Conceptos avanzados de tratamiento del agua de refrigeración (Parte 4)

Nota del editor: esta es la cuarta entrega de una serie de varias partes escrita por Brad Buecker, presidente de Buecker & Associates, LLC.

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Durante décadas, los biocidas oxidantes han servido como tratamiento central para el control microbiológico en sistemas de refrigeración. El cloro es el biocida más conocido, pero la evolución de los programas de control de incrustaciones/corrosión y el cambio relacionado de un pH ligeramente ácido a moderadamente básico han influido en esa elección en muchos casos. (1) Los oxidantes alternativos o modificados pueden ser más eficaces; y para condiciones difíciles, los biocidas no oxidantes suplementarios también pueden ser beneficiosos. Las siguientes dos partes de esta serie examinan muchos de los desarrollos más importantes para el control micro y macrobiológico.

Numerosas referencias sugieren que 1893 fue el año en el que se aplicó por primera vez el cloro como biocida al agua potable, con un rápido desarrollo de la tecnología a principios del siglo XX. El cloro gaseoso, normalmente suministrado en cilindros de una tonelada, se convirtió en el método de almacenamiento en muchas instalaciones, agua potable y otros. Cuando se agrega cloro al agua se produce la siguiente reacción:

Cl2 + H2O ⇌ HOCl + HCl Ec. 1

HOCl, ácido hipocloroso, es el agente letal y funciona penetrando las paredes celulares y luego oxidando los componentes internos de la célula. Debido a problemas de seguridad con el cloro gaseoso, muchas instalaciones industriales cambiaron al hipoclorito de sodio líquido (NaOCl, también conocido como lejía), con una concentración común de cloro activo del 12,5%. Otra alternativa popular, de la cual el nombre MIOX® es el más conocido, es la generación in situ de hipoclorito de sodio mediante electrólisis de agua salada. Este proceso elimina la necesidad de almacenar lejía.

Un rango de control común para la concentración de cloro del agua de refrigeración es de 0,2 a 0,5 ppm, sujeto a la demanda de cloro, que examinaremos en breve. La eficacia y el poder letal del cloro se ven afectados significativamente por el pH debido a la naturaleza de equilibrio del HOCl en el agua, como se muestra a continuación.

HOCl ⇌ H+ + OCl– Ec. 2

El OCl– es un biocida más débil que el HOCl, posiblemente porque la carga del ion OCl– no le permite penetrar eficazmente las paredes celulares. La disociación del ácido hipocloroso aumenta dramáticamente en relación con el pH.

Debido a que muchos programas de tratamiento de corrosión/incrustaciones de torres de enfriamiento ahora operan a un pH alcalino cercano o ligeramente superior a 8,0, la química oxidante modificada puede ser una mejor opción que el cloro básico, como se describirá más adelante. Además, el ácido hipocloroso puede reaccionar con otros compuestos que suelen estar presentes en las aguas de proceso y refrigeración en recirculación. Los más destacados son el amoníaco y los compuestos orgánicos. La suma de estas reacciones no antimicrobianas se denomina "demanda de cloro". Las reacciones consumen cloro y reducen la concentración disponible para atacar a los microbios. Algunas reacciones pueden producir sustancias orgánicas halogenadas, cuya concentración de descarga puede regularse.

Una respuesta bastante popular a estos problemas ha sido la química del bromo, donde se mezclan un oxidante de cloro (la lejía es nuevamente la opción común) y bromuro de sodio (NaBr) en una corriente de agua de reposición y se inyectan en el agua de enfriamiento. La reacción produce ácido hipobromoso (HOBr), que tiene poderes letales similares al HOCl, pero funciona más eficazmente a pH alcalino.

HOCl + NaBr ⇌ HOBr + NaCl Eq. 3

La Figura 2 compara la disociación de HOCl y HOBr en función del pH.

Como es claramente evidente, a un pH de 8,0 el 80% del HOBr permanece sin disociar.

Al igual que el ácido hipocloroso, el ácido hipobromoso es un oxidante fuerte que también tiene una demanda de halógeno. Sin embargo, a diferencia del cloro, que reacciona irreversiblemente con el amoníaco, la reacción bromo-amoníaco es reversible, lo que deja al bromo libre para actuar contra los microbios. El bromo también puede formar compuestos orgánicos halogenados.

