Desinfección de camas de carbón activado granular con dióxido de cloro

Desinfección del carbón activado con dióxido de cloro, el mejor sanitizante de carbon activado

Índice del contenido

¿Por qué el dióxido de cloro es el único oxidante eficaz en la desinfección de camas de carbón activado granular (CAG) utilizadas en trenes de potabilización?

¿Cuál es la función del carbón activado granular (CAG) en un tren de potabilización?

El carbón activado granular tiene dos funciones en un tren de potabilización: adsorber (atrapar en sus paredes) los compuestos orgánicos presentes en el agua y eliminar el oxidante residual que se utiliza con el fin de desinfectarla.

Adsorción de compuestos orgánicos en carbón activado

En toda agua que se obtiene de la naturaleza (lago, río, pozo, lluvia, deshielo) están presentes compuestos orgánicos en menor o mayor concentración. El aumento en la producción y el uso de materiales sintéticos, ha provocado que parte de esos sean relativamente nuevos en la tierra. Entre ellos, se encuentran solventes, combustibles, plaguicidas, fármacos, detergentes, grasas, aceites, proteínas…

Algunos de estos compuestos son dañinos para el ser humano y para el resto de las especies, incluso en concentraciones pequeñas. Lo son, porque no nos hemos adaptado a ellos. De entre estos, los parámetros de potabilidad han ido incluyendo a aquellos que muestran evidencias de peligrosidad.

El CAG es un adsorbente con una alta capacidad inespecífica para adsorber a la mayoría de los compuestos orgánicos. Esta inespecificidad significa que retiene todo tipo de compuestos (mientras quepan en los poros del carbón) .

Eliminación del oxidante residual que se utilizó con el fin de desinfectar el agua

Por norma, todo tren de potabilización debe incluir al menos una etapa de desinfección. En la mayoría de los casos, el tren inicia por la adición de un agente biocida al agua. Este agente suele  ser un oxidante. El más utilizado es el cloro libre.

El cloro libre, al igual que cualquier otro biocida, requiere de cierto tiempo para actuar. Después de desinfectar, queda un residual que es necesario eliminar para evitar que dañe a quienes beberán el agua.

El CAG, además de ser un adsorbente, es un reductor. Por lo tanto, reacciona con los compuestos oxidantes. En el caso del cloro libre (que es ácido hipocloroso o ion hipoclorito), lo reduce a ion cloruro. Por su parte, el carbón que interviene en la reacción forma un óxido superficial que termina disolviéndose en el agua en forma de ácido carbónico.

C(s)  +  HOCl(l)  ->  CO(s)  +  H+  +  Cl

CO(s)  +  H2O(l)  ->  H2CO3(l)

H2CO3(l)  ->  H2O(l)  +  CO2(g)

¿Por qué debe desinfectarse la cama de CAG en un tren de potabilización?

El agua que llega al tanque que contiene la cama de CAG tiene una concentración residual de cloro libre. Por lo tanto,  no contiene microorganismos activos.

Como es de esperarse, después de que esta agua ha pasado por la cama de CAG, está libre tanto de materia orgánica como de cloro libre. Sin embargo, después de algunos días o semanas, esta agua presenta un conteo bacteriano. A partir de dicho momento, si no se desinfecta la cama de CAG, el efluente, además de portar bacterias, adquirirá un olor a drenaje.

Si el agua alimentada al tanque de CAG no contiene microorganismos activos, ¿por qué después de cierto tiempo empiezan a aparecer estos en el agua tratada?

Cuando se detiene la operación del tren de potabilización, es común que se genere un vacío por la línea que alimenta el agua al tanque de CAG, y que este vacío provoque un contraflujo. El contraflujo es flujo de agua en el sentido contrario al de operación. Esto ocurre cuando el agua que alimenta al tanque de CAG proviene de un nivel inferior, y cuando también ocurren las siguientes dos circunstancias:

  • Para la bomba que hace fluir al agua hacia el tanque de CAG.
  • No cierra correctamente la válvula check instalada en la línea de alimentación de agua al tanque de CAG.

Lo anterior ocasiona un vacío que a su vez produce el contraflujo en el tren de potabilización. De hecho, cuando existe dicha posibilidad, es importante instalar válvulas rompedoras de vacío en los trenes de potabilización, para evitar que los tanques colapsen en el caso de que se provoque un vacío (no hay que olvidar que los recipientes diseñados para resistir presión, presentan casi nula resistencia al vacío).

En el caso de que ocurra el contraflujo, el tanque de CAG recibe agua que no contiene una concentración residual del agente oxidante. Si existe alguna gotera en la tubería del efluente del tanque de CAG o si el agua recibe contaminación microbiana en algún punto de descarga, los microorganismos llegan a la cama de CAG. El carbón les ofrece una superficie rugosa, que es muy adecuada para que se anclen. Además, encuentran la materia orgánica que el CAG ha adsorbido. En ese momento, inicia su reproducción.

Al volver a poner en operación el tren de potabilización, de nuevo llega agua desinfectada a la cama de CAG desde la parte superior. El cloro residual desaparece en los primeros centímetros de cama. Esto es así porque la reacción de neutralización entre el cloro libre y el CAG es muy rápida. Por lo tanto, en la parte media y baja de la cama, el agua ya no tiene cloro libre, y las bacterias se siguen reproduciendo.

¿Puede desinfectarse la cama de CAG mediante retrolavados con agua clorada?

