4. Prácticas de análisis fisicoquímicos de laboratorio para control de

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.
81
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
82
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
Influente planta Solidaridad
Influente plata ECCACIV
Influente planta IMTA
Efluente sistema de cloración
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Parámetro a determinar
DBO5
DBO5
DBO5
DBO5
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
Aguas residuales
Efluentes tratados
Aguas contaminadas de río
100-500
20-100
5-20
Porcentaje de
dilución
1.0-5.0
5.0-25.0
25.0-100.0
Volumen de
muestras en 300 mL
3-15 mL
15-75 mL
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)
k)
o
Incubar las muestras a 20 ± 1 C 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.
Transcurridos los cinco días determinar la concentración de oxígeno disuelto.
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4.3
DETERMINACIÓN
VOLATILES
DE
SÓLIDOS
SUSPENDIDOS
TOTALES
Y
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.
91
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.
94
-
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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j)
-
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.
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.
96
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: CATMPF601.
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.
99
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.
100
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
Parámetro
r2
% recuperación ECI
% de diferencia de
duplicados
% de recuperación de la
muestra adicionada
Rangos de
aceptación
> 0.99
80-120
≤ 20
80-120
101
Valor
Dictamen
Cumple
No cumple