Se define la dureza total del agua como la cantidad de sales de elementos alcalino-térreos (berilio, magnesio, calcio, estroncio, bario y radio) presentes en el agua y que normalmente se asocia a la formación de incrustaciones calcáreras. Si bien el concepto de dureza incluye diversos elementos, en la práctica, la dureza de un agua se corresponde únicamente con la cantidad de calcio y magnesio existentes.

En este sentido destaca la importancia del magnesio en la formación de incrustaciones calcáreas ya que habitualmente se tiende a asociar las incrustaciones (cal) únicamente con el calcio presente en el agua y generalmente todas las incrustaciones están constituidas por sales tanto de calcio como de magnesio.

Cuando en el agua, además de los iones calcio y magnesio también están presentes los iones bicarbonato, pueden producirse las incrustaciones calcáreas. El aumento de la temperatura y un valor de pH elevado favorecen asimismo la formación de la cal. Todos estos conceptos se describen en detalle en el apartado de Procesos - Formación de incrustaciones.

Para un mayor conocimiento sobre la dureza del agua, profundizaremos, a continuación, en los siguientes conceptos analíticos:

Tipos de dureza

En el proceso de formación de las incrustaciones calcáreas intervienen las sales de calcio y magnesio que se asocian con iones bicarbonatos; por este motivo se definen tres valores relacionados con la dureza:

Dureza total

Es la concentración total de calcio y magnesio presentes en el agua. No nos proporciona en sí misma ninguna información sobre el carácter incrustante del agua ya que no contempla la concentración de los iones bicarbonato presentes.

Dureza temporal

Es la parte de la dureza total que puede incrustar y corresponde a la cantidad de calcio y magnesio que puede asociarse con iones bicarbonato. Su determinación analítica corresponde al contenido en bicarbonatos presentes en el agua y como máximo es igual a la dureza total del agua.

Dureza permanente

Corresponde a la cantidad de calcio y magnesio restante que se asocia con los otros iones, como cloruros, sulfatos, nitratos...etc. Es la diferencia entre la dureza total y la dureza temporal y en general en las condiciones de trabajo normales no produce incrustaciones.

Unidades de dureza

La dureza de un agua se expresa generalmente en grados franceses (ºf) aunque también pueden utilizarse los grados alemanes (ºd) según las siguientes fórmulas:

Las concentraciones de calcio y magnesio deben expresarse en una unidad común para poderse sumar, ya que no produce la misma incrustación 1 gramo de calcio que 1 gramo de magnesio. Para ello se utiliza la expresión química “expresado como CaCO3 (carbonato cálcico)” o “expresado como OCa (óxido cálcico)”.

En el cálculo de los ºf, Para transformar la concentración de ión calcio (Ca2+) en carbonato cálcico se debe dividir dicho valor por 20 (peso equivalente del ión calcio) y multiplicar por 50 (peso equivalente del carbonato cálcico). Para transformar la concentración de ión magnesio (Mg2+) en carbonato cálcico se ha de dividir dicho valor por 12,15 (peso equivalente del ión magnesio) y multiplicar por 50 (peso equivalente del carbonato cálcico).

  Finalmente, para pasar de grados franceses a alemanes y viceversa se pueden utilizar las siguientes fórmulas:

Como regla nemotècnica un agua siempre tiene más grados franceses que alemanes de dureza.

Valores habituales de dureza y su significado

A título orientativo, se relacionan a continuación los valores de dureza que puede tener el agua, distinguiendo entre dureza temporal y total, así como su posible significado en relación con la formación de incrustaciones calcáreas.

 

DUREZA TEMPORAL

VALOR SIGNIFICADO Y COMENTARIOS

0 - 10 ºf Nulo a muy reducido carácter incrustante; probablemente puede favorecer los procesos de corrosión

11 - 20 ºf Muy ligero a ligero carácter incrustante, más significativo en agua caliente

21 - 30 ºf Moderado a significativo carácter incrustante. Puede producir incrustaciones en agua caliente

31 - 40 ºfImportante a muy importante carácter incrustante. Probablemente producirá incrustaciones muy significativas en agua caliente

> 40 ºfAgua extremadamente incrustante. Se formarán muy importantes incrustaciones incluso en agua a temperatura ambiente.

 La dureza temporal nos da una idea del carácter incrustante del agua.

