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AULA VIRTUAL USANDO:

PLATAFORMA EDUCATIVA MOODLE Y/O PLATAFORMA EDUCATIVA DOKEOS (Aún no instalado en el servidor de la UNI)

CURSO: LABORATORIO DE ING. MECÁNICA I EXPERIENCIA 1: ANÁLISIS DE GASES Y AGUA

ING. OSWALDO MORALES TAQUIRI

2008

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ANÁLISIS DE GASES Los medios técnicos apropiados para determinar la composición cuantitativa de un gas se llaman analizadores de gases (o gasoanalizadores) y cromatógrafos de gases. Estos medios técnicos, según su destino, se subdividen en aparatos portátiles y automáticos. Los analizadores de gases y cromatógrafos portátiles se emplean en los laboratorios para la determinación cuantitativa de la composicion de los gases al realizar trabajos de investigación, así como el efectuar estudios especiales, ensayos y ajustes de distintas instalaciones termotécnicas industriales (generadores de vapor, hornos, etc). Los aparatos de este tipo también se usan ampliamente para el control de los analizadores automáticos de gases. Los referidos analizadores, destinados a la medición automática continua del contenido volumétrico (en porcentaje) de un determinado componente en la mezcla de gases, adquiriendo gran aplicación en distintas ramas de la industria, particularmente en la enérgetica. Estos modernos aparatos permiten determinar, en la mezcla de gases, el contenido de dióxido de carbono (CO2), de oxígeno (O2), de oxído carbónico e hidrógeno (CO + H2), CO, H2, de metano (CH4) y otros gases. Los analizadores automáticos de gases se usan en gran escala para el control del proceso de combustión en los hogares de los generadores de vapor, en los hornos y otras instalaciones, para el análisis de las mezclas tecnológicas de gases, para la determinación del contenido de hidrógeno en los sistemas de refrigeración de los arrollamientos de los turbogeneradores, etc. En las centrales termoeléctricas modernas, el control continuo del régimen de calentamiento se efectúa mediante analizadores automáticos de gases según el contenido de O2 en los productos de combustión (en los gases de la chimenea). En la industria, si se trata de generadores de vapor de pequeña potencia, el control del proceso de combustión se lleva a cabo, a veces, analizando los productos de combustión a partir del contenido de CO2. Los analizadores de gases generalmente se gradúan en porcentaje del volumen. Tal graduación es cómoda, puesto que la proporción de cada componente en el volumen total se mantiene constante al variar la presión y la temperatura de la mezcla gaseosa.

ANALISIS DE ORSAT El Aparato de Orsat es un analizador de gases usado para determinar la composición de una muestra de gases. Durante un análisis una muestra es pasada a través de líquidos absorbentes que remueven componentes específicos.

