Blog

Jun 27, 2023

Conceptos avanzados de tratamiento del agua de refrigeración (Parte 5)

Nota del editor: esta es la quinta entrega de una serie de varias partes escrita por Brad Buecker, presidente de Buecker & Associates, LLC. Lea la Parte 1 aquí. Lea la Parte 2 aquí. Lea la Parte 3 aquí. Lea la Parte 4 aquí. El

Nota del editor: esta es la quinta entrega de una serie de varias partes escrita por Brad Buecker, presidente de Buecker & Associates, LLC.

Lea la Parte 1 aquí.

Lea la Parte 2 aquí.

Lea la Parte 3 aquí.

Lea la Parte 4 aquí.

La parte anterior de esta serie proporcionó una descripción general de los biocidas oxidantes, que se han utilizado durante muchos años para el control microbiológico del agua de refrigeración. Sin embargo, pueden existir condiciones en las que se necesite un tratamiento químico suplementario para controlar el crecimiento microbiano o atacar las colonias sésiles que resisten los oxidantes. En estas situaciones, los biocidas no oxidantes pueden resultar muy valiosos. También pueden ser necesarios no oxidantes para atacar organismos macroincrustantes como el mejillón cebra. Esta entrega proporciona detalles fundamentales de esta química.

Como se señaló en la Parte 3, si las bacterias forman colonias sésiles, los microorganismos pueden desarrollar una inmunidad sustancial a los oxidantes al producir biopelículas protectoras que consumen las sustancias químicas. El uso periódico de un biocida no oxidante, por ejemplo una o dos veces por semana durante un período relativamente corto, puede ayudar a controlar el crecimiento microbiano. Mientras que los biocidas oxidantes normalmente dañan las paredes celulares y causan la muerte por filtración de las partes internas del organismo (lisis), muchos de los no oxidantes penetran el limo y luego las paredes celulares para reaccionar con los compuestos celulares que son necesarios para la vida. (1)

Los compuestos tienen distintos grados de eficacia y pueden atacar a algunos organismos más que a otros. Tanto la eficacia como la descomposición química residual suelen verse influenciadas por las condiciones del agua, incluidos el pH y la temperatura. Examinemos varios de los no oxidantes más comunes.

2,2-dibromo-3-nitrilopropionamida (DBNPA)

DBNPA es una amida halogenada que se usa ampliamente en el tratamiento de agua y aplicaciones de pulpa y papel, y en el campo petrolero sirve para tratar el agua de reposición para fluidos de fracturación. El compuesto reacciona irreversiblemente con los aminoácidos que contienen azufre en el interior de las células y provoca la muerte.

DBNPA actúa muy rápidamente. Además, las concentraciones residuales se hidrolizan rápidamente formando subproductos menos tóxicos. La rápida descomposición es ambientalmente ventajosa, ya que si la descarga pasa a través de un estanque de retención, es posible que no se necesite química de desactivación. El rango de pH óptimo para una máxima eficacia de DBNPA es 4-8. La tasa de hidrólisis aumenta al aumentar el pH y el compuesto pierde rápidamente potencia por encima de pH 8. La hidrólisis también aumenta al aumentar la temperatura. El DBNPA se desactiva mediante sulfuros y bisulfitos o agentes reductores de sulfitos. DBNPA también reacciona con el amoníaco y no es estable a la luz ultravioleta.

DBNPA es eficaz para otras aplicaciones. Por ejemplo, hace varios años el autor, en consulta con un proveedor de productos químicos experimentado, seleccionó DBNPA para aliviar la contaminación microbiológica en unidades de ósmosis inversa (RO) para el tratamiento de agua de reposición de alta pureza en una planta de energía. La mayoría de las membranas de ósmosis inversa tienen un material base de poliamida que contiene nitrógeno, que reacciona irreversiblemente con el cloro. Este sistema de reposición tenía filtros de carbón activado para eliminar el cloro delante de la unidad de RO.

Sin embargo, normalmente algunos organismos sobreviven a la cloración y luego florecen una vez que se elimina la sustancia química. (Además, un lecho de carbón activado elimina los oxidantes en los primeros centímetros, dejando el resto del lecho como un excelente lugar para la incubación de los microbios supervivientes). Puede producirse una grave contaminación de la membrana, como ocurrió en este sistema. La alimentación con DBNPA durante una hora dos veces por semana resolvió el problema.

