Tratamiento Físico Químico de Aguas Industriales - Manuela Cruz

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INCRUSTACION MINERAL
Bajo ciertas condiciones, los minerales pueden 
dejar de estar en disolución y formar unos cristales 
duros y densos a los que denominamos 
INCRUSTACION.
INCRUSTACION MINERAL
➢La más común es el carbonato de calcio:
Sustancia blanca adherente
➢Puede ser un mineral simple, dos o mas
minerales en combinación, o en combinación
con otros contaminantes tales como limo o
microrganismos
➢Silicato de calcio o magnesio, fosfato de
calcio, sulfato de calcio , oxido de hierro
Tubo de un Intercambiador de Calor Incrustado
INCRUSTACION MINERAL
• Concentración del Mineral
• Temperatura del Agua
• pH del Agua
• Sólidos en Suspensión
• Velocidad de Circulación del Agua (<2 pie/s)
LA FORMACION DE INCRUSTACION SE 
VE AFECTADA POR LOS SIGUIENTES 
FACTORES:
TENDENCIA A LA INCRUSTACION CON LA 
TEMPERATURA
Tendencia a la Incrustación
Te
m
pe
ra
tu
ra
• Disminución del rendimiento de la planta
• Disminución de la productividad de la planta
• Retrasos en el cumplimiento del programa de fabricación
• Aumento de los tiempos de parada para mantenimiento
• Aumento de los Costos asociados a la reparación 
de equipos
EFECTOS DE LA INCRUSTACION
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INCRUSTACION DE FOSFATO CALCICO
• Limitar la concentración de las especies que forman la 
incrustación:
– Pretratando el agua de reposición (suavización)
– Purgas en el sistema (ciclos mas bajos, pérdida de
agua)
• Añadir ácido para reducir el pH y la alcalinidad.
– Reduce la tendencia incrustante pero incrementa el 
potencial de corrosión
FORMAS DE PREVENIR LA INCRUSTACION
• Efectuar modificaciones mecánicas al diseño del 
sistema.
– Incrementar la velocidad del agua
– Inyectar aire o retrolavados para remover depósitos
– Modificar el diseño del intercambiador de calor
– Reducir el flujo de calor
• Aplicar inhibidores químicos de incrustación.
– Inyección localizad de productos
FORMAS DE PREVENIR LA INCRUSTACION
Tratamiento Químico Agua de 
Enfriamiento
Control de Incrustaciones
Incrustaciones
Crecimiento cristalino de una capa
adherente formando una barrera
de sales insolubles sobre el metal
Inc= T, [Es
++], pH, calidad H2O (alcalinidad) y 
Condiciones Hidrodinámicas(f
CO3Ca y SO4Ca solub. con T
CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
Ca++
Mg++
Tratamiento Químico Agua de 
Enfriamiento
Control de Incrustaciones
Incrustación
CO3Ca
Ca++
Alcalinidad
[HCO3-], [CO3=], [OH-]
T, pH Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O
Tratamiento Químico Agua de 
Enfriamiento
Control de Incrustaciones
CO2 + H2O H2CO3 H+ + HCO3-
Fuente de Alcalinidad
acidez M alcalinidad "M" alc."P" alcalinidad OH-
0 4,2 8,2 9,6 14
1
1
2
CO2/HCO3- CO3=/HCO3- OH-
2 HCO3- CO3= + H+
Tratamiento Químico Agua de 
Enfriamiento
Predicción de Formación CO3Ca
Equilibrio Termodinámico de HCO3- (alcalinidad ,T y SD)
Indice de Estabilidad Ryznar (RSI)
(Ryznar Stability Index)
Indice de Saturación Langelier (LSI)
(Langelier Saturation Index)
RSI = 2pHs - pH LSI= pH-pHs
pHs=(pk'2-pk'sp) + pCa + pAlk
Cálculo del Índice de Saturación
pHs= (pK'2 - pK'sp) + pCa++ + pAlc.
Donde:
pHs: pH del Agua en equilibrio con CaCO3 sólido
K'2: Constante de disociación o ionización:
K‘sp: Producto de solubilidad del CaCO3
pCa = -log [Ca++]
[Ca++]: moles/L de agua
pAlc: -log [Alcalinidad total] 
Alcalinidad total: Equivalentes/L de base valorada hasta el 
punto final de viraje (ppm CaCO3)
[H+][CO3=][HCO3-]
Tratamiento Químico Agua de 
Enfriamiento
Interpretación IS
Indican solamente tendencia a formarse 
incrustaciones de CaCO3.
No reflejan velocidad de deposición.
No toman en cuenta la tendencia de sobre 
saturación con CaCO3
El cálculo no refleja si existen inhibidores de 
incrustación.
