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4. Prácticas de análisis fisicoquímicos de laboratorio para control de procesos

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4.1 DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO TOTAL Y SOLUBLE Q.F.I. Armando Gómez Navarrete

Q.I. Beatriz Peña loera (Instructora)

Objetivo específico:

• De acuerdo a los puntos de muestreo predeterminados, el participante determinará la DQO total y soluble por el método de reflujo cerrado con lectura colorimétrica.

La determinación de la demanda química de oxígeno (DQO) proporciona la cantidad de oxígeno requerida para oxidar bajo condiciones específicas, la materia orgánica susceptible de oxidarse contenida en una muestra de agua. Se expresa en mg/L de oxígeno y proporciona una medida de la cantidad de sustancias oxidadas, bajo las condiciones en las que se efectúa esta prueba. 4.1.1 Significado sanitario La demanda química de oxígeno es un parámetro importante y rápido para determinar el grado de contaminación de corrientes, aguas residuales industriales además para el control de las plantas de tratamiento de aguas de desecho. Junto con la DBO, es útil para indicar la presencia de sustancias tóxicas y de sustancias orgánicas resistentes a la oxidación biológica. 4.1.2 Método de oxidación por dicromato de potasio Se han propuesto varias sustancias para la determinación de la DQO, pero se ha encontrado que la oxidación con el dicromato de potasio (K2Cr2O7) es más práctica, ya que es un oxidante potente en soluciones fuertemente ácidas; es capaz de oxidar una amplia gama de sustancias orgánicas casi completamente a dióxido de carbono y agua. Además, es un compuesto barato y puede ser obtenido en alto grado de pureza. Este método se basa en que muchos tipos de materia orgánica son destruidos por una mezcla de ácidos cómico y sulfúrico en ebullición. Consisten en someter una muestra que contenga materia orgánica a reflujo a 150 oC con estos oxidantes, generalmente se agrega un compuesto de plata como catalizador para promover la oxidación de móleculas orgánicas complejas y una sal de mercurio para reducir la interferencia de los cloruros en la oxidación por el dicromato. Los productos resultantes son dióxido de carbono, agua y el ión cromo en sus estados de oxidación.

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Después de que la oxidación se completa durante el reflujo cerrado la cantidad de ion dicromato Cr2O7-2 consumido se puede determinar como la cantidad remanente de ion Cr+6 o como la cantidad producida de ion crómico Cr+3 . Estas especies absorben color y se pueden determinar en la región de 420 y 600 nm. respectivamente. La determinación colorimétrica es más fácil y rápida, además no requiere reactivos adicionales. Durante la digestión los tubos se pueden observar con objeto de percibir cuando la oxidación se completa lo cual puede utilizarse para reducir los tiempos de reacción, pero requiere una homogeneización de las muestras que contiene sólidos suspendidos para obtener resultados reproducibles. Una de las principales limitaciones es su incapacidad para diferenciar la materia orgánica biológicamente oxidable de la inerte. Además, no proporciona una evidencia de la velocidad a la cual la materia biológicamente activa se estabilizaría en las condiciones que existen en la naturaleza. Su mayor ventaja es la rapidez con que se efectúa, ya que se necesitan al menos 3 horas para su determinación, en lugar de los 5 días que se requieren para medir la demanda bioquímica de oxígeno (DBO). 4.1.3 Relación entre DQO y DBO No es posible establecer relaciones fijas entre la DBO y la DQO antes de que una muestra haya sido determinada por ambos parámetros, sólo se podrá establecer si la muestra está compuesta principalmente por sustancias oxidables por ambos procedimientos. Cuando los desechos se caracterizan por el predominio de materia que puede ser química y no biológicamente oxidada, la DQO será mayor que DBO. En el caso que los desechos contengan sólo nutrientes orgánicos fácilmente degradables y no materia tóxica, entonces la DBO será mayor que la DQO, como en los desechos de las destilerías. Con ciertos desechos que contienen sustancias tóxicas, la DQO puede ser el único método para determinar la carga orgánica.

4.1.4 Procedimiento Para seguir el método de análisis CATMPF6-09, en el laboratorio encontrarán los tubos preparados conteniendo los reactivos indicados. Una vez tomadas las muestras de acuerdo al procedimiento de muestreo aprobado vigente, los pasos a seguir para la determinación de la DQO son:

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a) Homogenice la muestra.

b) Tome la alícuota de 2.5 mL de la muestra, y deposítela en el tubo rotulado

correspondiente.