Los retrolavados con agua clorada inactivarán a las bacterias que se encuentren en la parte externa de las partículas de CAG de la parte baja de la cama. Esto disminuirá el contenido de bacterias en el efluente tratado. Sin embargo, el cloro libre no llegará a las bacterias alojadas en el interior de las grietas del carbón porque queda neutralizado en la parte exterior. Tampoco llegará a la parte media de la cama. De todo esto, la desinfección de la cama de CAG mediante retrolavados con agua clorada es poco eficaz. Quizás logra una desinfección temporal, pero en poco tiempo vuelve a aparecer un conteo inaceptable de bacterias en el efluente. La supercloración del agua de retrolavado (cloración en concentraciones mayores) tampoco es eficaz.

Oxidantes distintos al cloro libre, como el ozono, las cloraminas, el peróxido de hidrógeno o el permanganato de potasio, tampoco son eficaces. El único oxidante eficaz es el dióxido de cloro.

¿Por qué el dióxido de cloro puede desinfectar camas de CAG, considerando que otros oxidantes no lo hacen eficazmente?

El dióxido de cloro es capaz de desinfectar camas de CAG porque su potencial de oxidación es insuficiente para que reaccione con el carbón activado, que es un reductor. En otras palabras, el dióxido de cloro no rompe las uniones C-C. Al no reaccionar con el CAG, llega a las partes más profundas de sus grietas. En ellas encuentra a las bacterias, que suelen tener protones en sus membranas. Esto significa que presentan acidez. Y es en dichos puntos ácidos en los que el dióxido de cloro lleva a cabo su función oxidativa. Al hacerlo, inactiva a las bacterias y desinfecta la cama eficazmente.

Compuesto
Potencial de oxidación (voltios)
Radicales hidroxilo (OH)
2.80
Cloro molecular
1.36
Ácido hipocloroso o ion hipoclorito (el denominado “cloro libre”)
1.49
Ozono
2.07
Peróxido de hidrógeno
1.78
Ion clorito
1.57
Dióxido de cloro
0.95

Lo descrito en este apartado permite concluir que el dióxido de cloro es un oxidante más específico que otros. No oxida todo lo que encuentra a su paso; solo oxida moléculas que requieren ceder electrones para alcanzar mayor estabilidad, como es el caso de muchos grupos ácidos.

También vale la pena mencionar que, aunque el potencial de oxidación del dióxido de cloro es menor que el del resto de los oxidantes que se utilizan para desinfectar, cuando oxida, tiene una capacidad mayor que el resto. La razón es que en el dióxido de cloro, el átomo de cloro, Cl, tiene valencia +4. Al oxidar, pasa a valencia -1 y queda disuelto en el agua como ion cloruro, Cl. Esto significa que roba 5 electrones (que es lo que hace un oxidante). Por lo tanto, aunque el dióxido de cloro tiene un potencial de oxidación menor que la del resto de los oxidantes, su capacidad de oxidación es mayor.

¿Existen compuestos distintos a los oxidantes inorgánicos, capaces de desinfectar camas de CAG?

Existen compuestos orgánicos capaces de desinfectar camas de CAG. El problema es que al ser orgánicos, el carbón los adsorbe y pierde vida útil. Por otro lado, suelen no ser aptos para aplicarse en procesos de potabilización o de producción de alimentos.

¿Es posible desinfectar camas de CAG con métodos que no estén basados en compuestos oxidantes?

Sí. Se puede desinfectar una cama de CAG con vapor de agua o por cambio de pH.

La desinfección con vapor de agua es muy eficaz cuando se aplica adecuadamente. Debe lograrse que toda la cama alcance una temperatura superior a 70°C y que permanezca por encima de dicha temperatura durante una hora. Desafortunadamente, este método solo puede aplicarse si el tanque, las toberas del interior y las tuberías son de acero. Los materiales plásticos no resisten.

La desinfección por cambio de pH puede realizarse llevando el pH del agua que inunda la cama de CAG a valores extremos: muy bajos (cercanos a 2) o muy altos (cercanos a 13). Para llevar el pH del agua a niveles bajos, hay que agregar un ácido fuerte, que puede ser sulfúrico o clorhídrico. Esto solo es posible si todos los materiales que entrarán en contacto con el ácido tienen la resistencia química para evitar la oxidación y la corrosión.

La desinfección por aumento de pH se logra agregando un álcali fuerte, como son la sosa o la potasa. Estos compuestos no dañan al acero al carbón. El inconveniente es que después de que han cumplido con su función desinfectante, se requiere de una gran cantidad de agua para enjuagar la cama de CAG y dejarla libre de ellos.

Por otro lado, tanto si se utiliza un ácido como un álcali, hay que neutralizar el agua resultante, lo que genera un agua residual de alta salinidad.

Bibliografía

  • Gran parte del contenido de este artículo proviene del conocimiento y la experiencia que ha desarrollado el personal de Carbotecnia, S.A. de C.V. a través de más de 30 años.
  • Carbotecnia, Centro de aprendizaje, El dióxido de cloro como desinfectante del agua, 2021
  • Lenntech, Chlorine Dioxide (https://www.lenntech.com/library/clo2/chlorine-dioxide.htm)
  • Lenntech, Desinfectantes dióxido de cloro ( https://www.lenntech.es/procesos/desinfeccion/quimica/desinfectantes-dioxido-de-cloro.htm#:~:text=El%20di%C3%B3xido%20de%20cloro%20oxida,reducido%20a%20iones%20de%20cloruro.&text=Se%20puede%20encontrar%20tambi%C3%A9n%20en,el%20clorito%20son%20agentes%20oxidantes)

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