En las últimas décadas, se ha generalizado la utilización de materiales plásticos para la construcción de circuitos de distribución de aguas de consumo. No obstante, todavía se pueden encontrar en funcionamiento un gran número de sistemas basados en la utilización de materiales como el hierro o el acero galvanizado, susceptibles de sufrir procesos de corrosión.
La aparición de procesos de corrosión en estos sistemas suele acabar por generar extensos sobrecostes en el ejercicio de las tareas de mantenimiento y operación. Además, pueden suponer un reto desde el punto de vista microbiológico, ya que dichos procesos promueven el consumo de las sustancias oxidantes utilizadas como desinfectantes en las líneas de abastecimiento de agua.
A parte de las problemáticas mencionadas anteriormente, los procesos de corrosión suelen estar acompañados de la formación de aguas rojas. Pese a no ser un problema especialmente preocupante desde el punto de vista de la salud pública, ya que no se ha demostrado que su consumo sea perjudicial para el ser humano, la aparición de aguas rojas suele ser uno de los problemas relacionados con los circuitos de abastecimiento que causan una mayor alarma desde el punto de vista de los consumidores.
Mecanismo de Reacción
Las aguas rojas tienen su origen en la aparición de especies insolubles de hierro (III) en el interior de los circuitos de agua de consumo. Estas partículas, se generan como un subproducto de los procesos de corrosión desencadenados en el interior del sistema.
Los procesos oxidación del hierro se originan de forma espontánea en medio acuoso a través de una serie de reacciones en cadena termodinámicamente favorecidas. El proceso de corrosión se produce a través de un mecanismo de dos etapas, cada uno de los cuales se encuentra caracterizado por la formación de un par de oxidación-reducción entre el hierro y otras especies presentes en el sistema.
Durante la primera etapa, el hierro en su forma basal, que se encuentra formando parte de diferentes elementos del sistema, se disolverá en el medio en forma de hierro (II). Posteriormente, en la segunda etapa del mecanismo, el hierro disuelto volverá a oxidarse pasando a formar especies insolubles de hierro (III) que se depositarán sobre la superficie del circuito. Estas reacciones, corresponden a las reacciones que se desencadenarán en el ánodo de la reacción, y se producirán de la siguiente manera:
Fe→ Fe2+ + 2e- (1)
Fe2+ → Fe3+ + 1e- (2)
Con tal de que se mantenga la electroneutralidad del medio, los electrones, liberados en las reacciones de oxidación de las especies metálicas, deberán de ser integrados por especies aceptoras presentes en el sistema. En medio acuoso existen diferentes especies aceptoras capaces de integrar esos electrones, siendo la más común el oxígeno disuelto en el agua.
O2 + 4H+ +4e- → 2H2O (3)
No obstante, la presencia de especies como el hipoclorito sódico o la cloramina, utilizadas como desinfectantes en estos tipos de circuito, puede promover la aparición de reacciones de reducción alternativas:
HClO+H+ +2e- →Cl- +H2O(4)
NH2Cl+2H+ +2e- →Cl- +NH4+ (5)
Por último, en ausencia de las especies mencionadas anteriormente, los procesos de corrosión pueden avanzar a través de la generación de gas hidrógeno como se muestra en la siguiente reacción:
2H+ +2e- → H2 (6)
Por tanto, en cada una de las etapas del proceso de corrosión, se producirá una combinación de una reacción de oxidación (1 o 2) con una de las reacciones de acepción de electrones, o reducción (3, 4, 5 o 6).
Cinética de Reacción
Como en todo proceso químico, la velocidad a la que se desarrolla el proceso de corrosión se verá influenciado por la concentración de las diferentes especies que intervienen en el mecanismo de reacción. Por tanto, la disponibilidad y proximidad entre las diferentes especies serán las responsables últimas de la velocidad a la que se desarrollarán estos procesos en el interior de un circuito.
Como se ha comentado anteriormente, los procesos de corrosión se caracterizan por la formación de deposiciones sobre la superficie metálica de las cañerías del sistema. La progresiva acumulación de deposiciones sobre el suelo metálico, irán dificultando progresivamente las interacciones entre el metal y las especies oxidantes.