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c) En el caso de la DQO soluble, filtre la muestra agitándola previamente.

d) Encender el reactor 20 minutos antes de colocar las muestras, para que se caliente a

150 °C.

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e) Coloque los tubos bien tapados y agitados en el reactor

f) Ajuste el cronómetro a 120 minutos para permitir la digestión de las muestras por el

reflujo

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g) Después de las dos horas, agite los tubos y permita que se enfríen .

h) Encienda el espectrofotómetro e introduzca el programa P 0 para leer la absorbancia

a 600 nm.

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i) Poner en la cavidad portaceldas, el adaptador para tubos

j) Antes de colocar cada tubo limpiarlo perfectamente y taparlo con el capuchón

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k) Ajuste con el tubo del blanco de reactivos, a cero la absorbancia y proceda a leer las absorbancias de los tubos de la curva estándar de calibración y muestras

l) Efectúe el análisis de regresión lineal con lo valores promedio de la absorbancia de

cada punto de la curva para obtener la expresión: y = (m*x) + b en donde para encontrar el valor de la concentración (y) de las muestras deberá sustituir el valor promedio de las absorbancias (x) en la ecuación.

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4.2 DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO I.Q. Elda Flores Contreras

QI. Beatriz Peña Loera

Objetivo específico:

• En una muestra de agua residual, el participante determinará la Demanda Bioquímica de Oxígeno

4.2.1 Generalidades La DBO5 mide la DBO de la parte soluble de la muestra. Esta medida es importante para los reactores de microorganismos inmovilizados tales como los filtros de goteo o los contactores biológicos rotativos. La reacción biológica puede representarse de la siguiente manera: Materiaorgánica+O2+Nutrientes CO2+nuevascelulas+H2O+residuosnobiodegradables La velocidad a la que ocurren las reacciones oxidativas de la DBO está regida por la población de microorganismos y la temperatura. La determinación analítica del laboratorio se realiza normalmente a una temperatura de 20°C, la cual se ha calculado como el valor promedio de los cuerpos de agua naturales. El proceso de oxidación se efectúa cuando los microorganismos sembrados utilizan la materia para obtener energía y para su crecimiento. El resultado es la utilización de oxígeno y el crecimiento de nuevos microorganismos. Se ha encontrado que aproximadamente el 70-80% de la DBO total se logra en 5 días, por consiguiente, el periodo de cinco días de incubación se ha aceptado como estándar. Las muestras se deben recolectar en frascos de vidrio o polietileno y analizarse inmediatamente, en caso contrario se deben conservar a 4°C y analizarse antes de 24 horas. Para realizar el análisis la muestra debe estar a 20°C. 4.2.2 Equipo

• Incubadora LabLine con control de temperatua a 20 +/- 1°C • Medidor de oxígeno disuelto con electrodo con agitación • Potenciómetro • Equipo de aireación

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4.2.3 Material

• 1 pipeta volumétricas de 10 mL • 1 pipeta volumetricá de 20 mL • 2 vaso de precipitados de 400 mL • 1 piceta • 1 vaso de precipitado de 2L • 1 charola

Nota: Todo el material utilizado en la determinación debe ser lavado con ácido sulfúrico al

10% y enjuagado con agua desionizada. 4.2.4 Reactivos

• Agua desionizada tipo II • Solución amortiguadora de fosfatos • Solución de sulfato de magnesio solución de cloruro de calcio • Solución de cloruro férrico • Solución de hidróxido de sodio 1N • Solución de Ácido sulfúrico 1N • Solución de sulfito de sodio

4.2.5 Procedimiento Las actividades de análisis que se realicen en esta práctica se deben hacer tomando en consideración lo indicado en el sistema de aseguramiento de calidad. Antes de iniciar la práctica es necesario que se lea la norma para la determinación de DBO5 en aguas naturales, residuales y residuales tratadas NMX-AA-028-2002. Las muestras que se utilizarán para realizar la práctica son las muestras tomadas en la práctica de muestreo para análisis de DBO5. A continuación, en la Tabla 4.1 se enlistan las diferentes variantes de DBO que se analizarán en cada tipo de agua residual, y enseguida los 14 procedimientos: Tabla 4.1 Tipo de agua y parámetros

Tipo de agua problema Parámetro a determinar Influente planta Solidaridad DBO5 Influente plata ECCACIV DBO5 Influente planta IMTA DBO5 Efluente sistema de cloración DBO5

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a) Preparar 5 litros de agua de dilución de acuerdo a la norma NMX-AA-028-SCFI-2001 y posteriormente poner a airear por lo menos 1 hora.

b) Dar a la muestra el pretratamiento necesario de acuerdo a lo especificado en la norma NMX-AA-028-SCFI-2001. La muestra debe de estar a temperatura ambiente al realizar el pretratamiento.