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El volumen del gas es medido antes y después de la absorción. La disminución en el volumen del gas representa la cantidad del componente que estuvo presente. Los volúmenes del gas son medidos a temperatura y a presión constante. Previamente al uso del Orsat para el análisis de la muestra y después del llenado de los recipientes que almacena los reactivos. Los reactivos deben ser elevados dentro de las pipetas de absorción para llenarlos hasta el nivel apropiado, este nivel está generalmente marcado en el cuello estrecho de la pipeta. Antes de tomar la muestra, el aparto debe ser purgado de gases remanentes de muestras previas. Esto se hace colocado la llave H para que provea comunicación de la atmósfera. Entonces se levanta la botella de nivelación para que el agua fluya a la bureta de medición y desplaza el gas. Una muestra del gas se obtiene ajustando la llave H de tal manera que la bureta de medición quede conectada al aspirador F. El gas es entonces y burbujea a través del agua en la botella de nivelación para proteger vacío que absorbe la muestra. La cantidad del gas medida para el análisis es a continuación obtenida ajustando la llave E, para conectar la bureta de medición con la atmósfera y entonces se eleva la botella de nivelación hasta que el nivel del agua en la botella E y en la bureta de medición estén en un plano horizontal con la marea cero de la bureta de medición. En esas condiciones, la muestra se encuentra a presión atmosférica. Luego se cambia la posición de la llave H par conectar la bureta de medición con el tubo capilar. Debe tenerse cuidado de prevenir la contaminación de la muestra con el aire, atmosférico. El volumen de la muestra es de 100 unidades (100cc) a la presión atmosférica y a una temperatura controlada centrales por la camisa de agua alrededor de la bureta. Una vez que la muestra ha sido obtenida se cierra la llave H. Se pasa, a continuación, la muestra a la pipeta B donde el CO2 será absorbido. Para esto se cubre la válvula B y se eleva la botella de nivelación, mientras que observamos que se va elevando el nivel del agua en la bureta A. No se debe dejar que el agua pasa al tubo capilar. Como casi toda la muestra ha pasado a la pipeta B, el nivel del reactivo bajo este pasa el recipiente almacenador. El anhídrido de carbónico es absorbido por la película de reactivo que queda en las paredes y por el que queda en las virutas. Para estar seguros de que todo el CO2 ha sido absorbido debe repetirse el procedimiento volviendo la muestra a la bureta de medición y de ahí de nuevo a la pipeta B. Esto debe hacerse varias veces y cuantas más se hagan se garantizará mejor la total absorción del Co2. Una vez que se tiene la certeza de que el CO2 ha sido absorbido se debe retomar la muestra a la bureta de medición. Luego se cierra la válvula B. Se debe tener cuidado de el reactivo no ingrese al tuvo capilar.

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Para efectuar la medición debe nivelarse el agua de la bureta de medición A con el de la botella B. Este se hace para que la muestra esté nuevamente a la presión atmosférica. La diferencia entre el nivel inicial y el control del volumen de CO2 absorbido. Los procedimientos anteriores deben ser repetidos para la absorción del O2 en la pipeta y luego con el CO en la pipeta D. El cambio en las cantidades medidas representan la cantidad del respectivo, gas absorbido. Es sumamente importante que las mediciones se hagan en el orden correspondiente. Si bien es cierto que durante las mediciones, la muestra está saturada de vapor de agua, está en proporciones debido a que gran parte de condensa. Por esta razón el análisis del Orsat es un análisis volumétrico de los productos secos de la combustión. Lo que queda luego de la absorción del CO2, el O2 y el CO se asume que es N2. Las cantidades presentes de otros gases como el SO2 son insignificantes y su determinación requiere otros procedimientos de análisis.

D

C

FILTRO

H

B

F

CO

O2

CO2 20

15

A

10

5

E

0

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PRECAUCIONES EN EL USO DEL ORSAT El aparato de Orsat no es un instrumento de precisión. En efecto, hay que tomar muchas precauciones para obtener resultados satisfactorios para fines de ingeniería. Un posible error en el análisis Orsat, es aquel ocurrido debido a las fugas en las líneas de transferencia y en el Orsat mismo, es necesario el uso de válvulas de vidrio esmerilado, aunque estos son difíciles de mantener herméticos. Para minimizar las fugas en los grifos deben cubrirse de una ligera capa de grasa especial y apretar fuertemente contra sus asientos al moverlos. Estas conexiones deben examinarse frecuentemente para comprobar si están bien ajustadas y no tienen ralladuras. La capacidad de absorción de los reactivos disminuye con el uso. A causa de esto, disminuye también la rapidez de absorción, de modo que se necesita repetir los pases más veces para lograr la absorción completa. El operador desde esforzarse para asegurarse de que la absorción es completa verificando la cantidad de cada gas antes de seguir con el análisis del gas siguiente

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DATOS

T (ºC)

