Capítulo 7: Residuo Seco

7.1. Introducción

Ya hemos indicado cuál es el mecanismo físico-químico de la disolución de las sales en el agua que circula por la superficie o por las capas interiores de la tierra. En todo caso, estas aguas tienden hacia un equilibrio físico-químico con las rocas por las que circulan.

Ahora bien, el alcanzar este equilibrio supone un tiempo más o menos largo, de acuerdo con la naturaleza del terreno, estado de división del mismo, temperatura del agua, diferencia de concentración en sales entre el terreno y el agua y, en fin, todos los factores ya enunciados en otro capítulo de esta obra, que condicionan este equilibrio.

En términos generales, hablamos de «residuo» cuando nos referimos a la materia sólida en suspensión o disuelta en el agua. El residuo puede afectar sensiblemente a la calidad de un agua y, por tanto, limitar sus usos. Las aguas altamente mineralizadas, es decir, con elevado residuo, no son aceptadas para bebidas, comunican sabor al agua y pueden producir irritación gastrointestinal en usos domésticos y algunos usos industriales específicos.

El término “residuo total” se aplica a la materia restante tras la evaporación de una muestra de agua y su secado a una temperatura determinada de 110ºC. El residuo total incluye al “residuo no filtrable”, que es el que queda retenido en el filtro, y al “residuo filtrable”, que es el que lo atraviesa. Estos dos términos se corresponden con el de sólidos o residuos en suspensión y disueltos, respectivamente.

Las cantidades de sustancias disueltas en el agua de un mismo río varían en los distintos meses del año, siendo también notables las variaciones dentro de una misma corriente, sin que se pueda establecer reglas fijas, ya que el río, en determinados tramos de su recorrido, puede ser alimentado por aguas de escorrentía o por aguas de fuentes o manantiales, las cuales están mucho más cargadas en sales debido a su más prolongado e íntimo contacto con el terreno y, por tanto, no se puede prever fácilmente la cantidad de estas. Es, pues, una cuestión de proporción relativa entre el agua de escorrentía y el agua de las fuentes.

Ya hemos indicado cómo un aumento de la tensión del anhídrido carbónico en un agua cargada de sulfato cálcico, provoca una disolución de carbonato cálcico y a su vez una precipitación de sulfato cálcico por aumento del ión calcio.

La temperatura, aparte de influir en un efecto de concentración mediante la evaporación del agua, facilita también la descomposición de elementos de rocas y su consiguiente solubilización. En general, la cantidad de materias transportadas por disolución por una corriente de agua, es función:

• De la naturaleza geológica de la cuenca de alimentación.
• De la pluviometría.
• De la temperatura del agua.
• Del soleamiento.
• Del caudal total de la corriente transportada.

En el caso de un afluente que va a desembocar en un lago o embalse, las sales disueltas que el mismo lleva, influyen notablemente en las características del mismo, ya que desde el punto de vista biológico, unas sustancias pueden ser nutritivas y otras tóxicas, siendo por tanto sustancias importantes en la vida del lago y pudiendo por un problema de ausencia modificar cualitativa y cuantitativamente la repartición de los organismos. La naturaleza de las materias disueltas depende de la cuenca de alimentación, pero en todo caso, unas u otras al disolverse en el agua modifican las propiedades físicas de la misma, entre ellas la densidad, lo que hace que se modifique a su vez la del lago o embalse.

Dejando a un lado las causas que producen estos hechos, podemos clasificar los ríos, con arreglo a su contenido en materia disuelta a lo largo de los mismos, en tres clases:

a) Ríos en los que el residuo seco no varía a lo largo de su curso. Son en general de corto recorrido, muy cargados en sales y ya en el nacimiento, sus aguas están muy próximas al equilibrio. Los iones que se encuentran en mayor cantidad son el sulfato y el calcio.

b) Ríos en los que el residuo seco aumenta a lo largo de su curso. A este apartado pertenece la mayoría de ellos; en su nacimiento sus aguas son muy puras y agresivas, teniendo una capacidad muy grande de disolver sales.

c) Ríos cuyo residuo seco disminuye a lo largo de su curso. Son, en general, ríos con varios afluentes capaces de disminuir las sales disueltas por dilución.

La variación estacional es diferentemente acusada de unos ríos a otros, siendo en general más concentradas las aguas en verano, como consecuencia de la máxima evaporación (concentración), por la disminución de caudal, mantenido este principalmente por los manantiales y fuentes y por el aumento de la temperatura del agua, con el consiguiente incremento de la solubilidad de las sales. Como se ve, la cantidad de residuo seco es muy variable de unos meses a otros, dependiendo, además de lo dicho anteriormente, de la posibilidad de que haya lluvias entre una y otra estación de muestreo.