Es muy importante que el pH de las muestras se encuentre dentro de 6.5 y 7.5 unidades ya que los organismos responsables de la degradación de la materia orgánica generalmente ejercen su acción dentro de este rango.

c) Volumen apropiado de muestra del influente general de la planta de tratamiento del

IMTA para análisis de DBO5.

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d) Determinar las diluciones necesarias para cada una de las muestras tomando en

cuenta la concentración de la demanda química de oxígeno (obtenida anteriormente en la práctica de DQO). Las diluciones se deben determinar de tal manera que se obtenga una disminución de oxígeno disuelto de al menos 2 mg/L después de 5 días de incubación.

Tabla 4.2 Diluciones recomendadas para el análisis de DBO para diferentes tipos de agua

Tipo de desecho DBO5 mg/L Porcentaje de dilución

Volumen de muestras en 300 mL

Aguas residuales 100-500 1.0-5.0 3-15 mL Efluentes tratados 20-100 5.0-25.0 15-75 mL Aguas contaminadas de río 5-20 25.0-100.0 75-300 mL

e) Con pipetas volumétricas medir directamente el volumen necesario por cada

dilución que se pretenda hacer en botellas Winkler tipo DBO de 300 mL; llenar los frascos Winkler con agua de dilución hasta rebosar para que el tapón pueda colocarse sin dejar burbujas de aire. Preparar cada dilución por duplicado.

f) Preparar un blanco de agua de dilución sin inóculo. g) Preparar el estándar de ácido glutámico-dextrosa y sus diluciones de acuerdo a la

norma NMX-AA-SCFI-2001. h) Calibrar el oxímetro. i) Determinar el oxígeno disuelto después de 15 minutos de haber llenado los frascos

con agua de dilución esperar a que se estabilice la lectura, anotarla, tapar con el tapón de vidrio y posteriormente con un globo.

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j) Incubar las muestras a 20 ± 1 oC durante 5 días. Durante el tiempo de incubación es necesario que la temperatura de la incubadora permanezca a la temperatura establecida ya que los cambios de temperatura producirán un aumento o reducción de la velocidad de reacción.

k) Transcurridos los cinco días determinar la concentración de oxígeno disuelto.

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4.3 DETERMINACIÓN DE SÓLIDOS SUSPENDIDOS TOTALES Y VOLATILES

MI. Hortensia Ruiz Magallanes Q. I. Beatriz Peña Loera (Instructora)

Objetivos específicos:

• En el licor mezclado como parámetro de control de un sistema

de tratamiento, el participante estimará la cantidad de sólidos suspendidos totales y volátiles.

• En una muestra utilizando la técnica de análisis de sólidos suspendidos totales y volátiles, el participante obtendrá la concentración de sólidos.

4.3.1Generalidades La determinación de sólidos en aguas residuales es en general muy importante, ya que los sólidos totales son los que en mayor grado imparten las características negativas al agua y por tanto, en base a su concentración se definen los procesos empleados para su tratamiento. Los sólidos pueden clasificarse según su tamaño y estado en:

• Sedimentables • Suspendidos • Coloidales o disueltos.

Los sólidos sedimentables son aquellos removidos en un procedimiento estándar de sedimentación. Los sólidos en suspensión son partículas discretas que se miden al filtrar una muestra a través de un papel filtro de poro fino. Los sólidos coloidales o disueltos totales se deben a materiales solubles. Con respecto a las características químicas, los sólidos se clasifican en:

• Volatiles • Fijos

Los primeros se volatilizan a temperaturas de 550 °C y su determinación consiste en un método en el que la materia orgánica es convertida a CO2, H2O y NH3 por lo que la perdida de peso se interpreta en términos de materia orgánica.

