cantidad de dióxido de carbono en sus diferentes formas, el impacto que aporta al agua y su incremento como gas invernadero producto del efecto de cambio climático, incluyendo la propuesta de cálculo de las concentraciones de las diferentes formas químicas del dióxido de carbono, sus efectos en la salud. Un tercer artículo enviado, observan los efectos del ion nitrato en el agua y su posible remediación con el aumento de la concentración de iones calcio en forma de hidróxido y/o carbonato. También tiene una revisión bibliográfica presentada como resumen en extenso de un congreso sobre los iones nitratos en el agua donde se exponen los resultados de otras investigaciones. En el capítulo 8 y 9 se incluyen la discusión general del proyecto y las conclusiones principales de este trabajo la cuál fue que hay corrosión por dióxido de carbono que es característica de todos los pozos estudiados, mientras la corrosión por iones nitratos que también se observa, que es más severa que por dióxido de carbono y que está en función de la distancia del pozo a la fuente puntual y su antigüedad, así como la profundidad del pozo. El nivel de corrosión es aún mayor cuando ambas especies químicas están interactuando, lo que genera elevadas concentraciones de manganeso y hierro, lo que deteriora la calidad organoléptica e impacta en la salud del consumidor y/o usuario.
RESUMEN Los problemas de corrosión en los sistemas de distribución de agua para uso y consumo están relacionados con la acidez iónica y por dióxido de carbono. Una forma de determinarla es con el cálculo de índices de corrosión como Langelier, Ryznar, Larson y Mojmir, evaluando las variaciones fisicoquímicas, así como la tendencia corrosiva y el impacto en la infraestructura hidráulica. Las tuberías de distintos materiales plásticos y metálicos son impactadas por la corrosión, esto se refleja con la presencia de hierro y manganeso en el agua. Los altos contenidos de estos metales así como la presencia de nitratos incrementan la acidez del agua y por consiguiente la corrosión de los materiales del sistema de distribución, causando daños a la salud de los consumidores. En el presente trabajo de investigación se realizó un estudio de la fisicoquímica del agua de pozos con características corrosivas (fuente puntual de dióxido de carbono y/o nitratos), en el Municipio de Toluca, que pertenece a la cuenca alta del Rio Lerma y representa uno de los acuíferos más explotados del país. Se realizaron una serie de diez muestreos durante dos años (del 2015 al 2017), en cinco pozos con características similares, en las épocas de estiajes, sequías, invernal y de recarga para medir y determinar sus principales características fisicoquímicas. Se encontró que la mayoría de los parámetros cumplen con la NOM-127-SSA1-1994 con excepción del hierro y manganeso que sobrepasa el límite permisible, estas especies en el agua pueden causar daños a la salud de los consumidores, tales como el síndrome conocido como manganismo o parkinsonismo, cuyos síntomas son debilidad, dolor muscular, temblores, falta de coordinación en los movimientos faciales y de las manos, dificultad para mantener el equilibrio, problemas para caminar, dificultad para hablar y calambres nocturnos en las piernas. Con los datos obtenidos de la caracterización fisicoquímica, se calcularon los índices de corrosión, cualitativos y cuantitativos con ayuda del software AgriInc 2.6. Estos cálculos mostraron que el agua de esta zona es corrosiva o agresiva, debido a que los valores máximos encontrados fueron: Langelier-0.14, Ryznar 9.06, Mojmir Mach, 0.00099, Larson 0.99, principalmente por dióxido de carbono e iones nitratos, dos especies que cuyas concentraciones se ha incrementado en el agua de uso y consumo de los pozos estudiados. La corrosión iónica por nitratos evaluada a través del Índice de Larzon (0.99) es mayor que por dióxido de carbono porque el ion nitrato se reduce a amonio, lo que favorece la oxidación del hierro y manganeso. Sin embargo, la