calidad del agua domiciliaria. experiencia de aprendizaje en el

1 CALIDAD DEL AGUA DOMICILIARIA. EXPERIENCIA DE APRENDIZAJE EN EL
TRANSCURSO DE UN PROYECTO DE INVESTIGACIÓN: APLICACIÓN DEL
MÉTODO CIENTÍFICO.
López Sardi, Estela Mónica. Mirensky, Natacha. Iaconis, Máximo. Broitman, Alejo.
Grupo de Investigación en Ingeniería Sustentable (GIIS). Facultad de Ingeniería.
Universidad de Palermo.
[email protected] – 15 3 338 8098
RESUMEN
El plan de estudios correspondiente a la carrera Ingeniería Industrial en la Universidad de
Palermo, incluye la obligatoriedad, por parte de los estudiantes, de cursar dos materias
denominadas electivas. Dentro de la oferta académica disponible, existe la posibilidad de
que los alumnos participen como investigadores auxiliares en los proyectos de investigación
que se desarrollan en el ámbito de la Facultad, obteniendo un crédito por cada cuatrimestre
de colaboración activa. En este marco se desarrolla el proyecto de investigación
denominado “El agua como recurso y necesidad vital”, el cual enfoca el problema del agua
en forma integral, desde los aspectos vinculados a la Ingeniería Sanitaria hasta los
relacionados con la Ingeniería Sustentable y Ambiental. El presente trabajo se basa en
experiencias realizadas por docentes y estudiantes, al analizar la incidencia del
mantenimiento de cañerías y tanques, en la calidad del agua domiciliaria. El parámetro
evaluado fueron los sólidos disueltos, mediante técnicas conductimétricas.
Palabras clave: agua potable; conductividad del agua; sólidos disueltos; método científico.
INTRODUCCIÓN
Objetivos del trabajo
Al enfrentar el estudio de la calidad del agua domiciliaria, los estudiantes plantearon la
siguiente hipótesis:
“En los edificios de la Ciudad de Buenos Aires, la falta de mantenimiento de cañerías y de
limpieza de tanques, puede aumentar la cantidad de sustancias disueltas en el agua en el
domicilio del usuario, con respecto al agua suministrada por la empresa potabilizadora.”
Para probar la hipótesis planteada, se diseñó un experimento que incluyó la toma de
muestras en distintos edificios a dos niveles: una de ellas, de la canilla que existe en la
entrada del edificio y que procede directamente de la red de suministro, y la segunda
muestra, en la cocina de un departamento perteneciente al edificio. Se recolectaron de este
modo, quince muestras. Para evaluar la cantidad de sólidos disueltos en las muestras, se
recurrió a la medición de la conductividad eléctrica de las mismas.
El presente trabajo tiene los siguientes objetivos:
 Describir la experiencia realizada y los resultados, que condujeron a una conclusión
muy diferente a la hipótesis planteada al inicio de la investigación.
 Poner de manifiesto cómo la aplicación de las etapas básicas del método científico,
permitió a los investigadores avanzar hacia la búsqueda de una respuesta frente al
fenómeno observado.
 Describir una experiencia de interés para los estudiantes de Ingeniería Industrial, que
permitió su acercamiento a los métodos físico-químicos de análisis.
2 La conductividad eléctrica
La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo para permitir el paso de la corriente
eléctrica. La conductividad es la inversa de la resistividad:
σ=1/ρ
Sus unidades son:
S / cm = Ω-1 . cm-1 = [Siemens / centímetro] = [ 1/ (ohm.cm)]
Sin embargo, la unidad más utilizada para este tipo de determinaciones es el μS/cm, que
equivale a 10-6 S/cm.
El agua pura es mala conductora de la corriente eléctrica, mientras que las soluciones
acuosas presentan buena conductividad, la cual está determinada por la presencia de sales
iónicas disueltas. Este tipo de conductores iónicos en estado líquido se denominan
electrolitos. Así, la conductividad de las soluciones resulta ser directamente proporcional a la
concentración de sólidos disueltos en el agua. Por este motivo, las medidas de
conductividad del agua se utilizan como parámetro para evaluar la cantidad de sólidos
disueltos totales (TDS, por su sigla en inglés) y la dureza del agua.