DUREZA TOTAL

VALOR SIGNIFICADO Y COMENTARIOS

0 - 10 ºfNulo a muy reducido carácter incrustante; probablemente favorecerá los procesos de corrosión debido a su baja salinidad

11 - 30 ºf Muy ligero a moderado carácter incrustante, más significativo al aumentar la dureza así como la temperatura

31 - 50 ºfSignificativo a importante carácter incrustante, aunque también puede contener iones (normalmente, sulfatos y/o nitratos) que favorezcan los procesos de corrosión

51 - 80 º fNo puede determinarse el carácter incrustante; el agua contendrá iones (normalmente sulfatos o nitratos) que pueden producir procesos de corrosión

81 - 100 ºfNo puede determinarse el carácter incrustante; el agua contendrá iones (cloruros, sulfatos o nitratos) que pueden producir importantes procesos de corrosión

> 100 ºfNo puede determinarse el carácter incrustante; el agua contendrá iones (normalmente cloruros) que pueden producir muy importantes procesos de corrosión

 

La dureza total NO nos da una idea del carácter incrustante del agua.

Magnesio (Mg) y agua

Magnesio y agua: mecanismos de reacción, impacto ambiental y efectos en la salud

El magnesio está presente en el agua de mar en concentraciones de 1300 ppm. Después del sodio, el magnesio es el catión que se encuentra en mayores proporciones en el océano. Los ríos contienen aproximadamente 4 ppm de magnesio, las algas marinas contienen 6.000-20.000 ppm, y las ostras alrededor de 1.200 ppm. El agua potable de Holanda contiene entre 1 y 5 mg de magnesio por litro. El magnesio y otros metales alcalinotérreos son responsables de la dureza del agua. El agua que contiene grandes cantidades de iones

alcalinotérreos se denomina agua dura, y el agua que contiene bajas concentraciones de estos iones se conoce como agua blanda.

¿Cómo reacciona el magnesio con el agua?

Los metales de magnesio no están afectados por el agua a temperatura ambiente. El magnesio generalmente es un elemento poco reactivo, pero su reactividad aumenta con niveles de oxígeno. Además el magnesio reacciona con el vapor de agua para dar lugar a hidróxido de magnesio y gas hidrógeno:

Mg (s) + 2H2O(g) -> Mg(OH)2(aq) + H2(g)

Los fuegos provocados por el magnesio no se extinguen con agua. El magnesio continúa quemándose hasta que el oxígeno se agota. Entonces reacciona con el nitrógeno del aire para formar nitruro de magnesio (Mg3N2). Cuando se intentan extinguir los fuegos de magnesio con agua, el magnesio en llamas reacciona violentamente provocando la ruptura de la molécula de agua y produciendo una reacción explosiva, liberando gran cantidad de energía. Para prevenir daños, el fuego causado por magnesio debe apagarse cubriéndolo con arena. Un ejemplo de compuesto de magnesio es el fosfuro de magnesio (Mg3P2), un sólido oloroso y gris. Cuando este compuesto se pone en contacto con agua o aire húmedo, se descompone y se forma la fosfina (PH3), compuesto tóxico y también muy inflamable.

Solubilidad del magnesio y de los compuestos del magnesio

El magnesio se presenta principalmente como Mg2+ (aq) en soluciones acuosas, pero también como MgOH+ (aq) y Mg(OH)2 (aq). En el agua de mar también puede presentarse como MgSO4. La solubilidad del hidróxido de magnesio en agua es de 12 mg/L. Otros derivados del magnesio son más solubles en agua, por ejemplo el carbonato de magnesio (600 mg/L). El sulfato de magnesio añade al agua un sabor agrio, y tiene una solubilidad en agua de 309 g/L a 10oC.

¿Por qué el magnesio está presente en el agua?

Un gran número de minerales contienen magnesio, por ejemplo la dolomita (carbonato de calcio y magnesio, CaMg(CO3)2) y la magnesita ( carbonato de magnesio MgCO3). El magnesio se desprende de las rocas y va a parar al agua.El magnesio tiene muchos propósitos y consecuentemente finaliza en en agua de maneras muy distintas. La industria química añade magnesio a los plásticos y a otros materiales como una medida de protección contra el fuego o como material de relleno. También finaliza en el medio ambiente como fertilizante y como alimentación de ganados. El sulfato de magnesio se aplica en la industria de la cerveza, y el hidróxido de magnesio se aplica como floculante en plantas de tratamiento de aguas residuales. El magnesio es también un laxante suave. Las aleaciones del magnesio se aplican en la construcción de coches y de aviones. Durante la II Guerra Mundial el magnesio se aplicó como material de bombas, y causó un gran número de incendios en las ciudades. El desarrollo de estas bombas introdujo un método para extraer magnesio del agua de mar.

¿Cuáles son los efectos medioambientales de la presencia de magnesio en agua?