Se aplica para aguas de reposición no de 
recirculación
Tratamiento Químico Agua de 
Enfriamiento
Predicción de las Características del 
agua por LSI y RSI
INDICE
LSI
2,0
0,5
0,0
0,5
2,0
RSI
<4
5 @ 6
6 @ 6,5
6,5 @ 7
>8
TENDENCIA DEL AGUA
Altamente Incrustante
No Corrosiva
Ligeramente Incrustante
Poco Agresiva
Equilibrio
No Incrustante
Medianamente Agresiva
No Incrustante
Altamente Agresiva
Cálculo del Índice de Saturación
Indice Sat.
(+)
0
(-)
Características del Agua
Sobresaturada con CaCO3 forma película protectora
En equilibrio
Hiposaturada con CaCO3 (Corrosiva)
Vapor Especificado Normal: Is = 0,5
Cálculo del Índice de Saturación
Determinación de pHs y el índice de Langelier a partir de 
dureza, alcalinidad y temperatura
Índice de Saturación
Limitaciones:
Silice Coloidal
Materia Orgánica
Sales Disueltas
o Temperaturas
Tratamiento con
Polisfosfatos Is no aplica
CaCO3 partículas coloidales hay Corrosión @ Is(+)
Corrosión 
por 
picadura
Película de CaCO3 pierde efectividad en zonas locales
Tubo de un sistema de agua de servicio
Tubérculos alargados debido al flujo en una tubería de 
suministro de agua para una fábrica
Tubería de suministro de emergencia que muestra 
tuberculación moderada
Depósitos gruesos de carbonato de calcio sobre un tubo 
de condensador
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Control de Incrustaciones
Sistemas Abiertos de Recirculación
CO3Ca
SO4Ca.2H2O
Ca3(PO4)2
CaSiO3
MgSiO3
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Control de Incrustaciones
Sistemas Abiertos de Recirculación
Incrustaciones 
CO3Ca
H2SO4
HCl Sales solubles (SO4Ca)
Ca(HCO3)2 + H2SO4→ CaSO4+2CO2+2H2O
Antes era lo que se hacia. Hoy en día no se hace
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Control de Incrustaciones
Sistemas Abiertos de Recirculación
Incrustaciones 
CO3Ca
H2SO4
HCl
Fosfatos Inorgánicos
Poliméricos (Sales de Piro, 
Tripoli y hexametafosfato)
(1mg/L)
Sales solubles (SO4Ca)
Mecanismo:
Inhiben la 
cristalización por 
evitar la nucleación y 
crecimiento del 
cristal/Adsorción
Problema: Revierten 
a iones Ortofosfato. 
No actúa
El o-PO4 es un inhibidor de corrosión a 
bajas concentraciones
La alta T, alto pH y Cl- contribuyen a 
convertir a o-PO4
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Control de Incrustaciones
Sistemas Abiertos de Recirculación
Incrustaciones 
CO3Ca
H2SO4
HCl
Fosfatos Inorgánicos
Poliméricos (Sales de Piro, 
Tripoli y hexametafosfato)
(1mg/L)
Fosfonatos
AMP, HEDP
Conc.:0,25-0,5 mg/L
Trat. Umbral
Sales solubles (SO4Ca)
Mecanismo:
Inhiben la 
cristalización por 
evitar la nucleación y 
crecimiento del 
cristal/Adsorción
Problema: Revierten 
a iones Ortofosfato. 
No actúa
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Estructura Química General 
Polifosfato de Sodio
ONa
NaO O
O
P
O
P
ONa
ONa
X
X= 0
X=1
X=2
X=12-14
Ortofosfato
Pirofosfato
Tripolifosfato
Polifosfato Amorfos
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Estructura Química General 
Nitrilo-tris AMP(Ácido Metilenfosfónico )
HO
OH
O
P
H
H
C
H
H
C
OH
O
P OH
N
C HH
OH
P OHO
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Estructura Química General 
HEDP (ácido 1-hidroxietilideno-1, 1-ácido 
difosfónico)
HO
OH
O
P
OH
HCH
C
OH
O
P OH
H
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Característica de los Fosfonatos:
•Son los mas utilizados
•Tienen estructura orgánica
•Los compuestos AMP y HEDP tienen mayor estabilidad 
hidrolítica que los Polifosfatos.
•El AMP se revierte a ortofosfato en presencia de Cloro. 
El HEDP es menos afectado por el Cloro que el AMP.
•La adición de Zn estabiliza significativamente la 
molécula de AMP.
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Sistemas Abiertos de Recirculación
Incrustaciones 
CO3Ca
Polímeros Orgánicos
(2-4 mg/L)
PM: 1000-
10000 amu
Compuestos Bifuncionales
Acidos Fosfinocarboxílicos
(Fosforados orgánicos + 
ácidos carboxílicos)
Policarboxilatos:
(poliacrilatos, polimetracrilatos, 
polimaleatos y sus copolimeros.)
