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UNIVERSIDAD INNOVADORA

UN INGENEIRO QUIMICO UNA EMPRESA

FACULTAD: INGENIERIA QUIMICA E.P: INGENIERIA QUIMICA E.P: INGENIERIA QUIMICA AMBIENTAL

OXIGENO DISUELTO Y TURBIDEZ

CATEDRA

: INSTRUMENTACIÒN INDUSTRIAL

CATEDRATICO

:

Ing. SANABRIA PEREZ , Elías Adrián

INTEGRANTES

: o o o o o

BRICEÑI ALBINO ,Erik CALDERON ESQUIVEL , Allisson ESCOBAR MATAMOROS , Giovanni MONTENEGRO ORTIZ, Geli Anel VILCAPOMA CAPCHA, Gianfranco Kenyo

CICLO

: VIII

FECHA: 20-12-17

DEDICATORIA:

Este presente trabajo va dedicado a nuestros padres quienes nos impulsan día a día para ser mejores y poder cumplir nuestros objetivos y metas.

o va dedicado a nuestros padres quienes nos impulsan dìa a dìa para ser mejores y poder cumplir nuestras objetivos y a Dios por permitirnos avanzar hacia nuestras metas.

o va dedicado a nuestros padres quienes nos impulsan dìa a dìa para ser mejores y poder cumplir nuestras objetivos y a Dios por permitirnos avanzar hacia nuestras metas.

1. INTRODUCCION

EL oxígeno disuelto ha sido uno de los constituyentes no-conservativos (su concentración es variable) más estudiados en ecosistemas acuáticos. Este es un requisito nutricional esencial para la mayoría de los organismos vivos, dada su dependencia del proceso de respiración aeróbica para la generación de energía y para la movilización del carbono en la célula. Además, el oxígeno disuelto es importante en los procesos de: fotosíntesis, oxidación-reducción, solubilidad de minerales y la descomposición de materia orgánica. Los niveles de oxígeno disuelto necesarios para sostener la vida de organismos acuáticos varían de una especie a otra. El Oxígeno que se encuentra disuelto en el agua proviene, generalmente de la disolución del oxígeno atmosférico (en el aire se encuentra en la proporción del 21%). Siendo un gas muy poco soluble en el agua y además como no reacciona químicamente, su solubilidad obedece a la Ley de Henry, la cual expresa que la solubilidad de un gas en un líquido es proporcional a su concentración o a la presión parcial del gas en la disolución. Entre otros factores que influyen en la solubilidad del oxígeno están los siguientes: La temperatura y la salinidad, La actividad biológica, La turbulencia. La concentración de oxígeno disuelto es importante para la evaluación de la calidad de aguas superficiales y el control de procesos de tratamiento de aguas residuales. Puede estar asociada con la corrosividad del agua, actividad fotosintética y septicidad. Su determinación se usa en la prueba de la DBO. Generalmente, el oxígeno disuelto no es determinado en aguas potables ni en aguas residuales crudas. El presente informe presenta, los conceptos de oxígeno disuelto y turbidez así como los equipos, métodos y principios de funcionamiento que se utilizan para su medición.

2. MARCO TEORICO

2.1.

OXIGENO DISUELTO

El oxígeno disuelto, es la cantidad de oxigeno libre (O2) que hay en el agua, que no está combinado con el hidrogeno (formando agua) ni con los sólidos presentes en el agua. Normalmente se utilizan dos escalas de medición: partes por millón (ppm); o porcentaje de saturación (%), que se define como el porcentaje de oxígeno disuelto en 1 litro de agua, respecto la cantidad máxima de oxígeno disuelto que puede contener 1 litro de agua. El oxígeno disuelto en el agua es un indicador de la calidad de aguas. Es importante para la vida marina. Asimismo es necesario determinar la cantidad de oxígeno disuelto en el agua porque es un indicador de la calidad del agua. Así es importante, por ejemplo, controlar las aguas residuales urbanas e industriales donde las concentraciones bajas de este parámetro son un signo de contaminación.