De esta forma, los procesos de corrosión se distinguen por presentar unas ratios de formación elevados durante las primeras fases del proceso. Posteriormente, en fases más avanzadas, se produce una aguda reducción de la velocidad de reacción a medida que las deposiciones van limitando las interacciones entre las distintas especies.
Pese a su ralentización, la formación de deposiciones no produce una detención total del proceso de corrosión. Diversos estudios concluyen que, una vez se ha formado una deposición madura, el proceso de corrosión continúa a una velocidad reducida de aproximadamente 0,5 mm/año. Como se verá a continuación, esto explica principalmente debido a la morfología de las deposiciones.
Estructura
Las deposiciones están constituidas por un amplio abanico de especies químicas de hierro. Los tipos de compuestos encontrados en su interior, así como su distribución relativa, está influenciada por un vasto espectro de parámetros: empezando por la naturaleza química del agua (pH, alcalinidad, etc.), pasando por la velocidad de reacción a la que se desarrolle el proceso y llegando hasta el tipo de flujo y la temperatura de trabajo del sistema.
De esta forma, las deposiciones suelen presentar una composición y estructura únicas según se combinen los factores anteriormente mencionados. No obstante, existen una serie de compuestos que suelen ser comunes para la mayoría de las mismas:
- Goethita (α-FeOOH)
- Lepidocrocita (Υ-FeOOH)
- Magnetita (Fe3O4)
- Maghemita (α-Fe2O3)
- Óxido ferroso (FeO)
- Suelo metálico o de corrosión.
- Cuerpo poroso.
- Corteza.
- Capa superficial.
Además, será común la aparición del denominado “óxido verde”, formado por una combinación de compuestos ferrosos y férricos hidratados y que suelen incorporar cloruros, sulfatos y carbonatos en su estructura. Por último, las deposiciones podrán incorporar productos de las reacciones de corrosión de otros metales presentes en el sistema, así como incrustaciones derivadas de la precipitación de especies de calcio y magnesio.
Pese a su relativa singularidad, en las deposiciones de hierro podemos encontrar una serie de entidades estructurales comunes:
- Siderita (FeCO3)
- Hidróxido ferroso (Fe(OH)2)
- Hidróxido férrico (Fe(OH)3)
- Ferrihidrita (5Fe2O3·9H2O)
Suelo Metálico
El suelo metálico o de corrosión representa la fuente principal de hierro en los procesos de corrosión. Esta fase se encuentra constituida por el metal en su forma basal, presentando un estado de oxidación igual a cero, y está compuesta por la parte interna de las cañerías o demás elementos metálicos presentes en el sistema. El suelo metálico representa el soporte estructural sobre el que se irán posando las deposiciones.
Centro Poroso
El centro de las deposiciones está constituido por un cuerpo poroso formado a partir de la aglomeración de diferentes especies sólidas de hierro. En esta fase, podremos encontrar mayoritariamente especies insolubles formadas a partir de hierro (II), como lo son los hidróxidos de hierro (II), la magnetita y la siderita. Asimismo, es común encontrar en menor concentración especies como la ferrihidrita, los “óxidos verdes” y los hidróxidos de hierro (III). Además de las diferentes especies sólidas de hierro, en esta fase podremos encontrar una elevada concentración de cationes de hierro (II) disueltos en el agua.
Corteza
Es la entidad que confiere integridad estructural a la deposición y se encuentra formada principalmente por partículas de magnetita y goethita, en forma de placa, unidas fuertemente entre sí. Su grosor es generalmente inversamente proporcional a la ratio de formación de las deposiciones y puede llegar a cubrir varios milímetros. Esta fase suele actuar como barrera entre las especies oxidantes encontradas en el grueso del agua y las especies de hierro (II), sólidas o disueltas, encapsuladas en el cuerpo poroso de la deposición.
