HOJA TÉCNICA ESTABILIDAD DEL HIPOCLORITO DE SODIO GENERADO POR ELECTRÓLISIS Ricardo Rojas, Coordinador de la Unidad de Apoyo Técnico al Saneamiento Básico Rural (UNATSABAR) Sixto Guevara, Investigador de la UNATSABAR 1 INTRODUCCIÓN En 1995, el Ministerio de Salud del Perú y la Organización Panamericana de la Salud (OPS/OMS) firmaron un Convenio de Cooperación Técnica para que, a través del Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente (CEPIS), se efectúe la Evaluación Previa del Estudio de Desinfección de Agua y Alimentos. La Evaluación Previa permitió identificar, evaluar y seleccionar sistemas alternativos de desinfección de agua y alimentos a nivel domiciliario que podrían emplearse en poblaciones de las zonas pobres del país que carezcan de sistemas públicos de abastecimiento de agua potable, o que teniéndolos, no funcionen de manera continua. Concluyó recomendando la aplicación de la electrólisis de salmuera a nivel local empleando equipos simples y de bajo costo. Las pruebas preliminares realizadas a la solución de hipoclorito de sodio producido con los equipos de electrólisis evidenciaron un rápido descenso en la concentración de la solución producida, con la consecuente falta de efectividad en el proceso de desinfección del agua para consumo humano. Esto condujo a la ejecución de pruebas dirigidas a determinar los factores y el grado de disminución del cloro activo en la solución de hipoclorito de sodio; así como, la forma de estabilizarlo para aumentar la vida media del desinfectante. Esta Hoja de Divulgación Técnica, realizada con el apoyo de la Agencia Suiza para el Desarrollo y la Cooperación (COSUDE), presenta los principales factores que inciden en la degradación de la solución de hipoclorito y el procedimiento para conseguir su estabilización, con el objetivo de garantizar la desinfección del agua y alimentos a nivel domiciliario. 2 ANTECEDENTES En la actualidad, la mayor parte de las poblaciones rurales de los países en vías de desarrollo se abastecen de agua no apta para consumo. Como consecuencia de ello, estas poblaciones presentan altos índices de prevalencia de enfermedades relacionadas con el agua, sin embargo, estas enfermedades pueden ser evitadas mediante la aplicación de métodos adecuados de desinfección. La desinfección del agua de consumo humano con cloro o los derivados de cloro, es un proceso aceptado a nivel mundial para el suministro de agua de buena calidad bacteriológica. En los países en vías de desarrollo, el abastecimiento regular del desinfectante a ciudades apartadas o comunidades rurales, es un problema al no disponerse de un sistema adecuado de distribución del desinfectante. La producción electrolítica del cloro es un proceso bien conocido en la industria química y actualmente se dispone de pequeñas celdas que han demostrado ser confiables, simples y de bajo costo de operación y mantenimiento. Una opción atractiva para la preparación del desinfectante es el proceso electroquímico, por la posibilidad de producir desinfectantes enérgicos de una manera simple, económica y efectiva. Sin embargo, se conoce que el almacenamiento del hipoclorito de sodio en condiciones inadecuadas favorece el rápido deterioro con la consecuente pérdida de su efectividad en el proceso de desinfección. 3 ASPECTOS TEÓRICOS La solución de hipoclorito se obtiene mediante la electrólisis de una solución de salmuera preparada a partir
del cloruro de sodio. El proceso de descomposición de la solución de cloruro de sodio se efectúa en una celda electrolítica, cuyo cátodo y el ánodo son de titanio, además el ánodo está recubierto por óxidos de metales; como, platino, iridio y rutenio, denominándose DSA (dimensional stable anode). En el proceso de electrólisis de la sal común se producen las siguientes reacciones químicas: ánodo: Cl - ½ Cl 2 + e - (2) cátodo: H 2 O + e - ½H 2 + OH - (3) El cloro liberado en el ánodo, tiende hacia una rápida reacción de desproporción: Cl 2 + H 2 O HClO + Cl - + H + (4) El ácido hipocloroso obtenido en la reacción anterior, entra en equilibrio químico de acuerdo con la ecuación: HClO H + + ClO - (5) La ionización del ácido hipocloroso tiene una constante de equilibrio que depende de la temperatura como se muestra en el cuadro 1. Cuadro 1. Constante de ionización del ácido hipocloroso Temperatura C 0 5 10 15 20 25 Ka x 10-8 2,0 2,3 2,6 3,0 3,3 3,7 Por lo tanto, de acuerdo con la ecuación (5) resulta que la constante de ionización es igual a: + [H ][OCl ] Ka = [HOCl] (6) De la última ecuación se deduce que la disociación está relacionada con el valor del ph de la solución (iones H + ). De esta manera, es posible determinar el porcentaje de ácido hipocloroso y ión hipoclorito presente en una solución con un determinado valor de ph y temperatura, mediante la aplicación de la siguiente ecuación. HOCl 100 = Ct 1+ [Ka][10 ph ] (7) Donde: Ct=cloro total El gráfico N 1 muestra la variación del porcentaje de ácido hipocloroso en la solución de hipoclorito de sodio en función del ph de dicha solución. 4 EVALUACIONES REALIZADAS Las evaluaciones abarcaron el estudio de la influencia en la estabilidad del hipoclorito de sodio al 0,58% de los siguientes factores: temperatura, iluminación, tipo de frasco y ph de la solución desinfectante. En el caso de la luz se tuvo en cuenta la influencia de la luz solar y de la luz artificial producida por lámparas fluorescentes. Las temperaturas de exposición de los frascos fue de 10 C, 24 C y al ambiente. En este último caso la fluctuación de la temperatura entre el día y la noche varió entre 13 C a 30 C.