2.2. FACTORES QUE AFECTAN EL CONTENIDO DE OXIGENO DISUELTO EN EL AGUA

TEMPERATURA: Cuando la temperatura del agua se incrementa, la solubilidad del oxígeno (O2) en ella disminuye, y por lo tanto, menos concentración.

PRESION: La presión atmosférica del aire sobre la superficie del agua, ejerce un efecto de modo tal que, si aumenta, la cantidad de oxigeno que se puede disolver en el agua también aumenta.

SALINIDAD: Cuando la concentración de sales en el agua se incrementa, el oxígeno disuelto disminuye.

ACTIVIDAD BIOQUIMICA: En presencia de luz, la actividad de fotosíntesis de las plantas acuáticas en el agua Favorecerá el incremento de oxígeno disuelto. Por otro lado, en presencia de materia orgánica residual, los microorganismos consumirán oxígeno para degradar la materia, y por lo tanto el oxígeno disuelto disminuye.

2.3.

SOLUBILIDAD DEL OXÍGENO EN AGUA:

El oxígeno disuelto en el agua proviene de la fotosíntesis (fuente biológica) y de la atmósfera (fuente física), ya que las aguas naturales y en particular las superficiales están constantemente en contacto con el aire atmosférico. La solubilidad de cualquier gas en el agua es función, entre otros factores, de la temperatura, de la presión y de la salinidad del agua. Por lo tanto, el equilibrio del oxígeno atmosférico con la concentración del oxígeno en el agua dependerá de la presión parcial atmosférica y, por consiguiente de la altitud. La solubilidad del oxígeno en agua también se ve afectada por la presencia de luz solar. Así, en un medio iluminado, el oxígeno producido por fotólisis del agua gracias a los vegetales (algas), es mucho mayor que el consumido por la respiración. Cuando el medio no está iluminado, por ejemplo en los lagos profundos, o por la noche en superficie, únicamente se verifica la función respiratoria, con la consiguiente absorción de oxígeno. En las gráficas siguientes puede observarse la influencia de la altitud y la temperatura sobre la solubilidad del oxígeno, la variación diurna de oxígeno y del dióxido de carbono en el agua superficial, la disolución del oxígeno en función de la turbulencia o agitación violenta (pensar, en la importancia de los rápidos, piedras y pequeñas cascadas de los ríos polucionados para lograr su reoxigenación) y la influencia de la superficie puesta en contacto con el oxígeno (B presenta una superficie de contacto 7 veces mayor que A).

Ilustración 1:Temperatura vs solubilidad

A continuación en la tabla se observa la Solubilidad de Oxígeno en agua a varias temperaturas y presiones: Tabla 1:Tabla de solubilidad de agua en oxigeno a diferentes temperaturas

Fuente 1:Valores basados en las ecuaciones de Benson and Krause (1980 and 1984)

2.4. EQUIPOS QUE MIDEN DEL OXIGENO DISUELTO

Para medir el oxígeno disuelto tenemos los siguientes métodos son:

Por titulación o titulométrico (método químico). Asimismo tenemos técnicas galvánicas, polarográficas, método del electrodo, sistema de equilibrio, y el de la sonda de luminiscencia (método instrumental) METODO POR TITULACION Metodo de winkler El método de Winkler permite determinar la cantidad de mg/l de oxígeno disuelto a través de una valoración química.  

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Una solución de sulfato de manganeso (II) se añade a la muestra que se va a analizar. Después de tratarla con hidróxido sódico y yoduro potásico, el manganeso reacciona con el oxígeno para formar un compuesto estable de manganeso y oxígeno (el precipitado que se forma es un compuesto estable de manganeso (IV) y oxígeno (óxido hidratado de color marrón). Luego se trata la solución con ácido, que disuelve el hidróxido y forma una cantidad proporcional de yodo libre (proporcional al oxígeno disuelto original). Luego se determina la cantidad de yoduro en la solución. Para esto se titula con una solución estandarizada de tiosulfato sódico hasta que todo el yodo libre (I2) es cambiado a yoduro (I-). El almidón se torna púrpura en presencia de yodo pero es incoloro en contacto con yoduro. El almidón es el indicador de que todo el yodo se convirtió en yoduro. La cantidad de tiosulfato usado en la titulación es proporcional al yoduro, que es proporcional al O2 disuelto, y se calcula, pues, determinando la cantidad de tiosulfato utilizado.