Capa Superficial
Esta fase se encuentra formada por un conjunto de partículas débilmente unidas a la corteza y está localizada en la interfaz que forman el grueso del agua del sistema y la deposición. Debido a la elevada disponibilidad de especies oxidantes en el agua, con la que se encuentra directamente en contacto, esta fase está constituida casi en su totalidad por especies insolubles de hierro (III), siendo común la presencia de lepidocrocita e hidróxidos de hierro (III). Además, debido a su localización es común la presencia de incrustaciones de silicatos, fosfatos y carbonatos de calcio o magnesio.
Esta capa es la causante última de las aguas rojas, ya que, debido a la debilidad de los enlaces de las especies que la forman, el flujo del agua acaba arrastrando las partículas insolubles de hierro (III) causando turbidez y, si se encuentran en una concentración suficiente, la coloración del agua.
Formación y Crecimiento de las Deposiciones
El proceso de formación y crecimiento de las deposiciones se puede dividir esencialmente en dos etapas: una primera etapa de iniciación, donde el metal en su forma basal se disolverá en el medio y empezará a formar las primeras partículas insolubles a base de hierro, y una etapa de maduración, donde las deposiciones empiezan a desarrollar las diferentes características estructurales mencionadas anteriormente.
Etapa de Iniciación
Se caracteriza por la aparición de las primeras especies químicas de hierro sobre el suelo metálico del circuito. Durante las primeras fases de esta etapa se empiezan a desencadenar las reacciones de oxidación-reducción y el hierro en su estado basal pasa a formar parte del medio en forma de hierro (II). A continuación, debido a la elevada accesibilidad que tienen las diferentes especies oxidantes a los cationes de hierro recién disueltos en el medio, se desencadenará una segunda reacción de oxidación, resultado de la cual, aparecerán las primeras especies insolubles de hierro (III).
El tipo de mineral formado dependerá de una serie de factores como: la ratio de oxidación, el pH del medio y la concentración de cationes de hierro (II) disueltos en el medio. No obstante, es muy común la aparición de lepidocrocita, goethita, hidróxidos de hierro (III), magnetita y maghemita. Además, también es frecuente la aparición de “óxido verde” que, posteriormente, será oxidado para formar especies más estables como la goethita y la magnetita. Por último, cabe remarcar que, durante esta primera fase, las deposiciones formadas carecerán de cualquiera de las entidades estructurales mencionadas anteriormente.
Etapa de Maduración
Una vez los subproductos de las reacciones de oxidación se van depositando sobre la superficie del circuito, las deposiciones van desarrollando las diferentes entidades estructurales que las caracterizan. El paulatino engrosamiento de la deposición acaba por dificultar la interacción entre el metal y las especies oxidantes, lo que produce una progresiva reducción de la velocidad a la que prospera el proceso de corrosión.
Además, el agotamiento de las especies oxidantes alrededor del suelo de corrosión propicia la aparición de un gradiente de concentración en el cuerpo de la deposición. De esta forma, en los alrededores del suelo de corrosión, encontraremos una elevada concentración de especies sólidas y disueltas de hierro (II) que, a medida que nos vayamos dirigiendo hacia la superficie de la deposición, irán disminuyendo en favor de especies de hierro (III).
Llegados a este punto, el avance del proceso se verá enormemente influenciado por la capacidad de difusión de las distintas especies a través del cuerpo de la deposición, la de los cationes de hierro (II) hacia el exterior y de las especies oxidantes hacia el interior. Esto dependerá, en última causa, de la morfología de las deposiciones:
- En el cuerpo poroso se genera una elevada concentración de cationes de hierro (II) cuya oxidación o precipitación será vital para el crecimiento de la deposición. Una mayor porosidad permitirá una mayor movilidad de las diferentes especies implicadas en el proceso y, por tanto, favorecerá su progreso.
- La corteza es la principal causante del descenso de la velocidad en los procesos de corrosión, ya que, gracias a su estructura compacta, dificulta la difusión de las diferentes especies que participan en las reacciones de oxidación-reducción que constituyen el proceso de corrosión. Cuanto mayor sea el grosor de la corteza, mayor dificultad encontrarán las diferentes especies para difundirse a través de la misma y, por tanto, menor será la ratio de formación de las deposiciones.