El magnesio es un mineral alimentario para todos los organismos excepto para los insectos. Es un átomo central de la molécula de la clorofila, y por lo tanto es una sustancia necesaria par la función fotosintética de las plantas. El magnesio no sólo se encuentra en el agua de mar sino también en ríos y agua de lluvia, y de esta forma se distribuye de forma natural en el medio ambiente. Tres isótopos del magnesio se forman naturalmente, los cuales son estables y consecuentemente no radiactivos. También existen ocho isótopos inestables. Las pautas que establecen el contenido máximo de magnesio en el agua potable son bastante relativas, ya que no se le atribuyen efectos negativos en seres humanos y en animales. Los problemas ambientales provocados directamente por la presencia de magnesio en agua, hacen necesaria la utilización de ablandadores. Como se citó anteriormente, la dureza es causada, en parte, por el magnesio. Los iones de calcio y magnesio (especialmente de calcio) influencian negativamente la capacidad de limpieza de los detergentes, ya que en el agua que contiene altas concentraciones de iones calcio y magnesio en disolución, cuándo éstos se ponen en contacto con el jabón se forman precipitados en forma de sales insolubles, esto hace que el jabón no se disuelva totalmente en el agua, y por lo tanto se pierde cierta capacidad de limpieza. Debido a esta razón, se añade alrededor de un 40% de ablandador al jabón. Estos jabones solían ser fosfatos, pero se descubrió que estos compuestos eran difícilmente biodegradables, y causaban eutrofización.

Hoy en día se aplican agentes químicos alternativos, principalmente agentes acomplejantes como citrato de sodio, AEDT y ANT, o intercambiadores iónicos como zeolita A. Estas sustancias no provocan eutrofización y no son tóxicos. El ácido nitroacético (ANT) puede ser mutagénico, y es difícil de eliminar durante la purificación. La zeolita A aumenta la cantidad de lodo. Adicionalmente otros agentes acomplejantes como el AEDT tienen la capacidad de eliminar metales de compuestos que de otro modo serían difíciles de descomponer. Los metales pesados pueden finalizar en agua porque el AEDT es difícil de eliminar en las plantas de tratamiento de aguas residuales.

La dureza del agua difiere de una región a otra, por lo tanto la adición de ablandadores a los detergentes no es necesario en regiones que tienen aguas blandas. En regiones que tienen aguas de elevada dureza, deben aplicarse mayores cantidades de detergente, de esta forma se está añadiendo cierto poder ablandador. Como consecuencia, otras sustancias presentes en los detergentes, se adicionan también en dosis más altas al aplicarse detergentes en grandes cantidades, esto hace que se compliquen los procesos de tratamiento de aguas residuales.

¿Cuáles son los efectos sobre la salud de la presencia de magnesio en agua?

El cuerpo humano contiene alrededor de 25 g de magnesio, del cual el 60% está presente en los huesos y el 40% está presente en los músculos y en otros tejidos. Se trata de un mineral alimenticio para los seres humanos, es uno de los elementos que son responsables de la función de las membranas, transmisión de estímulos nerviosos, contracción de músculos, construcción de proteínas y de réplica de ADN. El magnesio es un ingrediente principal para la mayor parte de las enzimas. El calcio y el magnesio en muchas ocasiones realizan las mismas funciones en el cuerpo humano, y en muchos casos son antagónicos. No se conocen casos de envenenamiento por magnesio. Con grandes dosis de magnesio se producen vómitos y diarrea. Las altas dosis de magnesio en medicinas y suplementos alimenticios pueden causar distensiones musculares, problemas nerviosos, depresiones y cambios de personalidad. Como se mencionó anteriormente, no es frecuente introducir límites legales de magnesio en agua potable, ya que no hay una evidencia científica de la toxicidad del magnesio. En otros compuestos, por ejemplo asbestos, el magnesio resulta ser muy dañino.

¿Cuáles son las tecnologías de tratamiento del agua que se pueden aplicar para eliminar magnesio del agua?

Los derivados del magnesio son generalmente eliminados del agua debido a la importante contribución del Mg a la dureza. Esto se consigue mediante técnicas de ablandamiento del agua. El hidróxido de magnesio se aplica como un floculante en él tratamiento del agua.

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PR ESENCIA DEL CALCIO EN AGUAS

Normalmente el calcio forma sales generalmente solubles, con aniones como hidrogenocarbonato, sulfato, cloruro y fluoruro. En general, suele ser el catión mayoritario en las aguas. Respecto a esto, el contenido medio de calcio en los ríos Españoles oscila entre unos 11 mg/L en la Cuenca Norte y los más de 160 mg/L del Guadiana y la Cuenca Sur de España registrándose puntas de unos 600 mg/L en el Tajo y Guadiana.