-METODO POLAROGRÁFICO La galvánica dispone de una celda galvánica con compensación de temperatura que produce su propia corriente eléctrica gracias a la reducción del oxígeno en el cátodo. El ánodo es de plomo o plata y el cátodo es de plata con un electrolito de hidróxido potásico. Una resistencia convierte el paso de la corriente generada (microamperios) en mV que alimentan un transmisor. La reacción global que se produce es: 02 + 2Pb + 2OH ̄ 2PbO2H ̄ ̄ El campo de medida es de 0-25 mg/l y la exactitud del ± 1,5%. El tiempo de respuesta es de 1 minuto.

El sensor de oxígeno disuelto con electrodo de membrana (polarográfico) está basado en el principio de la célula Clark, es el más común y consiste en un cátodo de aleación oro-plata-platino y ánodo de plata-cloruro de plata sumergida en un electrolito de solución de potasa y cloruro potásico en agua. Una fina membrana de teflón permeable a los gases permite la difusión del oxígeno procedente de la muestra de agua. Las reacciones químicas que tenemos lugar son:

En el cátodo: 02 + 2H20 + 4e- 40H ̄

En el ánodo: 4Ag + 4CIK 4CIAg + 4K+ 4e ̄

Y la reacción total es: 02 + 2H20 + 4Ag + 4CIK 4CIAg + 4KOH

Como para cada molécula de oxígeno que se reduce entran cuatro electrones en la célula y cuatro abandonan el ánodo, se obtiene una corriente eléctrica de cátodo a ánodo que es directamente proporcional a la cantidad de oxígeno que pasó a través de la membrana. La tensión óptima entre ánodo y cátodo, que permite seleccionar el componente "oxígeno libre" en el agua, es de 0,8 V c.c. El campo de medida es de 0-20 mg/l y la exactitud del ± 1%.

Ilustración 2: método polarográfico

Principio de Funcionamiento El sistema convencional de medición de O.D. consiste en un medidor y una sonda polarográfico tipo Clark. La sonda es la parte más importante del sistema y la más delicada. La sonda consta de un ánodo de plata (Ag) revestido con un alambre de platino (Pt), que funciona como cátodo. Esto es insertado en una cubierta protectora llena de una solución electrolítica de cloruro potásico (KCI). La cubierta tiene en su extremo una membrana de Teflón, un material permeable al gas que permite el paso del oxígeno presente en la solución, pero no el paso de la solución en si. Mediante la aplicación de un potencial de 790 mV, el oxígeno presente en la célula se reduce a iones de hidróxido (OH-) en el cátodo, y se deposita cloruro de plata (AgCl) en el ánodo. Esta reacción provoca un flujo de corriente con intensidad proporcional a la cantidad de oxígeno presente en la muestra. El medidor convierte la medición del flujo de corriente en la concentración correspondiente de oxígeno disuelto. Debe advertirse que la solubilidad del oxígeno depende de muchos factores, incluyendo la temperatura, presión atmosférica y salinidad de la solución. Algunos de los medidores de oxígeno de Hanna Instruments son capaces de compensar automáticamente estas variables, asegurando así mediciones incluso más precisas.

Ilustración 3: sonda polarografico tipo Clark

-METODO LUMINESCENTE:

El sistema óptico o luminescente (optode) se basa en las características de amor guiamiento de la emisión de luz de una reacción luminiscente en presencia de oxígeno. Una película sensible con ene la sustancia fluorescente sensible que está embebida en una capa polimérica soportada en una película de polímero. La concentración de oxígeno disuelto es inversamente proporcional a la vida luminiscente de la luz emitida por el proceso foto-luminiscente.