100% Gráfico N 1. Curva de porcentaje de concentración de HClO PORCENTAJE DE HClO 80% 60% 40% 20% 0% 0 2 4 6 8 10 12 14 ph El ph de evaluación fue: 8,7, 9,5, 10,5, y 12,5, el primero corresponde al alcanzado al final del tiempo de producción, los otros fueron obtenidos alcalinizando la solución desinfectante. Los frascos empleados en la evaluación fueron de: plástico traslúcido, plástico opaco, vidrio transparente y vidrio ámbar. La prueba se realizó durante 28 días con mediciones semanales de la concentración del cloro libre residual. Las condiciones de la evaluación se realizaron de acuerdo a lo presentado en el cuadro N 2. 5 RESULTADOS Cuadro N 2. Condiciones de la prueba UBICACIÓN CONDICIONES AMBIENTALES LUZ TEMPERATURA ph Refrigeradora Oscuridad 10 C 8,7 Intemperie Luz natural 13 C 30 C 8,7 Oscuridad 17 C 25 C 8,7 Ambiente cerrado Luz artificial 23 C - 24 C 8,7, 9,5, 10,5 y 12,5 Oscuridad 24 C 8,7, 9,5, 10,5 y 12,5 En los cuadros N 3 al N 5 se presnta los resultados de las pruebas Cuadro N 3. Velocidad de degradación de la solución desinfectante debido a la influencia de la temperatura (en oscuridad)* Temperaturas Concentración final de cloro libre (%) Tasa de degradación (dia -1 ) TIPOS DE FRASCOS 10 C 0,54-0,0022 Todos 17 25 C 0,29-0,0236 Todos 24 C 0,24-0,0309 Todos * Resultados para un valor inicial de 0,58 % de cloro libre a un ph de 8,7
Cuadro N 4. Velocidad de degradación de la solución desinfectante debido a la influencia de la luz* Tipo de luz Concentración final de cloro libre (%) Tasa de degradación (dia -1 ) TIPOS DE FRASCOS Luz solar directa 0,00-0,1903 Vidrio transparente Plástico traslúcido 0,29-0.0231 Vidrio ámbar Plástico opaco Luz artificial 0,23-0,0328 Todos Oscuridad en ambiente cerrado 0,24-0,0309 Todos * Resultados para un valor inicial de 0,58 % de cloro libre a un ph de 8,7 Cuadro N 5. Velocidad de degradación de la solución desinfectante debido a la influencia del ph** Tipo de ambiente Ambiente cerrado con luz artificial Ambiente cerrado protegido de luz Concentración final de cloro ph TIPO DE FRASCO libre (%)** 0,23 8,7 Plástico traslúcido 0,42 9,5 Plástico traslúcido 0,56 10,5 Plástico traslúcido 0,56 12,5 Plástico traslúcido 0,23 8,7 Plástico traslúcido 0,45 9,5 Plástico traslúcido 0,58 10,5 Plástico traslúcido artificial 0,58 12,5 Plástico traslúcido ** Resultados para un valor inicial de 0,58 % de cloro libre al ph indicado Los resultados muestran que todos los tipos de frascos evaluados mantenidos a temperatura de 10 C y en oscuridad conservan apreciablemente la concentración del desinfectante en comparación con los mantenidos a la misma en la oscuridad a una temperatura comprendida entre 17 C y 25 C. En cuanto a la influencia de luz se observa que la luz solar origina una alta degradación de la solución de desinfectante en frascos de vidrio transparente y de plástico traslúcido, donde la concentración final al cabo de cuatro semanas llega a ser 0,00 %. Los frascos de vidrio ámbar y de plástico opaco conservan mejor la concentración de cloro libre en la solución desinfectante aunque su concentración final es la mitad de la inicial en el mismo lapso. En el cuadro N 5 se observa que la estabilidad de la concentración de cloro libre en solución desinfectante aumenta a medida que aumenta el ph de la solución, así mismo la luz artificial sigue influyendo en la estabilidad de la solución a pesar del incremento del ph. Por ello, a ph > 10,5 y mantenido en oscuridad se consigue la estabilidad de la solución desinfectante dentro de un lapso apropiado para ser empleando en la desinfección casera del agua para consumo humano. 6. ESTABILIZACIÓN PRÁCTICA En la búsqueda de un procedimiento práctico, para la estabilización de la solución de hipoclorito de sodio producido in situ, se tuvo en cuenta que en el medio rural y peri urbano es muy difícil encontrar hidróxido de