Influencia de la Calidad del Agua
La naturaleza química del agua tiene una elevada influencia en el desarrollo de los procesos de corrosión. Entre otros aspectos, su naturaleza afectará la ratio de corrosión y a la solubilidad de las diferentes especies formadas, lo que tendrá una influencia directa en la composición y la morfología de las deposiciones.
Oxígeno Disuelto
Como se ha comentado anteriormente el oxígeno disuelto en el agua es la especie oxidante más común detrás de los procesos de corrosión. La concentración de oxígeno disuelto puede aumentar o disminuir la velocidad a la que se produce el proceso de corrosión, lo que dependerá principalmente del grado de porosidad de la deposición:
- En deposiciones que presenten una baja porosidad la presencia de oxígeno disuelto puede acabar por dificultar el avance del proceso, ya que promueve la aparición de especies insolubles de hierro que aumentarán la densidad del centro poroso.
- En deposiciones cuyo centro presente una elevada porosidad la presencia de oxígeno favorecerá el avance del proceso al aumentar la ratio de corrosión.
pH
El pH del agua afectará de forma directa al nivel de porosidad de la deposición. Esta influencia se debe principalmente al efecto que tiene el pH sobre la solubilidad de las diferentes especies de hierro (II). A mayor pH menor será la solubilidad de las especies de hierro (II), lo que producirá un descenso en la porosidad de la deposición dificultando la difusión de las distintas especies a través del cuerpo de la misma. De esta forma, al aumentar la porosidad de la deposición, los procesos de corrosión se verán más favorecidos cuanto menor sea el pH del medio.
Alcalinidad
Debido a su capacidad tampón, una elevada alcalinidad en el agua puede mitigar la presencia de protones en el medio y, por tanto, evitar el descenso del pH del medio. Relacionado con lo observado anteriormente, una elevada alcalinidad promoverá la formación de deposiciones más densas reduciendo la velocidad de avance del proceso de corrosión. Además, una elevada alcalinidad favorece la precipitación de la siderita, lo que también provocará una disminución en la porosidad de la deposición.
Dureza
Una elevada concentración de cationes de calcio y magnesio favorecerá la formación de incrustaciones durante el proceso de formación de las deposiciones. De esta forma, una elevada dureza originará una disminución en la porosidad de las deposiciones dificultando el avance del proceso de corrosión.
Tratamiento de los Circuitos de Agua
El tratamiento aplicado a los circuitos de agua para el control y prevención de los procesos de corrosión suele basarse en la utilización de especies químicas capaces de secuestrar las distintas especies metálicas, a medida que estas van apareciendo en el medio acuoso del sistema.
Pese a la existencia de un amplio abanico de compuestos químicos que poseen propiedades secuestrantes, los fosfatos y sus derivados destacan como la familia más utilizada para la prevención de los procesos de corrosión en sistemas de agua de consumo. Como se ha comentado anteriormente, los fosfatos actúan como secuestradores de los cationes de hierro, de forma que, si se desencadenan reacciones de oxidación, impiden la formación de deposiciones sobre la superficie del circuito. Además, estas sustancias actúan formando una película protectora sobre la superficie del sistema, lo que impide el contacto entre las especies metálicas y las especies oxidantes presentes en el agua, inhibiendo, de esta forma, la aparición de procesos de corrosión en el interior del circuito.
Por último, los fosfatos tienden a aumentar la solubilidad de las deposiciones de hierro presentes en el circuito. Esta propiedad permite su utilización como agentes de limpieza en los trabajos de rehabilitación de circuitos de agua.
No obstante, pese a lo comentado anteriormente, la utilización de fosfatos no está exenta de la aparición de ciertos problemas:
- Los fosfatos suelen producir un aumento de la solubilidad de especies metales que pueden ser perjudiciales para la salud, como pueden ser el plomo el manganeso.