Se mide el desfase entre la excitación y la emisión detectada y el desfase entre las dos. El campo de medida es de 0 a 20 mg/l y la exactitud de ± 0,1 a ± 0,2 mg/l.

Ilustración 4: metodo luminescente

-METODO ELECTROMETRICO El método de determinación por electrodo de membrana es recomendado para muestras que contengan sustancias tales como sulfito, tiosulfato, politionato, mercaptanos, cloro libre o hipoclorito, sustancias orgánicas fácilmente oxidables en medio alcalino, yodo libre, color o turbidez intensos y agregados biológicos, que interfieren con la determinación del OD por el método Winkler y sus modificaciones. Igualmente es recomendado en las pruebas de la DBO para realizar mediciones del OD no destructivas de la muestra. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO El método electrométrico se basa en la tasa de difusión del oxígeno molecular a través de una membrana plástica permeable al oxígeno, que recubre el elemento sensible de un electrodo y actúa a la vez como una barrera de difusión contra muchas impurezas que interfieren en los otros métodos para la determinación del OD. Bajo condiciones regulares, la “corriente de difusión” es lineal y directamente proporcional a la concentración del OD. Usando el medidor de oxígeno YSI Modelo 52, aplicando el método recomendado en el Standard Methods 19ed. 1995. El equipo proporciona un rango de medida de 0.0 a 19.99 mg/L de O.D y de 0.0 a 199.9 % de saturación

de aire. La precisión es de ± 0.1% del valor de saturación más una cifra significativa para lecturas en mg/L; la resolución es de 0.01 mg/L. 1.4

El medidor de OD YSI 52 es un instrumento basado en un microprocesador designado para medidas en campo y en laboratorio del oxígeno disuelto. Los electrodos YSI de O.D usan protectores de membrana, sensores polarográficos tipo Clarck con termistores hechos para medida y compensación de temperatura. Una membrana permeable delgada, extendida sobre el sensor permeable al oxígeno cubre una celda electrolítica consistiendo de un cátodo de oro y un ánodo de plata, elementos del sensor aislantes del medio ambiente, excepto el oxígeno y ciertos gases permitidos a entrar. Cuando un voltaje polarizado es aplicado a través del sensor, el oxígeno se difunde a través de la membrana a una rata proporcional a la diferencia de presión a través de ella. Puesto que el oxígeno es rápidamente consumido por el cátodo puede ser asumido que la presión interna del oxígeno en la membrana es cero. Por esto, la cantidad de oxígeno difuso a través de la membrana es proporcional a la presión absoluta del oxígeno por fuera de la membrana. Si la presión del oxígeno se incrementa, más oxígeno pasa o se difunde a través de la membrana y más corriente fluye a través del sensor. Una presión más baja resulta en menor corriente.

2.5.

TURBIDEZ

La turbidez o turbiedad a la medida del grado de transparencia que pierde el agua o algún otro líquido incoloro por la presencia de partículas en suspensión. Estas partículas pueden ser plancton, microorganismos, barro, etc. Cuanto mayor sea la cantidad de sólidos suspendidos en el líquido, mayor será el grado de turbidez (como el agua de Nico). En potabilización del agua y tratamiento de aguas residuales, la turbidez es considerada como un buen parámetro para determinar la calidad del agua, a mayor turbidez menor calidad. Hay varios parámetros que influyen en la turbidez del agua. Algunos de estos son:  Fitoplancton  Sedimentos procedentes de la erosión  Sedimentos resuspendidos del fondo (frecuentemente revueltos por peces que se alimentan por el fondo, como la carpa)  Descarga de efluentes  Crecimiento de las algas  Escorrentía urbana

La turbidez está expresada en unidades arbitrarias llamadas unidades nefelometrías de turbidez (NTU). Según la OMS (Organización Mundial para la Salud), la turbidez del agua para consumo humano no debe superar en ningún caso las 5 NTU, y estará idealmente por debajo de 1 NTU.Por ejemplo, el agua de uso doméstico, industrial y residual entre de 0,05 a 40 NTU. Habitualmente las unidades de NTU nos las ofrecen en las potabilizadoras, nosotros estamos más habituados a trabajar con sólidos en suspensión (SS) y los cuantifican en mg/l o PPM, ya que nuestro mercado más habitual son las depuradoras, igualmente existe una relación entre Sólidos en Suspensión y NTU.