2-Bromo-2-Nitropropano-1,3-diol (Bronopol)

Bronopol se utiliza ampliamente en aplicaciones de tratamiento de agua y, al igual que DBNPA, ha tenido algunas aplicaciones en el campo petrolífero. Bronopol es particularmente eficaz contra la bacteria Pseudomonas. El compuesto parece funcionar mediante diferentes mecanismos dependiendo de si las condiciones son aeróbicas o anaeróbicas. Bronopol no es un biocida de acción rápida. El compuesto puede liberar formaldehído al descomponerse, pero el formaldehído no es responsable de las propiedades biocidas.

Bronopol se hidrolizará en soluciones acuosas, siendo la velocidad mucho más rápida a pH alcalino. El aumento de la temperatura también aumenta la tasa de hidrólisis. El rango de pH óptimo para la eficacia del bronopol es de 5 a 9. Bronopol reaccionará y será desactivado por sulfuros y agentes reductores a base de sulfitos.

isotiazolonas

La formulación más común para el tratamiento del agua de refrigeración tiene una mezcla 3:1 de CMIT y MIT. Las concentraciones de CMIT y MIT en los productos registrados suelen tener un 1,5 por ciento o un 4 por ciento de ingrediente activo. Las formulaciones industriales pueden contener estabilizantes, incluidos nitrato cúprico, nitrato de magnesio o yodato de potasio. También está disponible un producto activo al 1,5 por ciento estabilizado con bronopol. Los compuestos son bactericidas de amplio espectro pero de acción lenta que también muestran buena reactividad contra los hongos. Aparte de las aplicaciones de agua de refrigeración, el MIT, en concentraciones muy ligeras, sirve como agente antimicrobiano común en algunos detergentes.

Tanto CMIT como MIT son incompatibles con el sulfuro de hidrógeno y otros compuestos que contienen sulfuro. Por lo tanto, si hay bacterias reductoras de azufre (SRB), las isotiazolonas pueden no ser muy efectivas. Un pH elevado (> 9,5) acortará la vida media de la CMIT, pero la MIT es estable incluso a un pH superior a 10. Las isotiazolonas se desactivan con bisulfito de sodio.

glutaraldehído

El glutaraldehído se utiliza a menudo en aplicaciones de tratamiento de agua industrial, incluidas operaciones de petróleo y gas, la industria papelera y para la esterilización de instrumentos médicos. Dentro de las células, el compuesto desactiva dos aminoácidos esenciales, lisina y arginina, que son esenciales para el metabolismo celular. La eficacia es mayor dentro de un rango de pH alcalino de 7 a 10, pero el compuesto es más estable a un pH ácido. El glutaraldehído reaccionará irreversiblemente con aminas o iones de amonio para reducir la eficacia biocida.

Aminas cuaternarias

Las aminas cuaternarias, o “quats”, como se las denomina comúnmente, se han utilizado ampliamente en una amplia variedad de aplicaciones de agua de procesamiento y refrigeración. Las moléculas están cargadas positivamente, con cuatro grupos alquilo unidos a un átomo de nitrógeno central. Uno o más de los grupos alquilo consisten en un grupo metilo, bencilo, decilo (C10), coco (C14) o soja (C18). Los quats se suelen administrar en combinación con otros biocidas. Los quats también se utilizan como inhibidores de la corrosión de aminas formadoras de película.

Los quats tienen propiedades tensioactivas y, por lo tanto, solubilizan las membranas celulares, lo que provoca daño y muerte celular. (2) Los compuestos son especialmente eficaces cuando se utilizan en combinación con otros biocidas que también atacan las paredes celulares.

La formación de espuma es una preocupación con las aminas cuaternarias, pero ahora se encuentran disponibles compuestos de baja formación de espuma. Las propiedades tensioactivas de los quats pueden inhibir la separación de emulsiones de petróleo/agua en los sistemas de producción de yacimientos petrolíferos, y el agua dura puede disminuir la actividad biocida de los compuestos. (3) Los quats pueden reaccionar con inhibidores de corrosión y sarro cargados negativamente, lo que reduce la eficacia.

