Introducción

La conductividad eléctrica (CE) del agua es una medida de la capacidad de la misma para transportar la corriente eléctrica. En el Sistema Internacional de Unidades la CE se expresa como siemens por metro (S/m), pero por simplicidad se utiliza µS/cm a una temperatura de 25°C. La conductividad del agua está relacionada con la concentración de las sales en disolución, cuya disociación genera iones capaces de transportar la corriente eléctrica. La solubilidad de las sales en el agua depende de la temperatura, por lo que la conductividad varía en conformidad con la temperatura del agua.

La dureza del agua representa una medida de la cantidad de metales alcalinotérreos en el agua, fundamentalmente calcio (Ca) y magnesio (Mg) provenientes de la disolución de rocas y minerales. Su forma de expresión más conocida es en mg/L como carbonato de calcio (CaCO₃). Existen diferentes tipos de dureza [¹]:

Asimismo, las aguas pueden clasificarse de acuerdo a su contenido de dureza en [²]:

Si bien es cierto, la dureza es uno de los componentes en el agua qu iones capaces de incrementarla; por ejemplo, el agua cargada con cloruro de sodio como es el caso de la intrusión salina en acuíferos [²]. Sin embargo, en la mayoría de las aguas subterráneas (pozos y nacientes) existe una relación muy alta entre la conductividad y la dureza [³].

La Organización Mundial de la Salud (OMS) indica que las aguas duras pueden generar incrustaciones en los sistemas de distribución y que, por el contrario, las aguas blandas pueden corroerlos [⁴]. Por otro lado, la aceptabilidad puede variar de acuerdo a las poblaciones; se dice que el umbral gustativo del ion calcio se encuentra entre 100 mg/L y 300 mg/L dependiendo del anión asociado y que el umbral del magnesio es menor que el del calcio. No obstante, algunos consumidores pueden tolerar durezas mayores a 500 mg/L [⁵].

Varios estudios epidemiológicos han demostrado una relación entre el agua dura y la protección contra enfermedades cardiovasculares [^{4 3};[⁵][⁶][⁷]. En Costa Rica, en la “Zona Azul” de la Península de Nicoya se comprobó una relación entre la dureza del agua y la longevidad de la población [⁸]. Por el contrario, otros estudios han observado una relación positiva entre aguas muy duras y la prevalencia de Litiasis Renal en varias poblaciones a nivel mundial [⁹][¹⁰].

El Laboratorio Nacional de Aguas (LNA) cuenta con una base de datos donde se pueden consultar datos analíticos de la calidad del agua de las fuentes de abastecimiento en Costa Rica. Esto permite utilizar dichos datos para obtener información y su posible aplicación en busca de mejoras, tanto en interpretación como en simplificación de los criterios analíticos. De forma que, al observar algunos datos, se pueda inferir acerca de la calidad del agua y de otros posibles parámetros relacionados, como por ejemplo relacionar la conductividad con la dureza del agua.

A raíz de la vinculación de la dureza del agua con la salud del consumidor, y con el propósito de evitar la duplicación de esfuerzos disminuyendo el número de ensayos de laboratorio y minimizando, al mismo tiempo, el gasto económico, se realiza el presente estudio. Éste busca definir la relación que exista entre conductividad y dureza en el agua proveniente de pozos y nacientes utilizadas como fuentes de abastecimiento en Costa Rica.

El objetivo principal del estudio es determinar las relaciones existentes entre la conductividad, con respecto a la dureza total y la dureza de calcio en pozos y nacientes utilizadas como fuentes de abastecimiento en Costa Rica.

Metodología

Para cumplir con el objetivo del estudio se aplicaron los siguientes pasos:

Para la determinación analítica de la conductividad, dureza total y dureza de calcio se utilizaron las siguientes técnicas:

Resultados y discusión

Cantidad y porcentaje de fuentes analizadas por ámbito de conductividad

La mayoría de las fuentes de abastecimiento presentan conductividades que oscilan alrededor de (50-549) µS/cm para pozos y de (25-499) µS/cm para nacientes, salvo algunas excepciones. Por este motivo, se escogieron resultados analíticos cuyas conductividades oscilaban dentro de estos ámbitos. Se utilizó 1946 y 2699 reportes analíticos para pozos y nacientes respectivamente.

En la figura 1 y la figura 2 se representan los porcentajes correspondientes a la cantidad de muestras utilizadas en el estudio según los diferentes ámbitos de conductividad para pozos y nacientes respectivamente. En la Figura 1 se puede observar que un alto porcentaje de los pozos presentan conductividades en el ámbito de (150-199) µS/cm, en tanto que un porcentaje mínimo presentan conductividades menores a 149 µS/cm y mayores a 450 µS/cm. En el caso de las nacientes, las conductividades se destacan principalmente entre (100-199) µS/cm, además se observa una baja representación para conductividades mayores a 250 µS/cm (Figura 2).