La relación entre NTU y sólidos en suspensión es la siguiente, 1 mg/l (ppm) equivale a 3 NTU, por ejemplo, SS de 300 mg/l (ppm) son 900 NTU.

2.1. Efectos de una alta turbidez en el agua Las partículas suspendidas absorben calor de la luz del sol, haciendo que las aguas turbias se vuelvan más calientes, y reduciendo así la concentración de oxígeno en el agua (el oxígeno se disuelve mejor en el agua más fría). Además, algunos organismos no pueden sobrevivir en agua más caliente, mientras que se favorece la multiplicación de otros. Las partículas en suspensión dispersan la luz, de esta forma decreciendo la actividad fotosintética en plantas y algas, que contribuye a bajar la concentración de oxígeno más aún. Como consecuencia de la sedimentación de las partículas en el fondo, los lagos poco profundos se colmatan más rápido, los huevos de peces y las larvas de los insectos son cubiertas y sofocadas, las agallas de los peces se tupen o dañan. El principal impacto de una alta turbidez es meramente estético: a nadie le gusta el aspecto del agua sucia. Pero, además, es esencial eliminar la turbidez para desinfectar efectivamente el agua que desea ser bebida. Esto añade costes extra para el tratamiento de las aguas superficiales. Las partículas suspendidas también ayudan a la adhesión de metales pesados y muchos otros compuestos orgánicos tóxicos y pesticidas. 2.2.

MEDICION DE LA TURBIDEZ

2.2.1. Turbidímetro Jackson El turbidímetro fue inventado por Jackson. Consiste en un tubo graduado que descansa en un soporte de vidrio, en cuya parte inferior se encuentra una vela encendida (Jackson candle). La muestra del agua se introduce lentamente en el tubo hasta que a su través deja de verse la llama de la vela.

Ilustración 5.Turgbidimetro Jackson

Fuente. Honeywell Este tipo de instrumento era muy subjetivo, ya que dependía del ojo del observador, por ello los resultados eran poco exactos e imprecisos, por lo cual este método como otros similares pierden veracidad por su falta de precisión y exactitud en las mediciones. Actualmente la turbidez puede medirse de tres formas en forma continua. Al ser un indicador de apariencia óptica, ocasionado por la dispersión y absorción de la energía lumínica a través del líquido, la turbidez solo puede ser medida usando técnicas ópticas. Se fundamenta en la relación de la intensidad de la luz incidente y de la luz dispersada por el medio, mediante la ley de Lambert-Beer (Ecuación 1), en la que la turbidez es proporcional a la concentración de partículas .Un haz de radiación monocromática paralelo con intensidad I0 llega al medio absorbente perpendicular a la superficie; luego pasa a través de la longitud X del medio, que contiene partículas absorbentes que bloquearán la transmisión de la luz (átomos, iones o moléculas), la intensidad del haz disminuye a I como resultado de la absorción y la dispersión. Si el material se compone de partículas con diferentes coeficientes de absorción y de dispersión, el coeficiente total de absorción y de dispersión, (αA y αB), es igual a la suma de los coeficientes de absorción y de dispersión de todas las partículas. 10

Dónde: I intensidad de la luz resultante.

I0 intensidad de la luz en el punto 0. 0 punto de partida del paso de luz a través del medio absorbente. X longitud del medio o distancia del viaje de la luz a través del medio. C concentración del medio. αA coeficiente de absorción. αB coeficiente de dispersión. 2.2.2. Sensores de transmisión (luz directa absorbida). Proporcionan, probablemente, el método más sencillo de medir la turbidez. Un haz de luz se transmite a través de la muestra y un fotodetector alineado con la fuente luminosa mide la intensidad del mismo. La lámpara y la célula están situadas una enfrente de la otra, separadas por un tubo transparente lleno de la muestra de agua. La célula mide la absorción de la luz por los sólidos en suspensión. La señal disminuye con el aumento de la turbidez. La exactitud en la medida es del ± 5% al ± 10% y el campo de medida es de 02400 NTU. Ilustración 6 Sensores de turbidez de transmisión

