Introducción
La hidrosfera cubre cerca de un 70 % de la superficie terrestre y se encuentra compuesta por una cifra cercana a los 1,4 billones de Km3 de agua. De este volumen total de agua, alrededor del 97,5 % se encuentra formando parte de mares y océanos siendo esta agua salada no apta para el consumo humano.
De esta forma, tan solo el 2,5 % del agua presente sobre la superficie del planeta es agua dulce, de la cual en torno al 69,7 % se encuentra formando parte de glaciares, un 30 % se encuentra ubicada bajo tierra en acuíferos subterráneos y el 0,3 % restante se encuentra formando parte de ríos, embalses, lagos y lagunas.
De todo lo expuesto anteriormente, se desprende que las aguas subterráneas suponen la principal fuente potencial de agua susceptible de ser explotada por el ser humano, ya que la grandísima mayoría del agua almacenada en los glaciares se encuentra situada en los polos. En consecuencia, la correcta gestión de los recursos hidrográficos subterráneos es un elemento crucial para poder asegurar el suministro de agua potable que sustenta la vida sobre el planeta.
Las aguas subterráneas
El agua subterránea se almacena en unas formaciones geológicas llamadas acuíferos y suponen un componente esencial del Ciclo Hidrológico, ya que contribuyen de forma activa a mantener los caudales de ríos, manantiales, lagos, humedales y estuarios. Esta contribución, variará enormemente en función de la geodinámica y la climatología de una zona determinada, no obstante, diversos estudios apuntan que en España su contribución, respecto del total del caudal de los ríos, representa cerca del 30 %.
Otro aspecto interesante de estos recursos es que su explotación es muy ventajosa atendiendo al aspecto económico, ya que los gastos de extracción representan una pequeña fracción de los costes que presentan las obras de construcción de embalses y la canalización para su transporte y distribución, pudiendo ser utilizados generalmente cerca de los puntos de extracción. Además, la capacidad de los acuíferos suele ser de varias magnitudes superior a su alimentación media anual, lo que permite extraer agua en periodos de sequía. No obstante, cabe tener en cuenta que se trata de un recurso limitado que debe de ser utilizado de forma responsable, ya que debido a su elevada capacidad de almacenamiento los efectos de la sobreexplotación de los acuíferos suelen manifestarse décadas después del inicio de la extracción.
Siempre que no existan procesos de sobrexplotación continuada, los acuíferos se regenerarán de forma natural a través de las precipitaciones, donde el agua se infiltrará en el terreno y quedará almacenada en los poros, grietas y fisuras presentes de forma natural en la orografía de una zona determinada.
Composición química del agua
De sobra conocida es la capacidad disolvente del agua, esto lo vemos de forma natural en nuestro día a día y su capacidad de disolución se verá afectada por distintos aspectos como la temperatura o la presión a la que se encuentre expuesta. De esta forma, la composición química del agua dependerá en primera instancia de su capacidad como disolvente y variará en función de la mineralogía de las cuencas hidrográficas y/o acuíferos a los que haya sido expuesta.
De lo mencionado anteriormente, se desprende que existen múltiples factores que afectan de forma directa la composición química del agua continental. Entre los más importantes cabe destacar: la naturaleza y la disposición espacial de los materiales con los que el agua entra en contacto, la superficie y el tiempo de contacto, la temperatura, la presión, la presencia de gases, el grado de saturación relativo de cada una de las distintas sustancias incorporables, etc.
Además, estos factores se combinan para crear un sinfín de tipos de agua cuya composición química evolucionará tanto espacial como temporalmente. Esto se debe en última instancia a los factores mencionados anteriormente pero también debido a la mezcla de aguas de distintas procedencias a lo largo de las trayectorias de flujo subterráneo o superficial. Es por esto por lo que la composición del agua varía drásticamente dentro de la geografía de un mismo país, pudiendo llegar a variar dramáticamente entre zonas relativamente cercanas.
Existe un enorme abanico de elementos susceptibles de estar presentes formando parte de la composición del agua, estos suelen clasificarse en función de la frecuencia de aparición y la concentración. De esta forma encontraremos elementos mayoritarios o fundamentales y elementos minoritarios o secundarios.
Entre los constituyentes mayoritarios del agua encontramos:
– Aniones: HCO3-, CO32-, Cl-, SO42-, NO3 -.