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Los sólidos fijos representan la fracción mineral de la muestra. La determinación de sólidos es muy importante dentro del contexto de la operación de plantas de tratamiento porque ello define las características específicas del agua que se tiene en los diferentes

procesos del tratamiento y cada uno tiene asociado un rango. Así, por ejemplo, la concentración de sólidos suspendidos totales en el licor mezclado se determina con la concentración de sólidos en suspensión. Sin embargo, algunos sólidos en suspensión pueden ser inorgánicos, y es precisamente la concentración de sólidos suspendidos volátiles la que constituye una determinación de la materia combustible presente, a menudo referida como concentración de biomasa.

4.3.2Material y Equipo

• 12 Filtros gooch con fibra de vidrio y a peso constante • Pinzas para crisol • 1 matraz kitasato con accesorios • 1 desecador con deshidratante e indicador • 2 matraces volumétricos clase “A” 250 mL • Balanza Analítica • Bomba vacío • Mufla • Estufa

4.3.3 Reactivos

• Solución estándar sólidos • Carbonato calcio secado 4 hr a 250 °C • Almidón • Agua desionizada

4.3.4 Procedimiento Debido al largo periodo de tiempo que implica poner a peso constante el filtro gooch, esta práctica se diseñó para iniciar la filtración de la muestra, sin embargo, no hay que perder de vista que el cuidado en la manipulación de tarar los crisoles es crítica para el proceso. El participante podrá consultar el procedimiento de sólidos suspendidos, volátiles y fijos, CAQAF6-34 puntos 11.1 a 11.1.5 para conocer los pasos involucrados al tarar un filtro gooch.

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a) Obtener una muestra del licor mezclado de los reactores Eckenfelder o de la planta de tratamiento.

b) Montar el equipo de vacío, bomba y matraz kitasato con su alargadera: con ayuda

de las pinzas, colocar el filtro gooch sobre el matraz kitasato, asegúrese de no tocar el filtro con las manos ni golpearlo, ya que esto interfiere en el peso.

c) Humedecer el filtro de fibra de vidrio con agua deionizada.

d) Agitar repetidas veces por inversión la muestra.

e) Inmediatamente después de agitar, mida con una probeta un volumen de muestra, este volumen deberá ser tal que no sobresature el filtro de fibra de vidrio, si se trata por ejemplo de licor mezclado o algún tipo de lodo se aconseja tomar aproximadamente 10 mL. Registrar este volumen.

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f) Filtrar el volumen de muestra separado o hasta que el filtro este lleno de sólidos, enjuagar con suficiente agua deionizada la probeta en la que se midió la muestra y filtrar también esta agua de enjuague para evitar perdida de sólidos. Suspender el vacio hasta drenar totalmente el agua.

g) Preparar el estándar: Pesar aproximadamente 0.0252 gr de carbonato de calcio y 0.0252

gr de almidón, agregue 50 mL de la solución estándar de sólidos y afore a 500 mL con agua deionizada, procesarlo igual que al resto de las muestras.

h) Evaporación. (SST)

- Colocar los filtros en la estufa y secar a una temperatura de 103 a 105 °C durante dos hrs, pasar el filtro al desecador hasta que alcance temperatura ambiente.

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- Determinar el peso G2 y repetir el proceso hasta obtener peso constante, consultar procedimiento CAQAF6-34.

(P. Menor x 100 / P. Mayor - 100) < 0.005

i) Calcinación (SSV)

- Introducir los filtros con el residuo de la muestra a la mufla a 550 ±25 °C durante 20 min.

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- Dejar que la temperatura de la mufla sea inferior a 200 °C para abrirla y pasar

los filtros a un desecador para que alcancen temperatura ambiente.

- Determinar el peso G3y repetir el proceso hasta alcanzar peso constante. j) Cálculos: Consultar el procedimiento de sólidos suspendidos totales, volátiles y

fijos para realizar los cálculos correspondientes a la concentración de SST y SSV. NOTA: Este análisis debe incluir los controles de calidad que avalen los resultados del análisis: blanco, estándar, duplicado y muestra adicionada.