corrosión cuando ambas especies están presente es aún mayor en un 70 % de acuerdo al índice de agresividad con respecto al calcio calculado con el modelo de Mojmir Mach (0.0013), que también indica la cantidad de calcio en forma de hidróxido o carbonato requerida para recuperar su estabilidad química es de un 44% más. Se encontró que la reducción de los iones nitratos a amonio, se presenta en agua con baja dureza al calcio y magnesio, con concentraciones de 1.6 mg/L Ca y 10.5 mg/L Mg, así como 10 mg/L de Na, genera la oxidación de los iones cloruros a cloro gas, lo cual se comprobó con la determinación de cloro residual in situ antes del proceso de desinfección por cloración en todos los pozos estudiados, registrando por primera vez en dos de ellos, a este se denominó, cloro crudo. Se estudió también la forma de remover el manganeso soluble del agua, para ello se utilizó una zeolita natural homoionizada, la cual es simple de utilizar y con resultados favorables al removerlo en un 100%, ya que esta especie en el agua de uso y consumo puede causar efectos adversos a la salud de los consumidores. Se realizó una isoterma y una cinética de adsorción en las cuales se determinaron las condiciones óptimas para que el material zeolítico adsorba el metal del agua. El equilibrio cinético se alcanzó en 48 h, la relación de 10 mL / 20 mg, adsorbato/adsorbente, fue suficiente para eliminar el exceso de manganeso de las soluciones acuosas y la proporción de 10 mL / 60 mg para el agua de uso y consumo. La cantidad de Mn adsorbida al equilibrio fue de qt=0.0519 mg g-1, con una constante de velocidad de kL= 0.0205 h-1, que de acuerdo al coeficiente de correlación lineal (R2=0.9713), la adsorción se ajustó al modelo de primer orden de Lagergren. Se concluye que en la corrosión iónica por iones nitratos (agente oxidante), se promueve la oxidación de manganeso y/o hierro (agentes reductores), mientras que, simultáneamente estos son reducidos a amonio. Este proceso redox, depende de la dureza del agua, principalmente del calcio, en concentraciones de 10 mg/L de calcio aproximadamente, El calcio tiende a precipitar carbonatos e hidróxidos de baja solubilidad en las áreas catódicas donde se produce una alcalinización del electrolito, esta precipitación dificulta el proceso de reducción de oxígeno catódico y, por lo tanto, el proceso de corrosión general. Las aguas blandas son generalmente las más agresivas porque carecen de la capacidad de formar capas protectoras. su efecto en la infraestructura es directo generando la incorporación de manganeso y/o hierro al agua. Es posible que la reducción de nitratos a amonio se lleve a cabo también, a través de los iones cloruro que generan cloro gas (cloro crudo). De acuerdo a lo anterior la corrosión iónica por iones nitratos es más severa que la de dióxido de carbono.
EL PRESENTE TRABAJO DE INVESTIGACIÓN SE REALIZÓ EN LAS INSTALACIONES DEL CENTRO INTERAMERICANO DE RECURSOS DEL AGUA, BAJO LA RESPONSABILIDAD DE LA DRA. VERÓNICA MARTÍNEZ MIRANDA, DRA. IVONNE LINARES HERNÁNDEZ Y EL DR. MARCOS JOSÉ SOLACHE RÍOS APOYADO Y FINANCIADO POR LA SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y ESTUDIOS AVANZADOS DE LA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO. AGRADEZCO A LAS AUTORIDADES DE ESTAS INSTITUCIONES POR LAS FACILIDADES PARA LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO. AL CONSEJO NACIONAL DE CIENCIA Y TECNOLOGÍA POR LA BECA PARA ESTUDIOS DE POSGRADO AL PROYECTO 100 000 STRONG OF AMERICAS POR EL APOYO OTORGADO DE MOVILIDAD ASÍ COMO AL MUNICIPIO DEL VALLE DE TOLUCA Y AL ORGANISMO DE AGUA Y SANEAMIENTO DE TOLUCAPOR EL APOYO Y EL INTERÉS MOSTRADO DURANTE LA REALIZACIÓN DEL PROYECTO.
Editor
Universidad Autónoma del Estado de México
Fecha de publicación
20 de abril de 2018
Tipo de publicación
Tesis de doctorado
Recurso de información
Idioma
Español
Audiencia
Estudiantes
Investigadores
Repositorio Orígen
REPOSITORIO INSTITUCIONAL DE LA UAEM
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