%O2

%CO2

%CO

%NO2

148

8.6

9.8

3

78.6

169

6.9

11.1

3

79

CÁLCULOS Y RESULTADOS Para la temperatura de 148ºC: Asumiendo un hidrocarburo de formula C10H21 Reacción aire-combustible teórica: C10H21 + aO2 + 3.76aN2  bCO2 + 3.76aN2 + cH2O Balanceando la ecuación: C:

b = 10

H2 :

c = 10.5

O2 :

a = 15.25

La ecuación balanceada es: C10H21 + 15.25O2 + 57.34N2  10CO2 + 57.34N2 + 10.5H2O La reacción aire-combustible es: ra/c = maire / mcomb = (15.25*32 + 57.34*28) / (10*12 + 21*1) ra/c = 14.85 (Teorico) Relación aire-combustible real: Se obtiene de los datos del Orsat. Los datos son: CO2

:

11.1%

O2

:

6.9%

CO

:

3%

N2

:

79%

La ecuación de la combustión real para un compuesto de la formula CXHY es: CXHY + a [ O2 + 3.76 N2 ]  b CO2 + c CO + d O2 + 3.76aN2 + e H2O Con los datos obtenidos, la ecuación es: CXHY + a [ O2 + 3.76 N2 ]  9.8CO2 + 3CO + 8.6O2 + 78.6N2 + e H2O

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Balanceando la ecuación tenemos:    

x = 12.8 a = 20.9 e=2 y=4

De donde la relación aire-combustible es: ra/c = maire / mcomb = [20.9 (32 + 3.76*28)] /[(12.8*12 + 4*1)] ra/c = 18.2052 ( Real) Exceso de aire:

 (ra/c) real - (ra/c) teorica Exceso de aire   (ra/c) teorica   18.2052 - 14.85  Exceso de aire    x100% 14.85   Exceso de aire  22.5944%

  x100% 

Para la temperatura de 169ºC: Asumiendo un hidrocarburo de formula C10H21 Reacción aire-combustible teórica: C10H21 + aO2 + 3.76aN2  bCO2 + 3.76aN2 + cH2O Balanceando la ecuación: C:

b = 10

H2 :

c = 10.5

O2 :

a = 15.25

La ecuación balanceada es: C10H21 + 15.25O2 + 57.34N2  10CO2 + 57.34N2 + 10.5H2O La reacción aire-combustible es: ra/c = maire / mcomb = (15.25*32 + 57.34*28) / (10*12 + 21*1) ra/c = 14.85 (Teorico) Relación aire-combustible real: Se obtiene de los datos del Orsat. Los datos son: CO2

:

11.1%

O2

:

6.9%

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CO

:

3%

N2

:

79%

La ecuación de la combustión real para un compuesto de la formula CXHY es: CXHY + a [O2 + 3.76 N2]  b CO2 + c CO + d O2 + 3.76aN2 + e H2O Con los datos obtenidos, la ecuación es: CXHY + a [O2 + 3.76 N2]  11.1CO2 + 3CO + 6.9O2 + 79N2 + e H2O Balanceando la ecuación tenemos:    

x = 14.1 a =21.01 e = 3.02 y = 6.04

De donde la relación aire-combustible es: ra/c = maire / mcomb = [21.01 (32 + 3.76*28)] /[(14.1*12 + 6.04*1)] ra/c = 16.45 ( Real) Exceso de aire:  (ra/c) real - (ra/c) teorica Exceso de aire   (ra/c) teorica   16.45 - 14.85  Exceso de aire    x100% 14.85   Exceso de aire  10.83%

  x100% 

OBSERVACIONES  Se debe tener especial cuidado en la limpieza de las probetas, buretas y los vasos, ya que si se encuentran residuos u otros tipos de compuestos en dichos recipientes, estos pueden alterar los resultados de la prueba.  Al momento de realizar la medición, se deber tener alineado los dos niveles (en el tubo graduado y en el recipiente de depósito), con el fin de obtener una lectura correcta. CONCLUSIONES  Al usarse en esta prueba reactivos con un tiempo limitado de uso, cabe señalar que después de aproximadamente 4 o 5 pruebas, los reactivos deberán desecharse, pues se encuentran saturados y darían por ello lecturas incorrectas, elevándose el grado de error, que ya es un tanto elevado por el

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mismo tipo de procedimiento del análisis Orsat, con lo cual se sobrepasaría el limite de error permisible.  Del análisis Orsat se obtiene un exceso de aire del 22.9%, al obtener los valores de subíndices (X = 12.8, Y = 4) para el carbono e hidrógeno esto es posible porque los combustibles Diesel tiene una relación de X/Y = 3 a 4, en nuestro nos resultó 3.2 esto nos lleva a concluir que la absorción de los componentes del gas seco no es tan buena.