Los biocidas oxidantes son letales para las almejas, los mejillones, etc. cuando estas criaturas se encuentran en la etapa larvaria, pero si los organismos se establecen o los organismos adultos encuentran una vía hacia los sistemas de enfriamiento, la situación puede ser completamente diferente. Un caso clásico es el del mejillón cebra, donde, como se señaló en la parte 3 de esta serie, los mejillones se adhieren a las superficies, incluidos entre sí, con filamentos delgados conocidos como hilos bisales. Luego residen cómodamente filtrando el agua de refrigeración que fluye. Los mejillones pueden sentir biocidas oxidantes, y cuando se inicia la alimentación durante las dos horas diarias (o cualquier período de tiempo permitido por el permiso NPDES de la planta), se "callarán" (perdón por el juego de palabras) hasta que las condiciones tóxicas desaparezcan, al que volverán alegremente a filtrar el agua de refrigeración para los alimentos.

Los oxidantes son letales para los organismos adultos si el personal de la planta puede obtener una autorización para la alimentación química continua durante quizás dos o tres semanas. La larga duración de la alimentación eventualmente obliga a los organismos a reabrirse o reactivarse, tras lo cual el oxidante causa daño. Sin embargo, las agencias reguladoras suelen ser reacias a conceder tales variaciones.

Los no oxidantes pueden resultar beneficiosos en estos casos, ya que muchos macroorganismos no detectan la presencia química y continúan filtrando el agua. Las más efectivas incluyen las aminas cuaternarias mencionadas anteriormente.

Los compuestos no oxidantes plantean riesgos ambientales y toxicidad potencial para otros organismos acuáticos. En consecuencia, no se pueden utilizar sin el permiso de los reguladores ambientales de la planta, con los detalles de la aplicación incorporados en el permiso de descarga NPDES de la instalación. El permiso puede requerir la alimentación de un material como arcilla o bentonita a la corriente de descarga para adsorber y desactivar las concentraciones residuales, aunque como se señaló anteriormente, algunos compuestos, si se les da suficiente tiempo de retención en un estanque de retención, se descompondrán naturalmente.

Al igual que con cualquier producto químico, es muy importante seguir los procedimientos de seguridad adecuados al manipular no oxidantes. El personal de la planta debe usar todo el equipo de protección personal requerido para cualquier producto químico en particular y debe seguir todos los procedimientos de manipulación al pie de la letra. Las hojas de datos de seguridad (SDS) deben estar disponibles en el sitio de alimentación, con una segunda copia ubicada en una ubicación central, como la sala de control de la planta.

De los diversos mecanismos que pueden causar dificultades en los sistemas de refrigeración, las microincrustaciones y, a veces, las macroincrustaciones pueden ser, con diferencia, las más graves. Si los organismos se establecen, el crecimiento puede ser muy rápido y dañino. La primera línea de defensa es un sistema de alimentación de biocida oxidante bien diseñado, mantenido y operado, pero esto puede no ser suficiente para condiciones difíciles. Los piensos biocidas no oxidantes complementan eficazmente a los oxidantes, pero el almacenamiento, la manipulación y la alimentación de estos productos químicos deben basarse en una base firme de seguridad y cumplimiento de las directrices reglamentarias.

Esta discusión representa buenas prácticas de ingeniería desarrolladas a lo largo del tiempo. Sin embargo, es responsabilidad de los propietarios, operadores y personal técnico de las plantas implementar programas confiables basados ​​en consultas con expertos de la industria. En el diseño y uso posterior de estas tecnologías entran muchos detalles adicionales de los que se pueden describir en un solo artículo.

Referencias

Sobre el autor: Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC, consultoría y redacción técnica/mercadeo. Más recientemente, se desempeñó como publicista técnico senior en ChemTreat, Inc. Tiene más de cuatro décadas de experiencia en el apoyo a las industrias de energía y tratamiento de agua industrial, gran parte de ella en puestos de química de generación de vapor, tratamiento de agua, control de calidad del aire e ingeniería de resultados. con City Water, Light & Power (Springfield, Illinois) y la estación La Cygne, Kansas de Kansas City Power & Light Company (ahora Evergy). Buecker tiene una licenciatura en química de la Universidad Estatal de Iowa con cursos adicionales en mecánica de fluidos, equilibrios de energía y materiales, y química inorgánica avanzada. Es autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas técnicas y ha escrito tres libros sobre química de plantas de energía y control de la contaminación del aire. Puede comunicarse con él en [email protected].