El calcio pasa al agua por disolución cuando proviene de sulfatos (especialmente yesos, muy solubles) y silicatos, o por la acción del CO2 disuelto en el agua cuando se trata de Ca presente en calizas, margas y dolomitas. El aporte del metal al agua es muy notable en terrenos yesíferos, por ejemplo, la depresión del Ebro, pudiendo también acceder a las aguas dulces mediante fenómenos de intrusión salina que también incrementaría la concentración de Mg en las aguas afectadas.

Existe un equilibrio muy típico en aguas denominado "equilibrio carbónico" que establece una relación entre el hidrogenocarbonato de calcio soluble de un agua y el carbonato de calcio, éste en realidad es prácticamente insoluble, si bien se solubiliza por medio del CO2 presente en aquella. El equilibrio químico es:

Ca(HCO3)2 <=====>CO2 + CaCO3

Este proceso reversible es de particular importancia en aguas potables e industriales, estando relacionado con el "pH del equilibrio" de un agua: en síntesis, se trata de que cada agua en función de su contenido en CO3

2-/HCO3- / CO2 tiene un valor típico de pH en el que

es inerte desde el punto de vista de su poder de disolución de carbonato o deposición de éste. A este pH dado no producirá fenómenos de atascamiento o ataque corrosivo a tuberías. La formación de estalagtitas y estalagmitas en cuevas calcárias sigue esta dinámica el agua: el agua subterránia rica en hidrogenocarbonato de calcio soluble, al perder el gas por efecto de la diferente presión parcial al ponerse el agua en contacto con el aire libre, propicia la precipitación del hidrogenocarbonato insoluble, y la consiguiente formación de estalagtitas y estalagmitas.

El calcio junto al magnesio forma la "dureza" del agua. Las concentraciones de calcio en aguas varían mucho, pero en general suelen ir asociadas al nivel de mineralización; por esta misma razón, las aguas subterránias habitualmente presentan contenido mayores a la superficiales correspondientes.

Las aguas residuales de diversas industrias generan un incremento del metal en el medio, debido a actividades tales como los prefabricados de la construcción (terrazo, fibrocemento, corte de piedras y canterías), industrias alimentarias (azúcar, ácido tartárico) y papeleras (cuando interviene el sulfato cálcico como carga).

La presencia de Ca en agua potable la dota de "sabor" que dependerá del anión mayoritario presente. Al mismo tiempo intervendrá en fenómenos de incrustación/agresión en tuberías y depósitos de almacenamiento de agua potable y en aguas destinadas a calderas industriales de particular importancia.  

iones responsables del agua dura

Agua de mesa.

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El agua dura contiene iones generados a partir de los minerales presentes en la misma. La fuente de estos minerales puede ser natural o sintética. La dureza del agua es la principal causa de la formación de compuestos específicos por parte de estos iones luego de reaccionar con otros presentes en el agua. El compuesto formado usualmente se conoce como sarro.

Iones de calcio

Los iones de calcio son los iones más comunes que se liberan al agua por parte de las fuentes naturales como rocas de calcio, minerales de calcita y piedra caliza o de fuentes sintéticas como el calcio que usan las industrias. Los iones de calcio se encuentran en el agua como iones cargados positivamente (+2) que se combinan con los iones de sulfato y cloruro, para formar sulfato de calcio y cloruro de calcio, respectivamente. Estos dos compuestos son responsables de la dureza permanente en agua.

Iones de magnesio

El magnesio es la segunda mayor fuente de dureza en el agua después del calcio. Los iones de magnesio son también los iones cargados positivamente (+2) y son conocidos por formar compuestos con iones de sulfato y cloruro, del mismo modo que los iones de calcio. El sulfato de magnesio y cloruro de magnesio son parte del sarro y la dureza permanente presente en el agua.

Iones de sodio

Los iones de sodio también son responsables de provocar la dureza en el agua. Los iones de sodio reaccionan con los iones carbonato y bicarbonato de sodio que pueden aumentar la dureza temporal. Los iones de sodio también actúan como un sustituto de los iones de calcio y magnesio en cuanto al endurecimiento del agua.

Iones de carbonato

Los iones carbonato están cargados negativamente, son iones negativos (-3) que se combinan con iones como el calcio y el sodio para formar carbonato de calcio, magnesio y bicarbonato de sodio, respectivamente. La dureza de los carbonatos es de naturaleza temporal y puede ser eliminada ablandando el agua.