La conductividad del agua se determina por un movimiento iónico. Como la temperatura
afecta dicho movimiento, se deben efectuar correcciones cuando se realizan mediciones de
precisión. La temperatura estándar para expresar los resultados es de 25°C. El coeficiente β
de corrección es de 2% / °C. Los equipos electrónicos disponibles para este tipo de
mediciones, pueden tener incorporado un sensor de temperatura que realiza
automáticamente las correcciones sobre los valores observados.
Tanto los sólidos disueltos como la dureza del agua (producida por la presencia de iones
Ca2+ y Mg2+), se expresan generalmente en °F (Grados Franceses) o en ppm. Estas
unidades evalúan la totalidad de los compuestos disueltos en el agua comparándolos con el
efecto producido por una cantidad equivalente de carbonato de calcio (CaCO 3 ) como único
soluto:
10 ppm = 1 ° F = 1 mg/ L de CaCO 3
La correlatividad entre las medidas de conductividad y los TDS se establece mediante la
ecuación:
K . c = TDS
Donde K es la conductividad y c es el coeficiente de correlación a temperatura estándar. Se
suele adoptar como valor de equivalencia 2 μS/cm = 1 ppm, por lo que c resulta tener un
valor de 0,5 ppm / (μS/cm).
La siguiente tabla detalla los valores de conductividad eléctrica esperados para distintos
tipos de agua, referidos a la temperatura estándar de 25°C.
TIPO DE AGUA
Agua ultrapura
Agua destilada
Agua de montaña
Agua potable
Agua de mar
Agua salobre
CONDUCTIVIDAD
0,055 μS/cm
0,5
μS/cm
1,0
μS/cm
500 a 800 μS/cm
56
mS/cm
100
mS/cm
Tabla 1. Tipos de Agua y su Conductividad.
3 PRIMERA EXPERIENCIA
Hipótesis
Al enfrentar el estudio de la calidad del agua domiciliaria, los estudiantes plantearon la
siguiente hipótesis:
“En los edificios de la Ciudad de Buenos Aires, la falta de
mantenimiento de cañerías y de limpieza de tanques, puede aumentar la cantidad de
sustancias disueltas en el agua en el domicilio del usuario, con respecto al agua
suministrada por la empresa potabilizadora.”
Prueba de la hipótesis: Experimentación.
Para probar la hipótesis planteada, se diseñó un experimento que incluyó la toma de
muestras en distintos edificios a dos niveles: una de ellas, de la canilla que existe en la
entrada del edificio y que procede directamente de la red de suministro, y la segunda
muestra, en la cocina de un departamento perteneciente al edificio. Se recolectaron de este
modo, quince muestras.
Para la toma de muestras se utilizaron envases de plástico polipropileno, de 100 cm3,
estériles. Para asegurar la homogeneidad de las muestras e impedir su contaminación, se
utilizó el siguiente procedimiento:
1.- Hisopado de la canilla con un algodón embebido en alcohol y posterior flameado de la
canilla.
2.- Se dejó correr el agua durante 5 minutos.
3.- Se enjuagó dos veces el envase con el agua de la canilla.
4.- Se llenaron a tope los envases y se procedió al cierre.
5.- Las muestras se conservaron refrigeradas hasta el momento del análisis.
Las muestras se trasladaron al laboratorio, donde se realizó la medición de la conductividad
de cada una de ellas. Se utilizó el instrumento Conductivity Sensor PASPORT PASCO PS
2116A. Las mediciones arrojadas por el instrumento son captadas y analizadas mediante
aplicación del software Data Studio y referidas a la temperatura estándar de 25°C.