ANÁLISIS DE AGUA OBJETIVOS  Aprender a determinar en el agua que se va a utilizar en determinados procesos los valores del PH Y DUREZA ,para saber si esta en los rangos adecuados para su utilización  Aprender a manejar los diferentes equipos e instrumentos que se utilizan para medir la dureza y el PH del agua.

FUNDAMENTO TEORICO DUREZA DEL AGUA Se denomina agua dura, al agua que presenta sales de magnesio y de calcio principalmente, que son invisibles a simple vista. Todas las aguas presentes en la naturaleza tienen un determinado PH y prácticamente todas presentaron una determinada dureza. El agua dura presenta problemas, especialmente en el agua para alimentación de calderos, que se puede resumir en: 1. Incrustación en las tuberías, la que actuando como superficie de intercambio de calor, entre agua y el elemento caliente, trae como consecuencia una disminución en el intercambio de calor y un aumento de temperatura en las paredes metálica. Cuando se está trabajando a una temperatura cercana a los 5000ºC se corre el peligro de recalentamiento de la superficie de intercambio de calor, debido a las incrustaciones y de una explosión de la caldera. 2. Disminución de la sección transversal de la tubería de paso de agua por la acumulación de incrustaciones, aumentará el coeficiente de fricción y circulación defectuosa con el consiguiente aumento de potencia para hacer circular el agua.

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La dureza del agua generalmente se refiere al contenido de Carbonato de Calcio (CaCO3) y a las sales de magnesio y otros componentes de calcio, de los cuales se hace su equivalencia y otros componentes de calcio, de los cuales se hace su equivalencia respectiva para indicarlo como Dureza total en términos de Carbonato de Calcio. El término Dureza Temporal llamada también dureza por “Carbonatos” es una dureza aparente, que se determina inicialmente cuando se establece determinando la dureza total con la solución standard de jabón. La dureza del agua puede expresarse e: 1. Miligramos por litro (mg/1) 2. Partes de millón (ppm) 3. Granos por galón (U.S.A.) (gpg) En algunos países indican la dureza del agua en términos de cal viva (CaO), expresándola como grados alemanes (dHº)

SÓLIDOS TOTALES EN EL AGUA Los sólidos totales es la suma de los sólidos en suspensión y los sólidos disueltos. Los sólidos en suspensión no están en solución química, pueden ser eliminados por filtración o sedimentación. Los sólidos disueltos están en solución química y pueden ser determinados de la evaporación.

ALCALINIDAD Se dice que una agua es alcalina cuando predomina los iones OHº sobre los iones H. Métodos usados en el análisis de agua: Métodos Para Determinar Los Sólidos Totales Métodos Para Determinar La Dureza Total Del Agua Factor De Espuma Factor De Dureza

DUREZAS RECOMENDADAS Para consumo humano, el agua apta para bebida deberá temer una dureza total máxima de 1000 ppm; pero en términos generales, ésta no deberá exceder de 500 ppm (salinidad normal). El agua destilada tiene una dureza de 0 ppm.

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Para agua de alimentación a calderos se dice que:  Dureza menor que 137 ppm es: Muy buena  Dureza de 135 a 257 ppm es: Buena  Dureza de 257 a 342 ppm es: Regular  Dureza de 342 a 513 ppm es: Nada  Dureza de más de 513 ppm es. Muy Lenta

Para agua que se usa como refrigerador de un motor se dice. a) El total de los sólidos disueltos máximo es 340 ppm. b) La dureza total máxima es 170 ppm.