– Cationes: Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH4+
– Otros: CO2, O2, SiO4H6 o SiO2
Entre los constituyentes minoritarios encontramos:
– Aniones: F-, S2-, HS-, Br-, I-, PO43-, BO33-
– Cationes: Mn2+, Fe2+, Li+, Sr2+, Zn2+.
Además de los mencionados anteriormente, en el agua encontraremos una larga lista de elementos minoritarios cuya concentración o frecuencia de aparición es tan pequeña que se denominan elementos traza. Entre los principales constituyentes traza podemos encontrar: Al3+, CO2+, Cu2+, Pb2+, Ni2+, Cr3+, etc.
Entre los aspectos geológicos que afectan la composición del agua existen algunos con relación directa obvia pueden ser los siguientes: si el agua entra en contacto con superficies ricas en yesos el agua obtendrá una alta concentración en SO42- y Ca2+, si por el contrario el agua atraviesa zonas ricas en sales cloruradas adquirirá principalmente Cl- y Na+ y si en su camino se encuentra con formaciones calizas incorporará a su composición mayoritariamente HCO3-, CO32- y Ca2+.
De esta forma, según sus componentes mayoritarios se hablará de aguas sulfatadas cálcicas, cloruradas sódicas y bicarbonatadas cálcicas respectivamente. Además, los suelos graníticos suelen ofrecer aguas de mineralización débil con cierta tendencia a ser cloruradas sódicas o bicarbonatadas sódicas y los suelos ricos en fluorita o fluorapatita suelen ofrecer aguas de naturaleza fluorada cálcica.
Llegados a este punto, cabe mencionar la secuencia de Chevorateb, que clasifica la composición de las aguas en función del tiempo de permanencia en el subsuelo. De esta forma, esta secuencia indica que las aguas con un menor tiempo de residencia tenderán mayoritariamente a ser aguas bicarbonatadas, seguidamente encontraremos las sulfatadas y, finalmente, aquellas aguas con un mayor tiempo de residencia tendrán una tendencia clara a ser aguas cloruradas. En la secuencia catiónica análoga, la tendencia a la concentración de cationes atendiendo al tiempo de residencia será aguas cálcicas, magnésicas y sódicas. No obstante, esta relación no es tan clara y cuenta con un mayor número de excepciones.
Por último, cabe destacar que la composición geológica de los acuíferos y las cuencas hidrográfica tendrá también un impacto directo en el pH del agua. En esta línea, distintos estudios han determinado una tendencia directa descendente en el nivel de pH atendiendo a las siguientes formaciones geológicas: calizas > serpentinitas > rocas básicas y metabásicas > esquistos > granito > pizarras.
Naturaleza del agua
En función de la composición final del agua, esta se comportará de distintas maneras al entrar en contacto con otros materiales. De forma general, el agua se podrá clasificar según presente una naturaleza corrosiva, incrustante o equilibrada.
La utilización sistemática de aguas con un carácter elevadamente corrosivo o incrustante está directamente relacionada con la aparición de ciertas problemáticas que pueden afectar al consumidor. De forma general las aguas corrosivas promoverán la aparición de procesos de oxidación de materiales metálicos, mientras que las aguas con tendencia incrustante promoverán la aparición de deposiciones de sales de carbonatos. Sea como sea, la utilización de aguas no equilibradas tenderá a disminuir la vida útil de los electrodomésticos o maquinaria industrial sobre la que se utilice.
De entre los muchos componentes que encontramos formando parte de la composición del agua la dureza será el componente principal que determinará su tendencia natural.
Dureza
La dureza o grado hidrotimétrico corresponde a la suma de las concentraciones de los cationes metálicos presentes en el agua a excepción de los metales alcalinos y el ion hidrógeno. No obstante, cuando se habla de dureza en términos generales se hace referencia a la concentración de los cationes de calcio y magnesio en el agua, esto es así debido a que la concentración de estos dos cationes eclipsa por mucho la concentración de todos los demás.
Como se ha comentado anteriormente, la dureza del agua dependerá principalmente de las formaciones geológicas con las que interaccione el agua antes de ser consumida, es por esto por lo que suele variar enormemente entre distintas zonas geográficas de un mismo país. A continuación, se muestra un mapa donde queda reflejado los niveles aproximados de dureza atendiendo a la localización dentro del país:
Como se ha comentado anteriormente, el agua adquiere la dureza debido al poder disolvente de la misma. Entre las causas que favorecen el poder disolvente del agua se encuentra la naturaleza relativamente ácida del agua de lluvia, que suele presentar un pH de entre 5 y 5,5, debido a la disolución de CO2 en su interior, en forma de ácido carbónico, consecuencia del equilibrio químico existente entre el vapor de agua y el medio.