• Muy usados
Mecánismo:
Se adsorben en la superficie 
y limitan el crecimiento 
distorsionando el cristal de 
CO3Ca y manteniéndolo en 
suspensión
Desmasiados Costosos
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Sistemas Abiertos de Recirculación
SO4Ca.2H2O
(Yeso)
Poliacrilatos y sus copolímeros 
Fosfinocarboxilatos
PM: 1000 - 10000amu
Conc.: 1-2 mg/L
50 veces mas soluble CO3Ca
Límite superior:
[Ca++]x [SO4=] =
500.000 mg/L
Incrementa la 
solubilidad del SO4Ca 
a un factor de 20. 
(5x105 @ 1x107)
Son estables en un amplio rango de pH y T.
Mecanismo: (Distorción cristal y dispersión)
Fosfonato AMP
Conc.: 0,5 mg/L
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Sistemas Abiertos de Recirculación
Ca3(PO4)2
Extremadamente difícil de 
inhibir
Baja solubilidad
pueden generar
Depósitos con sólo
5 mg/L (Orto.),
300 mg/L Ca++ y
pH: 7,0-7,5Origen:
Tratamientos con Fosfatos
Agua de reposición con altos niveles de 
Ortofosfato
Solubilidad:
Decrece con aumento de pH
Independiente de la Temperatura (25-75oC)
Depósitos:
Amorfos y eventualmente se transforma a
Hidroxiapatita (Ca5(PO4)3OH)
Copolímeros:
•Ácido hidroxipropilacrilato acrílico
•Ácido maleico estiren sulfónico
•Ácido organo sulfónico acrílico/ fosfino
Mecanismo:
Modificación de la morfología y tamaño 
de los depósitos dispersándolos para 
evitar su adherencia a superficies 
calientes.
Concentración:
10-15 mg/L para: 500 mg/L CaCO3
10 mg/L PO4=. pH: 8-8,5
Beneficio:
Control de Incrustación y Corrosión
Tratamiento del Agua de Enfriamiento
Sistemas Abiertos de Recirculación
CaSiO3
MgSiO3
Origen:
Tratamientos alcalinos
pH> 8,5
Solubilidad:
Disminuyen con aumento de pH
Características:
Incrustación muy dura, 
densa y DIFÍCIL DE 
REMOVER
Predicción
[Mg++, mg/L(CO3Ca)]x [SiO2, mg/L(SiO2)]
<35.000
Tratamiento
Mantener SiO2< 150 mg/L
No tratamiento químico
TIPOS DE INHIBIDORES DE 
INCRUSTACIONES
• Fosfatos inorgánicos, fosfatos orgánicos o fosfonatos (AMP, HEDP),
polímeros orgánicos (derivados del ácido acrílico) y fosfino carbínico o
fosfino carbóxilico.
• Existen tres formas de actuar de los inhibidores: Modificación del
Cristal, efecto umbral (solubilidad) y dispersantes
• La mayoría de los inhibidores trabajan de las 3 formas en mayor o
menor grado
MODIFICACION DEL CRISTAL
• Mantienen grandes cantidades de sales incrustantes en solución
adsorbiéndose sobre los puntos de crecimiento del cristal incrustante
alterando su modelo de crecimiento formando cristales muy lentamente
y totalmente distorsionados.
• Los fosfonatos son un ejemplo con una relación de 1 molécula por 5000-
10000 moléculas de sal incrustante
• Actúan adsorbiéndose sobre la superficie del cristal los cuales crecen
con el polímero internamente, causando fuertes esfuerzos internos, lo
cual causa la ruptura del cristal en pequeños cristales, y el polímero se
libera para adsorberse sobre otros cristales
FORMACION 
DEL CRISTAL
INTERFERENCIA 
POR PRODUCTOS 
QUIMICOS
Organofosfatos y Dispersantes orgánicos distorsionan la
estructura cristalina
EFECTO UMBRAL
• Mientras los granos no alcancen un tamaño crítico, existe una
competencia entre las velocidades de formación y disolución.
• Los polímeros favorecen la disolución de las sales por adsorción.
• Después de la disolución, el polímero queda disponible para adsorberse
sobre otro cristal, con lo cual se retarda el crecimiento de cristales.
DISPERSANTE
• Son polímeros sintéticos derivados del ácido acrílico: poliacrilatos,
poliacrilamidas, copolimeros, terpolimeros y dispersantes orgánicos
naturales como taninos, lignosulfonatos, almidones, etc.
• El polímero se adsorbe sobre las partículas evitando la aglomeración por
repulsión electrostática para polímeros iónicos (COOH-, SO3-) y por
efectos estéricos (polímeros no iónicos)
•Polifosfatos y Dispersantes aniónicos forman complejos
con los minerales
•Compuestos como poliacrilatos son grandes moléculas
que imparten una carga a la molécula haciendo que se
repelan
AGENTES SECUESTRANTES Y DISPERSANTES
Material Especificación
Acero al carbono: <0,7 g/m2 x día
Aleación de cobre: <0,5 g/m2 x día
Acero inoxidable: <0,3 g/m2 x día
Especificaciones para el control de depósitos e 
incrustaciones