Composición porcentual de la dureza total expresado como dureza de calcio y dureza de magnesio

Dado que, típicamente la dureza total corresponde a la suma de la dureza de calcio y la dureza de magnesio, se decidió calcular para los diferentes ámbitos de conductividad especificados, el porcentaje que corresponde a cada una de ellas. Para el caso de los pozos, se observa en la Figura 3 que la proporción de dureza de calcio y dureza de magnesio se mantiene prácticamente constante a lo lardo de los ámbitos de conductividad, para un promedio de 68% de dureza de calcio y 32% de dureza de magnesio. En cuanto al agua de las nacientes (Figura 4), se da un aumento en la dureza de calcio conforme aumenta la conductividad de la misma y por tanto una disminución de la dureza de magnesio.

Relación de la conductividad con la dureza total para los pozos y las nacientes

Al graficar las conductividades promedio versus las durezas totales para los pozos y las nacientes se generan curvas que muestran la relación existente, en donde, la curva de mejor ajuste fue lineal para ambos tipos de fuente. En el caso de los pozos, la relación resultante de la Figura 5 se muestra en la ecuación 1 cuyo coeficiente de correlación (R²) es de 0,9931. En la Figura 6 se presenta la relación para las nacientes (ecuación 2) la cual tiene un R² de 0,9958.

D_t = 0,0003 * CE² + 0,3418 * CE +0,2710 (1)

donde:

D_t: dureza total, mg/L.

CE: conductividad eléctrica, µS/cm.

D_t = 0,4927 * CE - 10,2321 (2)

donde:

D_t: dureza total, mg/L.

CE: conductividad eléctrica, µS/cm.

Relación de la conductividad con la dureza de calcio para los pozos y las nacientes

Las gráficas de la relación entre la conductividad y la dureza de calcio para los pozos y las nacientes se muestran en la figura 7 y figura 8respectivamente. Además, se presentan las respectivas ecuaciones polinómicas de segundo orden con coeficientes de correlación de 0,9922 y 0,9942.

D_Ca = 0,0003 * CE² + 0,1935 * CE + 2,9640 (3)

donde:

Dca: dureza de calcio, mg/L.

CE: conductividad eléctrica, µS/cm.

D_Ca = 0,0004 * CE² + 0,2250 * CE - 0,2439 (4)

donde:

Dca: dureza de calcio, mg/L.

CE: conductividad eléctrica, µS/cm.

Cálculo de la dureza de magnesio para los pozos y las nacientes

Como ya se mencionó anteriormente, la dureza total está mayoritariamente compuesta por dureza de calcio y dureza de magnesio. Por lo tanto, para el cálculo de la dureza de magnesio se debe utilizar la ecuación 5.

D_mg = D_t - D_ca(5)

donde:

Dmg: dureza de magnesio, mg/L.

D_t: dureza total, mg/L.

Dca: dureza de calcio, mg/L.

Aplicación de las curvas de calibración obtenidas

Las curvas de calibración obtenidas anteriormente se aplicaron a 20 pozos y 20 nacientes utilizados por acueductos de AyA, rurales y municipales. Estas fuentes de abastecimiento fueron seleccionadas al azar, cuyos análisis se realizaron desde marzo del 2016 a marzo del 2017.

Posteriormente se calculó la diferencia de los resultados teóricos y los utilizando la ecuación 6:

Diferencia = |V_teo - V_exp| (6)

donde:

V_teo: Valor teórico (determinado con las curvas de calibración ).

V_exp: Valor experimental (determinado analíticamente ).

La diferencia de los resultados, tanto para la dureza total y la dureza de calcio en pozos y nacientes se muestran respectivamente en el Cuadro 1 y Cuadro 2. Como se puede observar las diferencias promedio son bajas; no obstante, esta diferencia puede deberse a la presencia de otros aniones o cationes que también contribuyen a la conductividad. Además, esta última se ve afectada por la temperatura y las incertidumbres correspondientes a la determinación, por lo cual los valores teóricos de las durezas se ven afectados indirectamente.

Conclusiones

Recomendaciones

Se sugiere medir en campo la conductividad del agua de pozos y nacientes para estimar la dureza total y la dureza de calcio. En aquellos casos que lo ameriten, los resultados deberán ser ratificados con las técnicas analíticas correspondientes.

Estas correlaciones entre la conductividad y la dureza del agua no deben aplicarse en aguas subterráneas con tendencia a la salinización u otro tipo de aguas especiales.

Referencias

Fechas de Publicación

Histórico