Además, al entrar en contacto con la superficie terrestre esta incorpora el CO2 resultante de las rutas metabólicas de distintas bacterias, disolviéndolo también en forma de ácido carbónico. De esta forma, las condiciones de pH ácidas favorecen que al entrar en contacto con distintos minerales el agua los ataque disolviéndolos parcialmente e incorpore cationes y aniones como solutos disueltos en su interior.
De entre los minerales que favorecen una mayor dureza del agua cabe destacar el carbonato cálcico, el cual se puede encontrar de forma espontánea en la naturaleza en forma de calcita o carbonato cálcico.
Además, existen otros minerales que favorecen la formación de formas de aguas duras como la dolomita, formado por mezclas de carbonato cálcico y magnésico. Por último, caber remarcar la aportación de otras sales como pueden ser los carbonatos de zinc o de hierro.
De entre las características que favorecen la aportación de dureza al agua por parte de las sales de carbonato cálcico la principal es su elevada reactividad con especies débilmente ácidas. De esta forma, al presentar el agua de lluvia un pH ligeramente ácido, se convierten en la principal fuente de dureza. Además, cabe remarcar que la calcita es un mineral muy común sobre la superficie terrestre donde se calcula que puede llegar a suponer hasta el 4 % en peso de la corteza terrestre, formando parte de distintas formaciones rocosas como la piedra caliza, el mármol o la tiza.
La disolución de la calcita se verá favorecida cuanto mayor sea la concentración de CO2 disuelto en el interior del agua y se producirá de forma que al reaccionar con el agua esta se transformará progresivamente en hidrogencarbonato a través de la siguiente reacción química:
CaCO3 (s) + H2O (l) + CO2 (ac)→Ca(HCO3)2 (ac)
Según la naturaleza de los cationes disueltos se podrá distinguir entre dos tipos principales de dureza:
Dureza temporal: La dureza temporal hace referencia a la resultante de la disolución de bicarbonatos y carbonatos de calcio y magnesio. Su denominación como temporal se debe a que su eliminación es relativamente sencilla por ebullición al presentar dichas sales una razón de solubilidad negativa o inversamente proporcional a la temperatura del agua.
Dureza permanente: La dureza permanente hace referencia a la dureza no carbónica y generalmente se encuentra asociada a la disolución de sales de sulfato o cloruros. Estas presentan una razón de solubilidad positiva por lo que no pueden ser eliminadas fácilmente por ebullición.
Clasificación de la dureza del agua
Aunque muchos países clasifican la dureza del agua atendiendo a distintos umbrales de concentración, todos ellos lo hacen en función de la concentración de carbonato cálcico disuelto en el agua. A continuación, se muestra la clasificación de la dureza del agua establecida por la Organización Mundial de la Salud (OMS):
|
[CaCO3] (mg/l) |
Tipo de agua |
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0 – 60 |
Muy blanda |
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61 – 120 |
Blanda |
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121 – 180 |
Dura |
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> 180 |
Muy dura |
Pese a que la legislación actual no contempla límites en las concentraciones de dureza del agua de consumo humano y que la OMS determina que la concentración de dureza, ya se baja o elevada, no presenta ningún efecto pernicioso sobre la salud de las personas, esta es sin duda la que más puede afectar la experiencia del usuario.
Problemáticas relacionadas con la dureza del agua
Como se ha comentado anteriormente, la dureza será uno de los factores principales que determinarán la tendencia natural de un agua con una composición química determinada. De esta forma, de forma conjunta con el pH, la temperatura y la alcalinidad, la dureza determinará tendencia incrustante, corrosiva o equilibrada del agua.
De forma general, las aguas muy blandas presentarán una tendencia elevadamente corrosiva, igual que se ha explicado anteriormente en el caso de la calcita, el agua blanda suele presentar un pH relativamente ácido lo que favorece la disolución de los cationes metálicos favoreciendo los procesos de corrosión. Además, estas aguas suelen presentar una mineralización muy débil por o que la tasa de disolución relativa de los cationes es muy baja, promoviendo todavía más los procesos de corrosión derivados de la disolución de elementos metálicos.