La influencia de la disminución de caudal en relación con el residuo, se demuestra al hallar la correlación entre el aforo del río y el residuo fijo.

Es interesante la relación entre la materia disuelta y la suspendida, otra forma de caracterizar un río en relación con la litología de su cuenca. En general, como la materia disuelta aumenta a lo largo del río en mayor proporción que la materia en suspensión (influyen en este menor incremento de disminución la pendiente, el aumento de salinidad, etc.), la relación debe aumentar, como así ocurre en la mayoría de los casos.

7.2. Determinación del Residuo Seco

Se denomina residuo seco a las sustancias disueltas en las aguas naturales después de la evaporación del líquido. Este se compone siempre, esencialmente, de sales minerales pudiendo contener pequeñas cantidades de materias orgánicas en el caso de aguas no polucionadas. Si las aguas están polucionadas, las materias orgánicas pueden adquirir, en determinados casos, valores muy importantes.

En la determinación del residuo seco es necesario eliminar previamente del agua toda sustancia que pudiera estar en suspensión en la misma, ya que de lo contrario, en el curso de la evaporación, las sustancias suspendidas falsearían el resultado de la determinación.

Las distintas técnicas que se describen en los tratados de análisis, para la determinación del residuo seco, difieren fundamentalmente, ya que unos lo determinan a 105º, 110º, 180ºC, otros por calcinación y otros expresan el resultado como residuo sulfatado. Actualmente parece que todos los autores se van poniendo de acuerdo para determinar el residuo seco a 110ºC.

Determinarlo a una temperatura o a otra tiene su importancia, ya que varían mucho los resultados encontrados, debido fundamentalmente a que si, aunque la separación por evaporación de las sustancias disueltas es una operación puramente física, por efecto de la temperatura se producen modificaciones en la composición química de las sustancias que constituyen el residuo seco.

De estas consideraciones se deduce que es muy importante tener en cuenta, al escoger la temperatura a que se va a trabajar, el que las modificaciones que se realicen a más baja temperatura se hayan realizado completamente y las que ocurren a más alta, no hayan empezado, de manera que se alcance un sistema estable. Esto, aunque es imposible, se cumple aproximadamente a 110ºC.

Hay otra dificultad y es que la eliminación del agua, aún a temperaturas elevadas, es difícil en determinados casos, por ejemplo cuando hay cantidades notables de sílice y de silicatos, en los cuales el modo de unión de las moléculas de agua de constitución con la red formada por los grupos (SiO₄) es complicada, no lográndose la total eliminación nada más que por encima de 1000ºC.

A fin de tener una idea de lo que ocurre a cada una de las distintas sales que pueden hallarse en solución en un agua determinada, veamos qué sucede al calentarlas, aunque para una interpretación correcta debemos indicar que el comportamiento de las sales puras es distinto de cuando están juntas, ya que en este caso a temperaturas más o menos elevadas reaccionan unas con otras, sobre todo en presencia del agua; las temperaturas de transformación tienden a encontrarse un poco bajas en la mayoría de los casos.

7.2.1. Bicarbonatos

El bicarbonato cálcico, Ca(HCO₃)₂, y el bicarbonato magnésico, Mg(HCO₃)₂, pierden el anhídrido carbónico por debajo de los 100ºC. Lo mismo le ocurre al bicarbonato sódico NaHCO₃, sobre todo en presencia de agua, siendo completa la disociación de este compuesto, al aire a los 125ºC. El bicarbonato potásico KHCO₃ es menos inestable y a los 100ºC su descomposición no es más que parcial.

7.2.2. Carbonatos

Los carbonatos de calcio, CaCO₃, y de magnesio, MgCO₃, no son muy estables, empezando a disociarse, el primero, entre los 650ºC y 750ºC y el segundo hacia los 300ºC. Los carbonatos de sodio, Na₂CO₃, y de potasio, K₂CO₃, no tienen posibilidades de existir en las aguas naturales y no se encuentran en el residuo fijo como no sea como productos de descomposición de los bicarbonatos correspondientes; son siempre anhidros por encima de los 100ºC, empezando a disociarse y a perder anhídrido carbónico, el primero por encima de los 700ºC y el segundo alrededor de los 800ºC.

7.2.3. Sulfatos

El ión sulfato es uno de los que contribuyen a la salinidad de las aguas y se encuentra en la mayoría de ellas. La concentración del ión sulfato tiene acción purgante y se ha encontrado que las aguas que contienen menos de 600 mg/l son buenas mientras las que contienen más de 750 mg/l tienen efecto laxante.