El conductímetro fue calibrado con agua ultrapura (tridestilada, Calidad HPLC), de
conductividad 0,055 μS/cm; y con solución estándar de cloruro de potasio (KCL 0,01 M) de
conductividad 1408,83 μS/cm. Las lecturas obtenidas se pueden ver en la siguiente tabla:
N° MUESTRA
1
2*
3*
4*
5
6
7
8**
9
10
11
12
13
14
15
CONDUCTIVIDAD NIVEL 1
TDS
CONDUCTIVIDAD NIVEL 2
(AGUA DE RED) EN μS/cm (ppm) (DEPARTAMENTO) EN μS/cm
320
160
556
669
334,5
619
669
334,5
654
669
334,5
576
516
258
514
524
262
507
646
323
652
1490
745
1190
877
438,5
498
887
443,5
516
688
344
629
602
301
617
573
286,5
561
571
285,5
575
582
291
592
Tabla 2. Resultados de la Primera Experiencia.
TDS
(ppm)
278
309,5
327
288
257
253,5
326
595
249
258
314,5
308,5
280,5
287,5
296
*Las muestras 2,3 y 4 se tomaron en tres departamentos distintos de un mismo edificio.
**Este edificio sufrió un corte de agua de 24 hs previo a la toma de muestra, lo que podría explicar los valores
anormalmente altos de conductividad observados.
4 Los resultados del cuadro anterior, se visualizan en la figura siguiente. En el eje de
ordenadas se representan los valores de TDS para cada muestra a Nivel 1(agua de red) y a
Nivel 2 (departamento).
Figura 1. Resultados de la Primera Experiencia.
Refutación de la hipótesis (antítesis):
Los resultados de la medición presentaron una tendencia opuesta a la esperada, dado que,
en el 67% de los casos (10 muestras sobre 15), se observó un descenso en la
conductividad del agua en las muestras tomadas en el interior de los departamentos, en
algunos casos notable, con respecto a las muestras tomadas a nivel de la calle.
Conclusión de la Primera Experiencia:
La hipótesis planteada inicialmente, no representa en absoluto una tendencia general, ya
que la cantidad de sustancias disueltas en el agua del domicilio de los usuarios presenta,
en el 67% de los casos, valores de conductividad menores que los observados en el agua
que procede directamente de la red de suministro. Por lo tanto, la tendencia más marcada,
aunque no general, es hacia la disminución en los TDS del agua de red, durante su pasaje
por las instalaciones (cañerías y tanques) de los edificios.
SEGUNDA EXPERIENCIA
Una nueva hipótesis
Los resultados de la experiencia anterior, impulsaron al grupo de investigadores a proponer
una nueva hipótesis, que justifique el descenso observado, y a planificar un segundo
experimento, para probarla o rechazarla.
5 Esta segunda hipótesis fue: “El depósito de sedimentos en los tanques de agua,
consecuencia de la falta de limpieza, puede adsorber u ocluir a los solutos del agua, lo que
se traduce en un descenso de la conductividad eléctrica de las segundas muestras con
respecto a las primeras.”
Prueba de la hipótesis: Experimentación
Se diseñó una experiencia que consistió en observar los efectos de diferentes sustancias
sedimentables sobre la conductividad de la solución estándar de cloruro de potasio (primera
parte) y sobre la conductividad de una muestra de agua domiciliaria tomada en el interior del
laboratorio (segunda parte).
Se trató de replicar, en el laboratorio y a pequeña escala, las condiciones de un tanque de
agua que contiene sedimentos varios, fruto de la falta de higiene. Se seleccionaron como
sustancias sedimentables a usar durante la experiencia, arena, tierra (humus), arcilla y una
mezcla de masas equivalentes de las tres. La elección de estas sustancias en particular,
surgió luego de investigar la composición habitual de los sedimentos químicos presentes en
tanques de agua carentes de limpieza frecuente.
Las muestras se prepararon en recipientes de plástico polipropileno estériles. En todos los
casos se colocaron 10 g del sedimento en el fondo del recipiente y luego se introdujeron 100
cm3 de la solución estándar de KCl, en forma turbulenta, de forma de imitar las condiciones
de entrada de agua a los tanques durante la carga. La medición de la conductividad se
realizó en dos oportunidades: a los 10 minutos y a los 20 minutos luego de la introducción
del líquido. Las diferencias entre los valores observados en ambas mediciones se justifican
por la distinta movilidad iónica en la solución, influida por la acción de la gravedad sobre las
partículas sedimentables.