En el otro lado de la palestra podemos encontrar las aguas con elevada tendencia incrustante, estas aguas se suelen caracterizar por presentar una elevada concentración de sales disueltas de calcio y magnesio. En el caso de las carbonatadas, que como se ha comentado anteriormente forman parte de lo que se denomina dureza temporal, estas pueden causar auténticos estragos en los sistemas de intercambio de calor, así como en los acumuladores de agua caliente sanitaria o termos eléctricos, es por esto por lo que generalmente se recomienda la utilización de agua osmotizada o descalcificada en este tipo de sistemas.
Además de los procesos de corrosión o incrustación, que pueden ser desencadenados debido a concentraciones de dureza demasiado bajas o altas respectivamente, existen otras problemáticas que pueden afectar al consumidor. Entre otras cosas, la presencia de una elevada dureza en el agua está directamente relacionada con la pérdida de efectividad de los detergentes, donde se calcula que por cada 10 mg/L de CaCO3 se desperdician hasta 120 mg/L de jabón. Asimismo, una elevada concentración de dureza en el agua suele ser vista por parte de los consumidores con un agua de peor calidad, relacionándola de forma directa con un agua con peor sabor y, por tanto, menos atractiva de cara al consumo.
Índices de estabilidad
Por último, cabe remarcar que a la hora de establecer la naturaleza del agua existen distintas herramientas, que atendiendo a su composición química nos ofrecerá una medida orientativa de la tendencia equilibrada, corrosiva o incrustante de la misma.
Estas herramientas, denominadas comúnmente como índices de estabilidad del agua, se basan en la obtención del pH de saturación del carbonato cálcico, es decir la obtención del pH a partir del cual se producirá la precipitación de los cationes de calcio disueltos en el agua. Para su cálculo se tendrán en cuenta distintos componentes del agua siendo los más importantes: la dureza, la alcalinidad, el pH, la temperatura y los sólidos totales disueltos.
De forma simplificada el pHs se puede calcular a partir de una ecuación sencilla, siendo esta la siguiente:
pHsat = (9,3 + A + B) – (C + D)
Donde:
Entre los principales índices de estabilidad cabe destacar:
ÍNDICE DE LANGELIER
El índice de saturación de Langelier se puede obtener a partir de la siguiente fórmula:
ISL = pH – pHsat
Dependiendo del resultado obtenido:
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Resultado |
Tendencia del agua |
|
ISL > 0 |
Tendencia incrustante |
|
ISL = 0 |
Agua equilibrada |
|
ISL < 0 |
Tendencia corrosiva |
ÍNDICE DE RYZNAR
El índice de Ryznar se obtendrá a partir de la aplicación de la siguiente fórmula:
IR=2xpHsat -pH
|
Resultado |
Tendencia del agua |
|
4,5 < IR < 5,5 |
Tendencia fuertemente incrustante |
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5,5 < IR < 6,2 |
Tendencia ligeramente incrustante |
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6,2 < IR < 6,8 |
Agua equilibrada |
|
6,8 < IR < 8,5 |
Tendencia ligeramente corrosiva |
|
8,5 < IR < 9,0 |
Tendencia significativamente corrosiva |
|
IR > 9,0 |
Tendencia fuertemente corrosiva |
ÍNDICE DE PUCKORIUS
El índice práctico de incrustación desarrollado por Puckorius es muy similar al índice de Ryznar no obstante en su cálculo utiliza el valor del pH en equilibrio del agua.
PSI = 2 x pHsat – pHEQ
Donde:
pHEQ = 1,465 × log [Alcalinidad (mg/L de CaCO3)] + 4,54
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Resultado |
Tendencia del agua |
|
PSI < 4,5 |
Tendencia incrustante |
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4,5 < PSI < 6,5 |
Agua equilibrada |
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PSI > 6,5 |
Tendencia corrosiva |
Por último, cabe remarcar que, desde Grupo Beta, se recomienda buscar asesoramiento profesional a la hora de acometer la planificación de instalaciones de circuitos de agua industrial, para, de esta forma, poder determinar aquellos sistemas de tratamiento del agua que mejor se ajusten a sus necesidades atendiendo a la naturaleza del agua y a las exigencias de la actividad económica desempeñada.