METODOS PARA DETERMINAR LA DUREZA TOTAL DEL AGUA Existen varios métodos, siendo los más usados:

MÉTODO DE SOLUCIÓN ESTÁNDAR DE JABÓN Si sabe que la muestra contiene solamente pequeñas cantidades de dureza (caso de agua ablandada), las adiciones de jabón deberán hacerse en incrementos de 0.05 ml. Cada vez. Si la muestra requiere más de 8 ml de solución de jabón, es preferible tomar una muestra de 25 ml u diluiría con agua destilada (25 ml). En este caso debe duplicarse los ml de soluciones de jabón usado. Resultado: D = (J - Je) x F Donde: D = dureza total, en ppm como CaCO3 J = ml de solución de jabón empleado Je = ml del factor de espuma F = factor de dureza.

FACTOR DE ESPUMA El factor de espuma de la solución de jabón, se determina añadiendo 0.05 ml de la solución estándard de jabón, cada vez, a una muestra de 50 ml de agua destilada, hasta que se forme una espuma estable que persista por más de 5 minutos, después de agitar, el número de ml de jabón empleado nos indica el Je. Como la solución de jabón puede cambiar, el factor de espuma deberá comprobarse cada mes. El factor de espuma, se encuentra en el orden de los 0.2ml.

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FACTOR DE DUREZA Se debe determinar cada masa debido a cualquier cambio en la solución de jabón por la evaporación de alcohol etílico. Para hacer esta prueba agréguense 5 ml del patrón de agua dura estándar (dureza de 1000 ppm de CaCO3), a 45 ml de agua destilada. Ajústese la mezcla al punto final de la fenolftaleina y valórese con la solución estándar de jabón, hasta que se producen una espuma estable durante 5 min. F=

fx20 . (ml de jabón usado – ml de factor de espuma)

El valor de F se encuentra en el orden de 20.

MÉTODOS DE LA SOLUCIÓN JABONOSA BB La determinación de la dureza se hace con 40 ml de agua filtrada, que se coloca en un recipiente de vidrio, agregándose gota a gota o de 0.2 ml en 0.2 ml de la solución BB hasta obtener una espuma compactada y uniforme, que persista por mas de 3 min. La solución BB levantará una espuma en 40 ml de agua destilada, siendo las tres gotas (ml) el factor de espuma de la solución BB. Resultado: Por cada 1 ml de la solución BB empleada, se obtiene 91.3 mg/1 de dureza.

DETERMINACION DEL PH Valor del PH Es un índice de la fracción de hidrógeno ionizado presente en el agua (H+). Indica la cantidad de iones de H+ o de OH- presentes en el agua. Rango del PH (para valores de 16C) Se tiene lo siguiente:   

De 0 a un valor menor de 7 es un PH ACIDO Valor de 7 indica un PH NEUTRO (agua destilada a 16C) Valor mayor de 7 a 14 indica un PH ALCALINO o BASICO.

Variación del PH con la temperatura

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El índice del PH disminuye al aumentar la temperatura, pero la sustancia continua siendo ácida o básica, conforme se determinó inicialmente a 16C. Coeficiente del PH Para el Hidrógeno, es la fracción en gr de ión H+, presente en cada 1000 cc de agua. Ejemplo: PH2, indica 0.01 gr de ión H+, existentes en 1000 cc de agua; PH6 indica 0.000001 gr de ión H+ en 1000 cc de agua. Para el oxidrilo OH-, los iones OH-, tienen una escala empezando desde PH3= 0.000001 gr de OH- hasta PH14 = 1.0 gr de OH en 1000 cc de agua. En general se puede indicar el coeficiente del PH de la manera siguiente, cuando se tiene PH, se puede decir:  

PH de 0 a 7, se obtiene gr de ión H+ = 10-N, en 1000 cc de agua. PH de 8 a 14, se obtiene gr de ión OH- = 10N-14, en 1000 cc de agua.

El PH se usa para predecir la corrosión (con rango ácido). El agua con menor concentración de iones hidrógenos es menos corrosiva que el agua con mayor concentración de iones hidrógenos. La corrosión puede ser reducida en forma apreciable con el agregado de una cierta concentración de hidróxido de sodio en el agua. Uso de papel o lámina indicadores de PH Es un método comparativo, que se basa en la introducción de un papel o lamina especial dentro de la muestra de agua por 5 segundo, luego retirarlos y dejar que toma tome una determinada coloración, que indica el PH de acuerdo a un muestrario de colores adjunto.