Primera parte:
Acción de los sedimentos sobre la conductividad de solución estándar de cloruro de
potasio.
Los efectos de la presencia de sedimentos en el fondo del recipiente, sobre la conductividad
de la solución estándar de cloruro de potasio se muestran en la siguiente tabla:
SEDIMENTO
Sol. STD. pura
Sol. STD + Arena
Sol. STD + Humus
Sol. STD + Arcilla
Sol. STD + Mezcla
CONDUCTIVIDAD A LOS 10 MIN.
(μS/cm)
1408,83
1357,8
1348,5
1288,1
1325,0
CONDUCTIVIDAD A LOS 20 MIN.
(μS/cm)
1408,83
1197,6
1186,0
1151,2
1179,1
Tabla 3. Influencia de los sedimentos sobre la conductividad de la solución estándar.
Los gráficos que siguen, realizados con el software Data Studio en tiempo real durante la
medición, ilustran las medidas de conductividad de las muestras, iniciadas a los 10 y a los
20 minutos de agregada la solución.
6 Figura 2. Conductividad a los 10 minutos.
Figura 3. Conductividad a los 20 minutos.
7 Segunda parte:
Acción de los sedimentos sobre la conductividad del agua potable.
Los efectos de la presencia de sedimentos en el fondo del recipiente, sobre la conductividad
de una muestra de agua potable se muestran en la siguiente tabla:
SEDIMENTO
Agua potable
Agua potable + Arena
Agua potable + Humus
Agua potable + Arcilla
Agua potable + Mezcla
CONDUCTIVIDAD A LOS 10 MIN.
(μS/cm)
276,2
236,6
204,1
174,1
197,1
CONDUCTIVIDAD A LOS 20 MIN.
(μS/cm)
276,2
157,8
181,0
183,4
178,7
Tabla 4. Influencia de los sedimentos sobre la conductividad del agua potable.
A continuación, los gráficos que ilustran las medidas de conductividad de las muestras,
iniciadas a los 10 y a los 20 minutos de agregada el agua potable.
Figura 4. Conductividad a los 10 minutos.
8 Figura 5. Conductividad a los 20 minutos.
Demostración de la hipótesis
Los resultados obtenidos en la segunda etapa de experimentación, permiten afirmar que, en
el 100% de los casos observados, la presencia de sedimentos depositados en el fondo de
los recipientes afectó la conductividad de las soluciones, provocando un marcado descenso
de esta propiedad. La explicación que los investigadores proponen es que los sedimentos
están compuestos por sustancias capaces de adsorber algunos de los iones disueltos en el
agua, provocando de este modo la disminución de TDS en la solución.
Para afirmar los resultados experimentales, se trabajó a continuación, en la búsqueda de
antecedentes y de experiencias de otros investigadores sobre el fenómeno observado.
La adsorción es un fenómeno mediante el cual, átomos, iones o moléculas quedan
atrapadas o retenidas sobre la superficie de un sólido (adsorbente). El motivo por el cual se
produce este fenómeno, está vinculado con la discontinuidad de enlaces químicos que
ciertos materiales presentan en su superficie. En el interior del material todos sus enlaces
químicos (ya sean iónicos, covalentes o metálicos) se encuentran satisfechos. Por
definición, la superficie presenta una discontinuidad de esos enlaces. Por este motivo el
proceso de adsorción de un adsorbato (que viene a completar esos huecos de enlace), es
energéticamente favorable y por lo tanto, espontáneo. Los lugares en que se produce la
adsorción se conocen como nanoporos o sitios activos.