Fuente. Honeywell Por otro lado, la sensibilidad de este sistema puede ser insuficiente debido a que la variación de la turbidez a niveles bajos es mínima y resulta muy difícil de

detectar. Sin embargo, a niveles de turbidez medios y altos esto no plantea ningún problema, por lo que esta técnica resulta fiable para muchas aplicaciones. Ilustración 7. ITM-4 turbidity sensors

Fuente ANDERSON- NEGELE

2.2.3. Sensores de dispersión (luz reflejada). Es el método más utilizado. Una lámpara emite un rayo de luz blanca, o bien una luz infrarroja, que un sistema de lentes enfoca en la muestra de agua. Una célula fotoeléctrica situada a 90° del haz de luz capta la luz reflejada por las partículas en suspensión. La intensidad de luz detectada es directamente proporcional a la turbidez del agua. El aparato utiliza un detector de luz adicional para corregir las variaciones de intensidad luminosa, los cambios de color y la ligera suciedad de la lente. La señal aumenta con el aumento de la turbidez, lo que es favorable para detectar valores bajos de la turbidez. El campo de medida es de 0 a 1000 NTU y la exactitud es del ± 1%. El método de medida se encuentra en la norma ISO 7027/EN 27027.

2.2.4. Sensores de relación (relación entre la luz absorbida y la reflejada). Combina los dos métodos anteriores y favorece la eliminación de la influencia de los cambios de temperatura, la intensidad de luz de la fuente y aberraciones de la lente.

2.3.

Principio de medición de un sensor de turbidez

Cuando el haz de luz atraviesa el fluido los sólidos suspendidos dispersan la luz en todas direcciones .La reducción de la intensidad de luz se debe a la difusión del haz por dichos solidos suspendidos en el medio. En el análisis de bajas cantidades de solidos suspendidos, se suele usar la medida de la luz dispersa, debido a los fotodetectores detectan pequeños cambios en la intensidad de la luz de contraste con un fondo oscuro.

3. CONCLUSIONES

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En el presente informe se dio a conocer los métodos y técnicas para medir el oxígeno disuelto en el cual se puede realizar por titulación o titulométrico (método químico). Asimismo tenemos técnicas galvánicas,polarográficas, método del electrodo, sistema de equilibrio, y el de la sonda de luminiscencia (método instrumental) . Por otro lado se dio a conocer la turbidez en agua se debe a la presencia de partículas suspendidas y disueltas, siendo un buen parámetro para determinar la calidad del agua, a mayor turbidez menor calidad. Por cuanto es esencial la determinación de la turbidez: se ha diseñado formas de medir la turbidez del agua siendo la primera de ellas turbidímetro Jackson el cual es usado poco en la actualidad. actualmente la turbidez puede medirse de tres formas en forma continua. Tenemos a través de los sensores de transmisión (luz directa absorbida) la cual proporcionan, probablemente, el método más sencillo de medir la turbidez.

4. BIBLIOGRAFIA

Acebo González, D., & Hernández García, A. (2013). Los métodos Turbidimétricos y sus aplicaciones en las ciencias de la vida. CENIC, 4-5. Anderson-negele. (2015). Anderson-negele. Obtenido de Anderson-negele: https://www.anderson-negele.com/in/p/turbidity-sensors/itm-4/ Creus Solé, A. (2010). INSTRUMENTACIÓN. México: Alfaomega. Honeywell International . (s.f.). honeywell.com. Obtenido de honeywell.com: https://www.honeywell.com/industries/industrial library.e.abb.com. (s.f.). library.e.abb.com. Obtenido de library.e.abb.com: https://library.e.abb.com/public/93e30839c5b11660c12578140035dcb9/DS_4670ES_P.pdf Wikipedia. (abril de 2009). Wikipedia. Obtenido de Wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Turbidez