El sulfato cálcico hidratado o yeso CaSO₄.2H₂O, no comienza a perder su agua de cristalización hasta los 100ºC, formando el hemihidrato estable hacia los 170ºC, temperatura a la cual se transforma en anhidrita, CaSO₄. Por encima de 170ºC se deshidrata totalmente. Esta sal es estable hasta los 950ºC, temperatura en la que empieza la disociación.

El sulfato de magnesio, MgSO₄.7H₂O es estable a la temperatura ordinaria. A 100ºC se obtiene el dihidrato, formándose el monohidrato entre los 130ºC y los 140ºC. La deshidratación total no comienza hasta por encima de los 200ºC y no es completa hasta pasados los 300ºC. La disociación del sulfato de magnesio anhidro se realiza al rojo, descendiendo la temperatura de disociación en presencia de vapor de agua.

El sulfato de sodio, Na₂SO₄, se transforma en sal anhidra muy fácilmente, por influencia del calor, siendo extraordinariamente estable; lo mismo le ocurre al sulfato potásico, K₂SO₄.

7.2.4. Cloruros

La deshidratación de los cloruros de calcio, CaCl₂, y de magnesio, MgCl₂ (compuestos fuertemente higroscópicos) tiene lugar para el primero a 260ºC y para el segundo a 170ºC, en ambos casos al aire, se forman al mismo tiempo oxicloruros con pérdida de ácido clorhídrico. Funden entre los 700ºC y los 800ºC, disolviendo la sílice presente. El cloruro de magnesio es ligeramente volátil.

Los cloruros de sodio NaCl y de potasio KCl, que no poseen hidratos estables a temperatura superior a 100ºC, pierden fácilmente a esta temperatura toda la humedad. Funden a 750ºC. El organismo puede soportar aguas que contengan hasta 2.500 mg/l de cloruro sódico (sal). La OMS fija en 200 mg/l el límite admisible y en 600 el excesivo.

7.2.5. Nitratos

Los nitratos se encuentran en las aguas en pequeña proporción y tienen poca influencia. Hay que hacer notar, sin embargo, que el nitrato de magnesio, Mg(NO₃)₂, no se deshidrata totalmente a 110ºC. La deshidratación completa a temperatura más elevada entraña la pérdida de ácido nítrico. Los nitratos de calcio y de magnesio se descomponen fácilmente por debajo del rojo naciente, con formación de los óxidos correspondientes.

7.2.6. Materia Orgánica

Se debe también tener en cuenta las materias orgánicas disueltas en el agua, ya que sobre todo en las aguas polucionadas, influirán en los resultados del residuo seco. A 100ºC, la materia orgánica en principio permanece, aunque ya se hayan empezado a producir descomposiciones que van acelerándose progresivamente conforme se va elevando la temperatura.

De todo lo dicho anteriormente se deduce que la determinación del residuo fijo es una operación bastante compleja, sobre todo cuando se quiere lograr una reproducibilidad. Por otra parte, es muy aventurado, sobre todo cuando la cantidad de sales disueltas es muy pequeña, querer hacer la comprobación de un análisis por la igualdad entre la suma de los iones determinados y el residuo fijo, produciéndose en determinados casos errores muy grandes, dependiendo de la mineralización total, del tipo de sales presente, de la temperatura, del volumen de agua evaporado, etc.

Para su determinación se aconseja usar cápsulas de platino, ya que si se emplea material silicatado, este puede ser atacado en particular por el ácido fluorhídrico que proviene de la hidrólisis de los fluoruros presentes en el agua. Además, si se determina posteriormente la sílice en el residuo, debe evitarse el riesgo de su aportación.

Salvo casos especiales, enunciados anteriormente, para los análisis corrientes se puede determinar en una cápsula de porcelana. La cantidad de agua a evaporar debe ser tal que el peso del residuo seco obtenido sea al menos de 100 mg, llegando si es posible a 250 mg.

Para determinar el tipo de sales que se disolvieron o, por lo menos, el que en una reconstrucción pueden formar, va adquiriendo mucho predicamento el estudio del residuo seco al microscopio electrónico, ya que aparte de ser extraordinariamente simple el preparar la muestra, este método permite estudiar cantidades de miligramos con aumentos del orden de los 80.000.

La cantidad de sales minerales disueltas en el agua tiene gran importancia en relación al uso que se va a hacer de la misma.

Con respecto a la alimentación humana, hay que hacer notar que la cantidad límite de sales minerales que el hombre puede consumir varía según los autores. Algunos consideran como cantidad límite 750 mg/L y otros elevan bastante esa cantidad. Lo cierto es que en gran parte la cantidad tolerada depende de la costumbre, siendo numerosas las personas que beben regularmente aguas con cantidades mucho mayores, sin que se haya advertido perjuicio alguno. Lo que ocurre es que al intentar beber esta agua cargada en sales personas no acostumbradas, la mayoría de ellas la rechazan con repugnancia por tener un sabor calificable por los no habituados, como insoportable.

