Medición y control de cloro en procesos industriales

El cloro se ha convertido uno de los ingredientes activos desinfectantes más utilizado a nivel mundial. Su uso alcanza actualmente gran variedad de aplicaciones industriales: potabilización de aguas, tratamiento de piscinas, desinfección de superficies alimentarias, etc. Aunque su aplicación como desinfectante ha sido y sigue siendo cuestionada por su perfil toxicológico, su amplio espectro biocida frente a todo tipo de microorganismos combinado con su bajo coste aplicativo sigue siendo el principal motivo del éxito de su amplia implantación.

El cloro es habitualmente dosificado en el agua en forma de cloro gas o compuestos de hipoclorito (sódico o cálcico). Una vez disueltos en el agua, estos compuestos se hidrolizan para generar el ion hipoclorito, que a su vez, entra en un equilibrio acuoso con el ácido hipocloroso:

HOCl –> H⁺ + ClO^–

La proporción de cada uno de estos compuestos depende principalmente del valor de pH del agua; en aguas entre 6,5 y 8,5 ambas especies estarán en equilibrio. Estos compuestos son conocidos como cloro libre. De las dos especies, el ácido hipocloroso presenta un mayor poder desinfectante, entre 80 y 100 veces superior al del ion hipoclorito.

Como resultado de la reacción del cloro libre con compuestos amoniacales habitualmente presentes en el agua tratada, se forman cloraminas, conocidas principalmente como cloro combinado. Las cloraminas presentan propiedades biocidas, aunque no tan efectivas como el ion hipoclorito o el ácido hipocloroso. Por consiguiente, para un adecuado control de los niveles de cloro en el agua, es imprescindible diferenciar perfectamente entre cloro libre y cloro combinado.

En el siguiente grafico se observa que el nivel de cloro total en el agua aumenta fruto de la reacción del cloro con los compuestos amoniacales, para generar cloraminas. Una vez todos los compuestos amoniacales han reaccionado, el cloro sigue actuando para oxidar las propias cloraminas y otros compuestos orgánicos presentes en el agua, disminuyendo su nivel residual hasta el “break point”, donde el cloro ha reaccionado con todos los compuestos oxidables presentes en el agua. Finalmente, una vez todos los compuestos han sido oxidados, el cloro añadido en el agua aumenta en forma de cloro libre.

Medición de cloro en continuo

La medición de los niveles de cloro en aplicación se ha realizado tradicionalmente mediante análisis fotométricos manuales. La determinación con el método DPD (N,N-Diethyl-p-Phenylenediamine) ha sido el sistema mas utilizado, al permitir detectar bajas concentraciones de cloro y diferenciar de forma muy simple el cloro libre del cloro combinado.

Cloro total = Cloro libre + Cloro combinado

Las crecientes necesidades del mercado para realizar el control de procesos en continuo y de forma totalmente automatizada han dado lugar al desarrollo de nuevos sistemas de medición que permiten el análisis en línea de los niveles de cloro. Estos sistemas permiten además que la dosificación de la demanda de cloro se pueda realizar de forma totalmente automática, garantizando un control total del proceso y reduciendo los costes operacionales.

Uno de los primeros métodos utilizados para el control en línea de los niveles de cloro fue la medición del potencial redox, a través de las sondas ORP (Oxidation Reduction Potential). Estas sondas permiten determinar el potencial oxidante del agua tratada, que es proporcional a los niveles de cloro total presentes en el agua. Este método, aún muy aplicado para control de aguas de piscinas, presenta algunos inconvenientes: no es selectivo, no permite diferenciar las distintas especies de cloro y carece de precisión para concentraciones bajas.

La medición “on line” a través de colorimetría DPD también ha sido utilizada para medición de cloro en continuo. El equipo toma muestra del agua a analizar, añade automáticamente reactivos y, mediante una determinación espectrofotométrica, determina el contenido en cloro (libre o total, según el reactivo DPD utilizado). Este sistema también presenta algunos inconvenientes: uso de reactivos químicos, mediciones discretas, elevadas exigencias de mantenimiento y posibles interferencias en las medidas colorimétricas.

Los analizadores de cloro libre basados en sondas amperométricas no son nuevos en el mercado. Sin embargo, gracias a la gran evolución tecnológica sufrida por las sondas de medición selectivas durante los últimos años, se ha producido una creciente implantación de las sondas amperométricas para la medición del cloro libre. Las sondas amperométricas miden las variaciones de corriente eléctrica entre dos electrodos (ánodo y cátodo), fruto de la reacción redox que sufre la especie a analizar (ej/ acido hipocloroso). El flujo eléctrico generado es proporcional a la concentración de la especie a determinar.

El primer sistema amperométrico utilizado, basado en doble electrodo de Oro-Cobre presentaba serias limitaciones, pues las reacciones en la superficie de los electrodos y el ensuciamiento causaban gran inestabilidad, siendo necesario un sistema de limpieza con arena y un sistema de agitación. Además, se producía un rápido deterioro del electrodo de cobre. Este tipo de sondas se denominan abiertas.

A principios de los 70, se desarrolló el primer sensor con membrana selectiva o hidrofóbica, pero no fue hasta la década de los 90 que se introdujo una mejora significativa en el diseño, añadiendo un tercer electrodo. Posteriormente, se han mejorado las propiedades del electrolito y de la membrana, siendo los electrodos actuales capaces de detectar acido hipocloroso e ion hipoclorito, además de compensar medición según pH (gracias al electrolito) y según temperatura (gracias a un sensor de temperatura integrado en el sensor).

Como resultado de esta evolución, actualmente nos podemos encontrar en el mercado las siguientes tecnologías de sensores amperométricos:

• Abiertos – Dispone de espiral con bolas autolimpiantes.
• Cerrados (de membrana selectiva, también conocidos como “de puro”) – Corresponden a los sensores de última generación. Dispone de la membrana selectiva que solo deja pasar los iones de ácido hipocloroso. Estas membranas pueden llegar a ser específicas según el agua tratada, en función de si contiene ácido isocianurico (sonda orgánica) o no (sonda inorgánica). Requiere de un mantenimiento periódico, para reemplazar membrana y electrolito.

PROQUIMIA, consciente de las características de cada tecnología de sensores, así como de las necesidades que requiere cada proceso donde el cloro es utilizado, selecciona el mejor sensor para cada caso, con el fin de conseguir la máxima  precisión de medida, el mejor control del proceso y la minimización de los costes operacionales.

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Referencias bibliográficas:

 John W. Clark; Understanding On-line Amperometric Chlorine Measurements ; Chemtrac, Inc., Norcross, GA

Dr. Jürgen Schleicher ; Information on the amperometric measurement of free chlorine, chlorine dioxide and ozone in water; JUMO, FAS 619, Edition 01.08

Autor: Josep Mª Albacete/ Carles Bertrana