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

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

Lea la Parte 1 aquí.

Lea la Parte 2 aquí.

Lea la Parte 3 aquí.

Durante décadas, los biocidas oxidantes han servido como tratamiento central para el control microbiológico en los 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 pH ligeramente ácido a moderadamente básico han influido en esa elección en muchos casos. (1) Los oxidantes alternativos o modificados pueden ser más efectivos; 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 microbiológico y macrobiológico.

Numerosas referencias sugieren 1893 como el año en que se aplicó por primera vez el cloro como biocida en el 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 Eq. 1

HOCl, ácido hipocloroso, es el agente letal y funciona penetrando las paredes celulares y luego oxidando los componentes celulares internos. Debido a problemas de seguridad con el cloro gaseoso, muchas instalaciones industriales cambiaron a hipoclorito de sodio líquido (NaOCl, también conocido como lejía), con una concentración de cloro activo común del 12,5 %. Otra alternativa popular, de la cual el nombre MIOX® es más conocido, es la generación de hipoclorito de sodio in situ mediante electrólisis de agua salada. Este proceso elimina la necesidad de almacenamiento de 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 significativamente afectados por el pH debido a la naturaleza equilibrada 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 de manera eficaz en las paredes celulares. La disociación del ácido hipocloroso aumenta drásticamente en relación con el pH.

Debido a que muchos programas de tratamiento de incrustaciones/corrosión 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. Además, el ácido hipocloroso puede reaccionar con otros compuestos que a menudo están presentes en las aguas de proceso y de refrigeración recirculantes. Los más destacados son el amoníaco y los 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 compuestos orgánicos halogenados, cuya concentración de descarga puede regularse.

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

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 de actividad hacia los microbios. El bromo también puede formar compuestos orgánicos halogenados.

Otro tema que puede ser problemático es la duración permitida de la alimentación del 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. Común para los permisos del Sistema Nacional de Eliminación de Descargas de Contaminantes (NPDES) de los sistemas de un solo paso es la alimentación de oxidante por 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 ese problema, en algunos permisos NPDES, el límite de concentración de oxidante residual total (TRO) del efluente se redujo de un 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 apareció en los permisos para sistemas con torres de enfriamiento, aunque la purga es mucho más pequeña y más fácil de tratar que la descarga de un solo paso. 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 de cada día. Esto hace que sea aún más imperativo mantener y operar adecuadamente los sistemas de alimentación de productos químicos. Cuando los "errores" se afianzan, los problemas pueden escalar rápidamente.

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

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

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

Es importante tener en cuenta que el papel del dispersante no es matar microbios sino ayudar al oxidante. La alimentación de dispersantes antes de la inyección de biocidas suele ser el procedimiento más eficaz, ya que el producto químico "acondiciona" la biopelícula y aumenta la eficacia de los agentes letales.

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 muestra 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 las 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 estela 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 se puede alimentar a una 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 el limo protector generado por los microbios. Puede quedar 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 que es estable y soluble en agua. El compuesto no se puede almacenar y debe prepararse en el sitio. 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 en el sitio) por separado en una tolva de agua que se reintroducía en el agua de refrigeración principal. Ahora hay disponibles sistemas más modernos y confiables que reaccionan NaClO2 o clorato de sodio (NaClO3) con un agente oxidante en condiciones ácidas. Al igual que con todos los productos químicos, el cumplimiento de los procedimientos de seguridad adecuados es imprescindible al cargar los reactivos y operar el sistema de alimentación.

El dióxido de cloro es más caro que los halógenos, pero el compuesto exhibe un alto grado de selectividad de reacción y puede penetrar en las biopelículas para atacar a los microbios. La selectividad es ventajosa para otras aplicaciones que no son de enfriamiento, incluida la destrucción de fenol y el control de olores de aguas residuales. Debido a que el dióxido de cloro existe como un gas en solución, se elimina fácilmente por 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 de vapor del biocida.

Cloraminas

Las cloraminas han servido para el control microbiano en los 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 la monocloramina (NH2Cl) hasta la dicloramina (NHCl2) y luego el tricloruro de nitrógeno (NCl3). La monocloramina es el compuesto de interés para el control moderno de bioincrustaciones, y ahora hay tecnologías disponibles para producir una corriente prístina de NH2Cl para este propósito. La monocloramina es menos reactiva que los halógenos, pero esto puede ser un beneficio 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 el peróxido de hidrógeno, el ácido peracético y el ozono (generado en el sitio). Sin embargo, estos productos químicos reaccionan muy rápidamente con una amplia variedad de compuestos y, por lo tanto, no se suelen utilizar para grandes aplicaciones de agua de refrigeración. Pueden ser muy efectivos para la limpieza fuera de línea del relleno de la torre de enfriamiento. (4)

La luz ultravioleta (UV) ha demostrado su eficacia para matar microorganismos en muchas aplicaciones, pero para grandes flujos donde el agua tiene una turbidez significativa, la luz puede no penetrar lo suficiente como para ser eficaz. Y, por supuesto, la luz ultravioleta no ofrece ningún efecto residual. Quizá investiguemos esta tecnología en un futuro artículo de Power Engineering.

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 ser extremadamente difícil eliminar la capa de limo que se genera. Los resultados posteriores incluyen una pérdida sustancial de la transferencia de calor en los condensadores y otros intercambiadores de calor, la posibilidad de corrosión debajo del depósito generada directa o indirectamente por las colonias y el ensuciamiento del relleno de la torre de enfriamiento. En la próxima parte de esta serie, examinaremos los biocidas no oxidantes como tratamiento complementario para el control microbiológico y macrobiológico.

Esta discusión representa una buena práctica de ingeniería desarrollada con el tiempo. Sin embargo, es responsabilidad de los propietarios de la planta, los operadores y el personal técnico implementar programas confiables basados ​​en consultas con expertos de la industria. Se incluyen muchos detalles adicionales en el diseño y el uso posterior de estas tecnologías que se pueden esbozar en un solo artículo.

Referencias

Acerca del autor: Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC, consultoría y redacción técnica/mercadeo. Más recientemente, se desempeñó como publicista técnico sénior en ChemTreat, Inc. Tiene más de cuatro décadas de experiencia en las industrias de tratamiento de agua industrial y energía, o apoyando a las mismas, 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, balances de energía y materiales y química inorgánica avanzada. Es autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas comerciales técnicas y ha escrito tres libros sobre química de centrales eléctricas y control de la contaminación del aire. Se le puede contactar en [email protected].