Otro tema que puede ser problemático es la duración permitida de la alimentación de oxidante (horas por día), que, según la experiencia de este autor, ha sido influenciada por las regulaciones para los sistemas de enfriamiento de un solo paso. Lo común en los permisos del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas Contaminantes (NPDES) para sistemas de un solo paso es la alimentación de oxidante durante un máximo de dos horas por día por unidad. Esta restricción se implementó para minimizar la exposición de los organismos acuáticos al biocida residual en la salida del agua de refrigeración. Más allá de esa cuestión, en algunos permisos del NPDES el límite de concentración de oxidante residual total (TRO) del efluente se redujo del valor estándar de 0,2 ppm a niveles mucho más bajos. El cumplimiento requiere la alimentación de un agente reductor como bisulfito de sodio (NaHSO3) o quizás incluso dióxido de azufre gaseoso (SO2) para reducir la concentración de TRO del efluente. Un límite de tiempo similar de dos horas ha aparecido en los permisos para sistemas con torres de enfriamiento, aunque la purga es mucho menor y más fácil de tratar que la descarga de una sola vez. El resultado es que un límite de tiempo de dos horas para la alimentación con biocidas permite que los microorganismos se establezcan las 22 horas restantes cada día. Esto hace que sea aún más imperativo mantener y operar adecuadamente los sistemas de alimentación de químicos. Cuando los “insectos” se afianzan, los problemas pueden escalar rápidamente.

El autor, que siguió el rendimiento del condensador de vapor durante años en dos plantas de energía, (2) estuvo involucrado una vez en un proyecto para clorar por choque un condensador que se había ensuciado debido al mal funcionamiento del sistema de alimentación de biocida. Los factores de limpieza del condensador habían caído a niveles muy bajos. Aunque la cloración de choque mató a los microbios, solo una parte de la tenaz capa de limo se desprendió y la limpieza del condensador solo se recuperó en aproximadamente un 50%. Se requirió un raspado mecánico en la siguiente parada de la unidad para eliminar el material restante.

La alimentación conjunta de biodispersantes/tensioactivos a menudo puede ayudar a la eficacia del biocida al abrir vías para que el biocida penetre en la capa de limo. Se encuentran disponibles varios tipos de tensioactivos, incluidos alquilbencenosulfonatos aniónicos, alquilpoliglucósidos y polímeros no iónicos de tipo óxido de etileno/óxido de propileno (EO/PO). (3)

Los más comunes son los compuestos aniónicos que evitan la aglomeración de partículas más pequeñas al absorberlas en las superficies, aumentando así la carga superficial negativa para inducir la repulsión de las partículas. Debido a que estos biodispersantes tienen una carga negativa, pueden interactuar con especies catiónicas presentes en el agua (especialmente el calcio en las torres de enfriamiento con alto ciclo) y perder efectividad. Los biodetergentes suelen ser moléculas no iónicas que no reaccionan con otros compuestos en el programa de tratamiento de agua. Muestran buena eficiencia en aguas duras. Su estabilidad es un factor importante en la eliminación de biopelículas.

Es importante señalar que la función del dispersante no es matar los microbios sino ayudar al oxidante. La alimentación dispersante antes de la inyección de biocida suele ser el procedimiento más eficaz, ya que el producto químico “condiciona” la biopelícula, aumentando la eficacia del agente letal.

Hay varios compuestos químicos disponibles que pueden estabilizar el cloro y el bromo y luego liberar los oxidantes gradualmente, y donde más se necesitan. Un halógeno estabilizado normalmente exhibe un poder oxidante más bajo en comparación con el halógeno original, pero esta fuerza oxidante reducida en realidad ofrece varios beneficios con respecto al control microbiano en el sentido de que minimiza reacciones indeseables como aquellas con el limo protector.

Tres clases de estabilizadores dominan el mercado: sulfamato, dimetilhidantoína e isocianuratos. Estos compuestos están disponibles en forma sólida como tabletas, gránulos y polvos. Cada producto tiene características de disolución individuales, lo que requiere una evaluación cuidadosa al diseñar el sistema de alimentación. Un diseño común para la alimentación de productos sólidos es un recipiente pequeño en el que se pueden cargar las tabletas/discos y que luego se disuelven gradualmente en una corriente de agua de refrigeración que regresa al sistema principal. También son posibles los sistemas de alimentación líquida, un ejemplo de los cuales es la hidantoína estabilizada que puede alimentarse a una corriente de estela simultáneamente con hipoclorito de sodio para generar el producto estabilizado.

Oxidantes alternativos

Un problema que puede ser problemático con los halógenos es que, si se han formado colonias sésiles, la sustancia química es consumida principalmente por la baba protectora generada por los microbios. Es posible que quede poco biocida para atacar a los organismos que se encuentran debajo. Las siguientes secciones examinan dos oxidantes alternativos.