- Los fosfatos son conocidos como uno de los principales nutrientes para los microrganismos en los sistemas de agua de consumo, lo que puede ocasionar la proliferación bacteriana en el interior del circuito.Estos efectos adversos suelen relacionarse con una elevada concentración de fosfatos en el medio, es por eso por lo que ocasionalmente se decide combinar la utilización de fosfatos con otras especies químicas con acción secuestrante. De esta forma, al no recaer sobre los fosfatos toda la actividad preventiva, se garantiza un correcto tratamiento del circuito utilizando menores concentraciones de los mismos.
Recuperación de un Sistema de Agua de Consumo Humano
El proceso de recuperación de un circuito de agua de consumo se realiza, habitualmente, mediante la dosificación de especies secuestrantes. Estos compuestos actúan en el circuito cumpliendo una doble función:
- Ayudan a eliminar las deposiciones de hierro.
- Inhiben el avance de los procesos de corrosión.
Generalmente, la rehabilitación de un sistema de estas características se efectúa a través de la realización de dosificaciones de choque de los productos de limpieza y, si el sistema lo permite, de la posterior recirculación del agua cargada a través de los conductos del circuito.
Las dosificaciones de choque permiten realizar arrastres de gran magnitud y, de esta forma, ayudan a disminuir el tiempo empleado en las tareas de recuperación de la instalación. La recirculación del agua del sistema permite tratar de forma correcta todos los tramos del circuito, al garantizar el tiempo de contacto suficiente como para que los productos utilizados actúen sobre el sistema. No obstante, si el circuito no permite la recirculación del agua, los trabajos de recuperación podrán realizarse a través de la dosificación en continuo.
Los trabajos de rehabilitación suelen necesitar de varios ciclos de carga y recirculación para asegurar el éxito de la intervención. Tras cada uno de los ciclos se procederá al vaciado del circuito y se repetirá la operación tantas veces como sea necesario.
Seguimiento del Proceso
Preferiblemente, las tareas de recuperación vendrán precedidas de un análisis de diagnóstico sobre la situación general de la instalación. Esta evaluación inicial, nos permitirá realizar un juicio de valor sobre la idoneidad de acometer trabajos de esta índole y, posteriormente, permitirá evaluar el grado de efectividad del tratamiento propuesto.
Para realizar un dictamen correcto del estado del sistema se recomienda la utilización de dos herramientas: la utilización de un espesímetro, que es un aparato de medición que utiliza la inducción magnética para determinar el grosor de una superficie metálica en un punto determinado, y la determinación de la concentración de hierro en el agua del sistema, generalmente a través de la utilización de un fotómetro.
Con el objetivo de evaluar el avance del proceso, además del análisis inicial, se deberán de realizar medidas periódicas durante el ejercicio de las tareas de rehabilitación.
Interpretación de los Resultados
La interpretación correcta de los ensayos realizados nos permitirá hacernos una idea de la efectividad del tratamiento realizado. Para ello, deberemos entender los procesos que se desencadenan en el interior del sistema, así como los principios elementales de los compuestos y equipos utilizados.
Como se ha comentado anteriormente, los procesos de corrosión se caracterizan por la deposición de especies de hierro de diferente estado de oxidación sobre la superficie del suelo metálico del sistema. Estas deposiciones, acaban generando una progresiva disminución en la sección de las cañerías del circuito.
or tanto, una vez sobrepasado el grosor primitivo del material utilizado en el sistema, las medidas aportadas por el espesímetro nos indicarán el grado de corrosión del sistema. De esta forma, a mayor grosor en un punto determinado, mayor será la cantidad de deposiciones formadas y, por tanto, más avanzado se encontrará el proceso de corrosión en el circuito. A medida que avanzamos en el proceso de recuperación, deberíamos de ser capaces de observar una disminución en el grosor de la cañería para un punto determinado del sistema.
Por otro lado, las especies secuestrantes utilizadas para la rehabilitación de los circuitos de agua de consumo, suelen producir un aumento de la solubilidad de las especies de hierro depositadas en el sistema. Esta propiedad, permite eliminar gran parte de las deposiciones del circuito durante el tratamiento de la instalación.
No obstante, al aumentar la solubilidad de dichos compuestos, es habitual observar un aumento de la turbidez y la intensidad de la coloración del agua durante los primeros ciclos del tratamiento. Una vez se haya arrastrado el grueso de las deposiciones, el agua irá perdiendo color paulatinamente hasta la obtención de un agua completamente transparente.