Hoy día está comprobado que el hombre puede consumir agua que contenga hasta 2500 mg/l sin quebranto para su salud. Por encima de esta dosis no puede tolerarse para un uso continuo, pudiendo hacerse esporádicamente si su contenido salino no sobrepasa los 5000 mg/L

Como curiosidad, digamos que el café, el té, etc., preparado con agua muy mineralizada, adquieren sabor menos agradable que los preparados con agua poco mineralizada. En general, debido a la distinta mineralización de las aguas, es por lo que las comidas tienen gustos diferentes, fácilmente reconocibles en las diversas regiones.

Las distintas normalizaciones existentes fijan cantidades variables según las aguas de que disponen las regiones correspondientes. Sin embargo, se encuentran zonas donde se usan aguas muy cargadas en sales.

Si pasamos a considerar el efecto fisiológico de cada una de las sales contenidas en el agua de bebida, se observa con respecto al cloruro sódico que la que contiene 400 mg/L no tiene aún sabor salino, manifestándose este a partir de los 500 mg/l, pudiendo soportar el organismo humano hasta 2500 mg/L de esta sal.

RITCHER (1939) realizó una experiencia con una serie de individuos para estudiar su reacción al gusto del cloruro sódico en agua destilada, llegando a la conclusión de que se podrían distinguir 160 mg/L de NaCl y de que el gusto salado era reconocido a una concentración media de 870 mg/l.

WHIPPLE (1907), utilizando igualmente una serie de personas, llegó a la confección del cuadro siguiente, en donde se expresan los límites superior e inferior a los cuales los participantes determinaban cada sal.

El carbonato cálcico no es nocivo y en pequeñas cantidades facilita la digestión y hace al agua agradable al paladar. No ocurre lo mismo con los carbonatos alcalinos, cuya presencia presenta graves inconvenientes.

El sulfato magnésico comunica al agua un sabor amargo. Los sulfatos alcalinos tienen efectos moderados.

Un contenido elevado en materias disueltas en el agua, en especial sulfatos, ejerce una acción laxante sobre las personas no habituadas.

En una prueba realizada por MOORE sobre los consumidores de 248 pozos, en aguas en que las sales disueltas sobrepasaban las 1000 p.p.m., siendo la mayoría sulfatos, encontró que un agua que contenía de 1000 p.p.m. a 2000 p.p.m. produjo desarreglos intestinales a un 21% de las personas del grupo de estudio. Con más de 2000 p.p.m., producía efectos laxante al 50% de los individuos y cuando la concentración era de 4000 p.p.m. o más, producía estos efectos en la casi totalidad de los individuos.

Con respecto al uso de las aguas para riego, no es suficiente establecer un dictamen sobre su utilidad o no, el conocer la cantidad de sales disueltas y su naturaleza, sino que debe tenerse en cuenta además, la tolerancia a la salinidad de las plantas que han de cultivarse y las condiciones especiales del sistema agua-suelo. Aunque es sumamente arriesgado fijar cifras con respecto a la posibilidad de vida de las plantas en función de la sal aportada por las aguas, algunos autores fijan el tope máximo en 2000 p.p.m. como cifra media.

En relación con su aplicación para la industria, la calidad del agua depende de las necesidades de la misma. Debe tenerse en cuenta que los sólidos disueltos, tanto orgánicos como inorgánicos, son difíciles de evitar. En la industria se utiliza el agua para muy diversos fines, algunos de los cuales exigen una calidad química y biológica determinada, de la que hablaremos más adelante.

Desde el punto de vista del residuo seco, las exigencias son variables; así por ejemplo, para industrias lecheras no debe pasar de 500 mg/L, para industrias cerveceras, según la clase que sea, entre límites de variación de 50 a 1.500 mg/L, para industrias de la alimentación 800 mg/L, para papeleras de 200 a 500 mg/L, etc.

Es interesante estudiar la acción de las sales disueltas en un agua que se emplea para alimentar calderas. Ante todo, digamos que las aguas destinadas a este fin se pueden dividir en duras y blandas, ácidas y alcalinas.

Son las sales menos solubles las que al concentrarse en las calderas producirán depósitos e incrustaciones. Por tanto, las sales sódicas debido a su alta solubilidad no producirán las citadas incrustaciones, porque no se encuentran en grandes concentraciones.

Aunque es difícil reducir la cantidad de sólidos disueltos de un agua se suele emplear el intercambio iónico catiónico, ciclo hidrógeno y catiónico y ciclo sódico para producir el ablandamiento necesario para poder usar en determinadas aguas.