Dioxido de cloro

El dióxido de cloro (ClO2) es un gas a temperatura ambiente estable y soluble en agua. El compuesto no se puede almacenar y debe prepararse in situ. Hace años, cuando el autor trabajaba con este biocida, la técnica de generación consistía en mezclar cloro gaseoso y clorito de sodio (NaClO2, que se puede almacenar in situ) por separado en una estela de agua que se reintroducía en el agua de refrigeración principal. Actualmente se encuentran disponibles sistemas más modernos y confiables que hacen reaccionar NaClO2 o clorato de sodio (NaClO3) con un agente oxidante en condiciones ácidas. Como ocurre con todos los productos químicos, el cumplimiento de los procedimientos de seguridad adecuados es imprescindible al cargar los reactivos en el sistema de alimentación y operarlo.

El dióxido de cloro es más caro que los halógenos, pero el compuesto exhibe un alto grado de selectividad de reacción y puede penetrar biopelículas para atacar a los microbios. La selectividad es ventajosa para otras aplicaciones que no son de refrigeración, incluida la destrucción de fenol y el control de olores de aguas residuales. Debido a que el dióxido de cloro existe como gas en solución, se elimina fácilmente mediante aireación, incluso cuando el agua pasa a través de una torre de enfriamiento. Los puntos de inyección deben evaluarse cuidadosamente durante el diseño del proyecto para minimizar el escape vaporoso del biocida.

Cloraminas

Las cloraminas han servido para el control microbiano en sistemas de agua potable durante más de un siglo. Ahora se están reconociendo los beneficios para el tratamiento del agua de refrigeración. Durante la alimentación de cloro convencional a un suministro de agua, a medida que aumenta la concentración de cloro, aparecerá una serie de cloraminas, comenzando desde monocloramina (NH2Cl) hasta dicloramina (NHCl2) y luego tricloruro de nitrógeno (NCl3). La monocloramina es el compuesto de interés para el control moderno de la bioincrustación y ahora se dispone de tecnologías para producir una corriente prístina de NH2Cl para este propósito. La monocloramina es menos reactiva que los halógenos, pero esto puede ser beneficioso contra las colonias sésiles. La reactividad reducida permite que el compuesto penetre en las biopelículas y ataque a los organismos subyacentes. Sin embargo, la monocloramina generalmente necesita un tiempo de contacto más prolongado que el hipoclorito para lograr la destrucción microbiana deseada.

Hay otros compuestos oxidantes disponibles, incluidos peróxido de hidrógeno, ácido peracético y ozono (generado in situ). Sin embargo, estos productos químicos reaccionan muy rápidamente con una amplia variedad de compuestos y, por lo tanto, no suelen utilizarse para grandes aplicaciones de agua de refrigeración. Pueden resultar muy eficaces para la limpieza fuera de línea del relleno de la torre de refrigeración. (4)

La luz ultravioleta (UV) ha demostrado ser eficaz para matar microorganismos en muchas aplicaciones, pero para grandes caudales donde el agua tiene una turbidez significativa, es posible que la luz no penetre lo suficiente para ser eficaz. Y, por supuesto, la luz ultravioleta no produce efectos residuales. Quizás investiguemos esta tecnología en un futuro artículo de Ingeniería Eléctrica.

Esta entrega examinó muchas de las propiedades principales de los biocidas oxidantes para el control microbiológico. La conclusión clave es que los sistemas de alimentación deben estar en buen estado de funcionamiento en todo momento. Si se desarrollan colonias sésiles, puede resultar extremadamente difícil eliminar la capa de limo que se genera. Los resultados posteriores incluyen una pérdida sustancial de transferencia de calor en condensadores y otros intercambiadores de calor, el potencial de corrosión debajo del depósito generada directa o indirectamente por colonias y suciedad en el relleno de las torres de enfriamiento. En la siguiente parte de esta serie, examinaremos los biocidas no oxidantes como tratamiento complementario para el control microbiológico y macrobiológico.

Esta discusión representa buenas prácticas de ingeniería desarrolladas a lo largo del tiempo. Sin embargo, es responsabilidad de los propietarios, operadores y personal técnico de las plantas implementar programas confiables basados ​​en consultas con expertos de la industria. En el diseño y uso posterior de estas tecnologías entran muchos detalles adicionales de los que se pueden describir en un solo artículo.

Referencias

Sobre el autor: Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC, consultoría y redacción técnica/mercadeo. Más recientemente, se desempeñó como publicista técnico senior en ChemTreat, Inc. Tiene más de cuatro décadas de experiencia en el apoyo a las industrias de energía y tratamiento de agua industrial, gran parte de ella en puestos de química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire e ingeniería de resultados. con City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y la estación La Cygne, Kansas de Kansas City Power & Light Company (ahora Evergy). Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, equilibrios de energía y materiales, y química inorgánica avanzada. Es autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas técnicas y ha escrito tres libros sobre química de plantas de energía y control de la contaminación del aire. Puede comunicarse con él en [email protected].