Ventajas de la Utilización del PAB 22
El PAB 22 es un producto a base de hexametafosfato y óxido de silicio diseñado especialmente para el tratamiento y la rehabilitación de circuitos de agua de consumo.
Su dosificación en continuo permite aumentar ostensiblemente la vida útil del sistema, ya que, gracias a su formulación a base de hexamentafosfato, favorece la formación de una película protectora sobre la superficie del circuito que impedirá la aparición de procesos de corrosión en su interior. Cabe remarcar que, para un correcto tratamiento del circuito, es deseable que su dosificación se realice en continuo, ya que, de esta manera, se garantizará la permanencia en el tiempo de la capa protectora.
Además, al aumentar la solubilidad de las especies depositadas de hierro, el hexametafosfato promueve el arrastre de las deposiciones presentes en el circuito, lo que lo convierte en un producto apropiado para su utilización en el tratamiento y la rehabilitación de circuitos que presenten procesos de corrosión avanzados.
Durante los trabajos de rehabilitación es habitual la aparición de pequeñas fisuras a lo largo del circuito que, si no son tratadas de forma correcta, originarán un perjuicio económico consecuencia del derroche de agua durante la operación del sistema. Estas roturas aparecen a lo largo del circuito como consecuencia del arrastre de las deposiciones, que se depositan sobre las paredes del sistema actuando de tapón en los puntos donde el avance del proceso de corrosión ha acabado por perforar las paredes metálicas de los sistemas de canalización.
Con tal de mitigar la aparición de estas pequeñas grietas, la composición del PAB 22 incorpora óxidos de silicio en su formulación. La adición de especies de silicio tiene su fundamento en la capacidad que presentan para formar especies insolubles de elevada dureza. Dosificadas en su justa medida, las especies de silicio formarán deposiciones sobre los poros del sistema, lo que permitirá evitar el despilfarro de agua sin tener que acometer costosos trabajos de renovación de largos tramos del circuito.
Por último, otra de las ventajas de incorporar silicato sódico en la composición del PAB 22 es su conocida capacidad secuestrante. De esta forma, al utilizarlo en combinación con el hexametafosfatos garantiza una correcta acción preventiva sin que sea necesario aumentar la concentración de fosfatos por encima de niveles deseables. Una de las principales ventajas de la utilización de silicatos sódicos como agentes secuestrantes, es que estos no generan problemas de solubilidad aumentada de especies metálicas que puedan ser perjudiciales para la salud.
Pese a sus múltiples ventajas, y de la misma manera que con la mayoría de los productos utilizados en el tratamiento de circuitos de agua de consumo, la dosificación PAB 22 debe estar estrictamente controlada, ya que su sobredosificación puede acabar por generar algunos efectos no deseados sobre el sistema:
- Concentraciones elevadas de fosfatos pueden causar problemas debido a su capacidad de aumentar la solubilidad de ciertos metales presentes en algunas líneas de abastecimiento, como pueden ser el plomo o el manganeso, que, por encima de ciertos umbrales de concentración, pueden ser perjudiciales para la salud. Además, como los fosfatos representan una fuente de nutrientes para ciertos microorganismos, su sobredosificación puede acabar promoviendo la proliferación bacteriana en el interior del circuito.
- Debido a su elevado poder incrustante, la sobredosificación del silicato sódico puede acabar por generar problemas de incrustaciones, sobre todo en circuitos de agua caliente. Por lo que en su utilización en circuitos de agua caliente se recomienda la revisión y limpieza periódica de los puntos especialmente susceptibles a sufrir procesos de incrustaciones, como puede la superficie de calefacción de los intercambiadores de calor.
Es por todo lo anterior que, desde Grupo Beta, se recomienda realizar el tratamiento con PAB 22 mediante la instalación de un equipo de dosificación controlado por un contador emisor de impulsos y siempre bajo la supervisión de un técnico cualificado.
Joan Almela
Técnico Químico Levante
Alfa & Omega 2014 SL