La cinética de la adsorción superficial en sólidos, ha sido estudiada por Langmuir, quien, en
términos sencillos, expresa que al agitar un sólido finamente dividido en una solución, se
puede observar una disminución en la concentración del soluto en la solución. La cantidad
de sustancia adsorbida o adsorbato, identificada por m, a temperatura constante, será
calculada por la expresión:
1/m = 1/b + 1/ (b K)
9 En esta expresión b representa una constante experimental para el sistema y K es la
constante de equilibrio para la adsorción, calculada en función de las fracciones molares de
los sitios activos ocupados en la superficie del adsorbente, θ, y de sitios activos libres sobre
dicha superficie, (1- θ). Entonces:
K = θ / (1 – θ)
Se encontró abundante información sobre la capacidad de adsorción de iones que poseen
las arcillas, arenas y otros sedimentos, en relación al estudio de las propiedades de los
suelos (edafología), la calidad de los recursos hídricos y la depuración de aguas mediante el
uso de lodos activos. Para citar un ejemplo, haremos referencia a García Romero (2010),
quien expresa que “…Algunas arcillas encuentran su principal campo de aplicación en el
sector de los absorbentes ya que pueden absorber agua u otras moléculas en el espacio
interlaminar (esmectitas) o en los canales estructurales (sepiolita y paligorskita). La
capacidad de absorción está directamente relacionada con las características texturales
(superficie específica y porosidad) y se puede hablar de dos tipos de procesos que
difícilmente se dan de forma aislada: absorción (cuando se trata fundamentalmente de
procesos físicos como la retención por capilaridad) y adsorción (cuando existe una
interacción de tipo químico entre el adsorbente, en este caso la arcilla, y el líquido o gas
adsorbido, denominado adsorbato)…” También están largamente probadas las capacidades
de adsorción de la bentonita, usada como agente clarificante en múltiples industrias.
Actualmente se aplican también como adsorbentes otras arcillas, entre ellas la sepiolita y la
paligorskita. Así mismo, existen múltiples usos prácticos, para los adsorbentes de sílice o
arenas de adsorción.
Conclusión de la Segunda Experiencia
En razón de los resultados obtenidos, se elaboró la siguiente conclusión: “Sustancias tales
como la arena, las arcillas y la tierra (humus) han demostrado tener un importante efecto de
adsorción sobre los iones de las sales que componen los TDS del agua potable, provocando
un marcado descenso en la conductividad eléctrica de la solución”
A partir de la anterior conclusión, se formula la siguiente explicación para los resultados de
la primera experiencia: “Suponer la presencia de sedimentos depositados en el fondo de los
tanques de agua de algunos de los edificios en los que se tomaron las muestras, permite
explicar el descenso de la conductividad eléctrica observado en el 67% de los casos
analizados durante la primera experiencia. Cómo el estado sanitario no es el mismo en
todos los edificios, este descenso presenta variaciones en su magnitud en las diferentes
muestras evaluadas.”
Referencias y bibliografía




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CASTELLÁN, G. (1978) "Fisicoquímica". 2da edición. Fondo Interamericano S.A.,
México.
FARRINGTON D. (1984) "Tratado de Fisicoquímica". 2da edición. Ed. Continental,
México.
GARCÍA ROMERO, E. (2010) “Las arcillas, propiedades y usos” Universidad
Complutense de Madrid.
http://www.uclm.es/users/higueras/yymm/arcillas.htm
KOLTHOFF, I. M.; SANDELL, E. B.; MEEHAN, E. J. ; BRUCKENSTEIN, S. (1979)
“ Análisis químico cuantitativo”. 5ta edición. E. Nigar, Buenos Aires.
MEDINA, CANDAL, LUTHER, DO SANTOS AFONSO. (2011) “Caracterización de
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Química y Química Inorgánica.
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MYERS, A. L. (2004) “Thermodynamics of Adsorption. Chemical Thermodynamics
for Industry”. Ed. T. M. Letcher.
RODIER, J. (2009) “Análisis del agua”, 9na edición, AMV Ediciones, Madrid.
Agradecimientos
Nuestro agradecimiento al Sr. Decano de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de
Palermo, Ing. Esteban di Tada, por el constante apoyo a nuestro Grupo de Investigación en
Ingeniería Sustentable (GIIS).
Agradecemos a la Lic. Patricia González, Secretaria Académica de la Facultad, por su
impulso, entusiasmo y participación.
Queremos destacar también el esfuerzo y la dedicación de los alumnos de Ingeniería
Industrial Manuel Ricca, José Seoane y Ricardo Pesce, colaboradores activos del proyecto.