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4.4 DETERMINACIÓN DE NITRÓGENO AMONIACAL I. Q. Elda Flores Contreras

I.Q. María de los Ángeles Farfán Guerrero

Objetivo específico:

• Utilizando análisis por flujo segmentado basado en la reacción modificada de Berthelot, el participante determinará el nitrógeno amoniacal en muestras de agua en forma automatizada

4.4.1 Generalidades El nitrógeno en la naturaleza puede aparecer en 7 estados de oxidación diferentes. Desde el punto de vista de la calidad de las aguas son de interés únicamente el nitrógeno orgánico, el amoniaco, los nitratos y nitritos. Los efectos tóxicos directos de las distintas formas del N son variables: el nitrógeno amoniacal no tiene efectos apreciables sobre la salud salvo a altas concentraciones. Los nitratos son responsables de la aparición en niños de la metaglobinemia (oxidación de los glóbulos rojos). En cualquier caso, tanto los nitratos y los nitritos como el amonio, son causantes de la eutrofización de las aguas. El análisis de nitrógeno ha sido practicado desde que el hombre se convenció que el agua puede transmitir enfermedades. Durante mucho tiempo el análisis de éste ha sido una base de juicio para determinar la calidad sanitaria del agua. Previo al desarrollo de las pruebas bacteriológicas para determinar la calidad del agua, las personas encargadas de la salud pública dependieron de pruebas químicas para identificar la presencia de contaminación. En esta práctica se determinará una forma de nitrógeno amoniacal: El nitrógeno total es la suma de las concentraciones de nitrógeno Kjeldahl (nitrógeno orgánico más nitrógeno amoniacal), nitritos y nitratos. Para poder cuantificar la cantidad de nitrógeno orgánico presente en el agua cruda es necesario oxidar el nitrógeno orgánico a nitratos. La oxidación se realiza mediante una digestión con persulfato de potasio y luz ultravioleta. Una vez formados los nitratos, se sigue el método de reducción de nitratos a nitritos por medio de una columna de cadmio granulado.

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Los nitritos (originalmente presentes en la muestra más los nitratos reducidos) se determinan diazotizando con sulfanilamida y á-naftilendiamina dihidroclorada para formar un complejo coloreado o rosa cuya intensidad se mide a 540 nm.

4.4.2 Equipo

• Analizador de flujo segmentado marca Skalar • Guantes • Bata • Lentes de seguridad para laboratorio

4.4.3 Reactivos

• Solución salicilato de sodio • Solución nitroferrocianuro de sodio • Solución dicloroisocianurato de sodio • Solución Brij • Solución patrón “A” de 100 mg/L de NH4 CL • Solución patrón “B” de 100 mg/L de NH4 CL • Agua desionizada tipo

Nota: Los reactivos son preparan de acuerdo al procedimiento CATMPF6-01. 4.4.4 Material 7 matraces volumétricos clase “A” de 100 mL 1 matraces volumétricos clase “A” de 50 mL 8 frascos o botellas con tapa de 1000 mL 2 pipetas volumétricas clase “A” de 4 mL 2 pipetas volumétricas clase “A” de 2 mL 1 pipetas volumétricas clase “A” de 10 mL 1 pipetas volumétricas clase “A” de 20 mL 1 pipetas volumétricas clase “A” de 25 mL 5 vaso de precipitado 1 perilla 1 piceta 2 pipetas pasteur 4.4.5 Procedimiento Para la realización de esta práctica se requiere la lectura de un procedimiento: CATMPF6-01. La práctica se realizará en: N-NH3

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A) Análisis de N-NH3: a) Poner a temperatura ambiente las muestras para análisis de N-NH3 tomadas en la

práctica de muestreo.

b) Preparar la curva de calibración para el análisis de N-NH3 siguiendo el procedimiento CATMPF6-01.

c) Determinar la concentración teórica de N-NH3 que se adicionará a la muestra

fortificada y al estándar de control interno. De acuerdo al procedimiento CATMPF6-01 preparar estos controles y los faltantes para realizar el análisis.

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d) Con el apoyo del instructor analizar las muestras y los controles de calidad.

B) Análisis de N-NH3 e) Agitar perfectamente las muestras y verificar que no contengan sólidos que pudieran

tapar las mangueras del analizador de flujo segmentado.

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f) Calcular el por ciento de recuperación del estándar de control, muestra adicionada y

por ciento de diferencia de duplicados. Anotar los resultados obtenidos en la Tabla 4.1 y verifique que estos se encuentren dentro del rango de aceptación. Si todos los resultados cumplen con los rangos de aceptación sus resultados son confiables.

Tabla 4.1

Dictamen Parámetro Rangos de

aceptación Valor Cumple No cumple

r2 > 0.99 % recuperación ECI 80-120 % de diferencia de duplicados

≤ 20

% de recuperación de la muestra adicionada

80-120