MATERIALES

probeta con agua

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Solución jabonosa BB

Solucion jabonosa después de agitar

Indicador universal

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Tabla comparativa del PH

PROCEDIMIENTO PH DEL AGUA 1. Primero se preparó una muestra de agua de caño, en este caso no es necesario ser precisos en la cantidad de agua, luego se introduce un pedazo de papel universal al agua y se espero 30 segundos, después de ese tiempo el papel universal se habrá tornado de un color el cual lo identificamos con una muestra y por comparación se determina el PH del agua. 2. Después se repitió lo mismo, pero esta vez es necesario utilizar en vez del papel universal un sensor digital para medir el PH , para ello introducir el electrodo del sensor digital en el agua y leer la lectura del sensor para luego apuntar la medida

DUREZA DEL AGUA 1. Se tomó una muestra de 40 ml agua de pozo en una probeta ,y luego utilizando la solución jabonosa BB se comenzó a introducir con la ayuda de una bureta una determinada cantidad de gotas hasta que se forme sobre la superficie del agua una capa de espuma y se debe verificar que esta espuma sea persistente, aproximadamente debe durar uno 3 minutos.

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2. Se tomó una muestra de 40 ml agua de agua para caldero en una probeta ,y luego utilizando la solución jabonosa BB se comenzó a introducir con la ayuda de una bureta una determinada cantidad de gotas hasta que se forme sobre la superficie del agua una capa de espuma y se debe verificar que esta espuma sea persistente, aproximadamente debe durar uno 3 minutos.

CÁLCULOS Y RESULTADOS PH del AGUA Agua de pozo Papel universal 7 PH Sensor digital 7.4 PH Calculo del error:

(7.4-7) / 7.4*100% = 5.4%

DUREZA DEL AGUA

Numero gotas

AGUA DE POZO 33 gotas

AGUA PARA LA CALDERA 2 gotas

CALCULO DE LA DUREZA DEL AGUA

mg * 0.2ml * N l donde : N  numero de gotas de la solucion jabonosa BB por cada ml de agua Durezadela gua  91.3

Reemplazando los datos Donde: mg/l = 1 ppm

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Descendent e

Dureza

AGUA DE POZO 602.58 ppm

AGUA PARA LA CALDERA 36.52 ppm

CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES Según la siguiente tabla Para altura de alimentación a calderos se dice que: Dureza menor que 137 ppm es: Muy buena Dureza de 135 a 257 ppm es: Buena Dureza de 257 a 342 ppm es: Regular Dureza de 342 a 513 ppm es: Nada Dureza de más de 513 ppm es. Muy Lenta y con los resultados de la tabla podemos concluir:

dureza

AGUA DE POZO 6 02.58 ppm

AGUA PARA LA CALDERA 36.52 ppm

El agua para la caldera es muy buena, adecuada para su correcto funcionamiento, esto también quiere decir que el equipo reductor de la dureza (elimina el CaCO3 y lasa sales de magnesio) está funcionando bien en el laboratorio. No se puede utilizar en la caldera el agua de pozo, ya que su dureza esta en el rango de alta dureza, si se llegase a utilizar esta agua en la caldera, dañaría seriamente las partes de la caldera disminuyendo su vida útil. Al momento de hacer las mediciones del PH del agua se encontró valores cercanos a 7, lo cual implica agua neutra, en este caso para el papel universal dio 7 y para el indicador digital dio 7.4, dándonos un error del 5.4% lo cual es una muy buena aproximación para el papel universal, convirtiéndose de esta forma en un medio confiable para la determinación del PH. Determinar la dureza y el PH del agua en muchas plantas industriales resulta un procedimiento muy importante y necesario ya que haciendo un buen tratamiento al agua implica ahorro de dinero y mejores resultados en el producto.

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