sodio. Más aún, de encontrarlo su manejo podría traer algún riesgo y por lo tanto provocaría un rechazo al uso del desinfectante. Por lo que se realizó una rápida evaluación de los álcalis más empleados en diferentes lugares del país y se encontró que la cal (hidróxido de calcio) es el más difundido y el de más bajo costo. Las pruebas realizadas determinaron que la adición de la cal puede producir un incremento en el valor de ph hasta 10,5, lo cual resulta suficiente para estabilizar la solución de hipoclorito en el campo. Se estableció que la cantidad necesaria de cal viva es de 3 gramos por litro y equivalente a una cucharita de té. Si por alguna eventualidad la persona se excediera en la dosificación, esto no gravitará significativamente en el incremento del valor de ph, debido a que el límite superior no pasaría de 11,5 unidades. La estabilización de la solución debe efectuarse inmediatamente después que se ha culminado la producción. Luego de la aplicación de la cal debe dejarse reposar la solución un tiempo suficiente para lograr el asentamiento de las partículas sedimentables, luego del cual se procede al envasado del desinfectante. Gráfico N 2. Estabilidad de la solución desinfectante en diversas condiciones 0,60 Todos los frascos a 10 C en oscuridad Frasco traslúcido ph=12,5 0,50 Promedio de los frascos de vidrio ámbar y plástico opaco expuestos a la luz solar CONCENTRACIÓN (%) 0,40 0,30 0,20 Promedio de todos los frascos en las condiciones: protegido a la luz solar, luz artificial y protegido de la luz artificial ph=8,7 0,10 Promedio de los frascos de vidrio transparente y plástico traslúcido expuesto a la luz solar. 0,00 0 1 2 3 4 TIEMPO (semanas) 7 CONCLUSIONES 7.1 La solución de hipoclorito de sodio generada in situ conserva su concentración de cloro libre por largo tiempo a temperaturas menores de 10 C y bajo condiciones de oscuridad. 7.2 La luz solar directa tiene una fuerte influencia sobre la solución desinfectante al 0,58 %, produciendo la pérdida de concentración de cloro libre prácticamente en el lapso de dos semanas. 7.3 La luz artificial tiene una influencia intermedia pero importante sobre la estabilidad de la solución de hipoclorito de sodio generada in situ independientemente del tipo de frasco y a temperaturas mayores a 10 C. 7.4 A temperaturas mayores a 10 C y bajo la influencia de la luz natural los frascos de vidrio transparente y de plástico traslúcido son los que menos la protegen a la solución desinfectante de la degradación, sólo los frascos de vidrio ámbar y de plástico opaco protegen en mayor porcentaje la estabilidad de la solución desinfectante.
7.5 La solución de hipoclorito de sodio, producida in situ, alcalinizada adecuadamente a un ph mayor a 10,5 es estable siempre y cuando además se mantenga alejado de la luz tanto artificial como natural. 7.6 La solución desinfectante, convenientemente alcalinizada, permite conservar su concentración por lo menos durante un mes. 7.7 La cal es un insumo adecuado para efectuar dicha alcalinización. 8 RECOMENDACIONES 8.1 Para minimizar la pérdida de la efectividad de la solución de hipoclorito debe envasarse en un frasco oscuro y protegerlo de la luz solar y conservarlo a temperaturas menores a 10 C. 8.2 Añadir cal para estabilizar el desinfectante cuando se encuentre a temperaturas ambientales mayores a 10 C.