La cal desempeña un papel químico multifuncional, económico y eficiente en el tratamiento de aguas residuales industriales, y su función se extiende mucho más allá del simple ajuste ácido-base. Su valor fundamental radica en convertir los contaminantes disueltos en el agua en sólidos insolubles mediante una serie de procesos químicos y físicos, logrando así la separación y purificación.
1. Ajuste de pH y reacción de precipitación
Los componentes principales de la cal son el óxido de calcio (CaO) o el hidróxido de calcio (Ca(OH)₂), que forma un ambiente fuertemente alcalino cuando se disuelve en agua. Esta es la base de todas sus funciones.
Puede neutralizar rápidamente aguas residuales ácidas a condiciones neutras o alcalinas, creando las condiciones necesarias para el tratamiento posterior y la precipitación de metales.
En condiciones alcalinas, puede reaccionar con varios iones metálicos en agua para formar hidróxidos insolubles en agua o precipitados de sal. Por ejemplo:
Eliminación de metales pesados (como cobre, níquel, zinc, cromo): Cu²⁺ + Ca(OH)₂ → Cu(OH)₂↓ + Ca²⁺
Eliminación de fósforo: Reacción con ortofosfato para formar precipitado de hidroxiapatita: 5Ca²⁺ + 3PO₄³⁻ + OH⁻ → Ca₅(PO₄)₃(OH)↓
Eliminación de fluoruro: Formación de precipitado de fluoruro de calcio: Ca²⁺ + 2F⁻ → CaF₂↓
2. Efecto sinérgico de coagulación-coagulante
La cal no sólo proporciona un ambiente alcalino, sino que los iones calcio (Ca²⁺) que produce y el propio precipitado tienen un efecto sinérgico fisicoquímico:
Ca²⁺ puede comprimir la doble capa eléctrica de partículas coloidales en las aguas residuales, reduciendo su estabilidad y promoviendo la coagulación coloidal.
Los microsolubles de hidróxido de calcio generados y sus flóculos, durante la formación y sedimentación, actúan como una red fina, encapsulando, adsorbiendo y barriendo mecánicamente partículas finas suspendidas, pigmentos orgánicos y algunas sustancias coloidales en el agua, provocando que se sedimenten juntas. Este proceso mejora significativamente la eficiencia de eliminación de turbidez y color.
3. Capacidad de tratamiento avanzado de contaminantes específicos
En determinados escenarios de aguas residuales industriales, la cal juega un papel crucial:
Demulsificación y eliminación de aceite: Para aguas residuales aceitosas y emulsionadas, un ambiente de pH alto puede alterar la interfaz estable de las gotas de aceite emulsionadas, promoviendo la demulsificación y separación del aceite.
Saponificación: Puede saponificar ácidos grasos y otras materias orgánicas en aguas residuales, generando jabones de calcio insolubles, que son más fáciles de eliminar.
Solidificación química: Para aguas residuales que contienen sulfuros, arseniatos, etc., puede generar precipitados de sales de calcio más estables, reduciendo su toxicidad y migración.
4. Eliminación de dureza
La cal es más eficaz para eliminar la "dureza de carbonato" (es decir, la dureza de calcio y magnesio unida a iones de bicarbonato). La reacción principal es la "precipitación por alcalinización del bicarbonato":
Eliminación de la dureza del calcio: Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Esta reacción es crucial: los iones de calcio introducidos externamente (de la cal) reaccionan con el bicarbonato de calcio en el agua para formar un precipitado de carbonato de calcio. Teóricamente, eliminar 1 molécula de bicarbonato de calcio requiere 1 molécula de cal y produce 2 moléculas de precipitado de carbonato de calcio.
Eliminación de la dureza del magnesio: Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2H₂O
La eliminación del magnesio requiere un pH más alto (normalmente superior a 10,5) porque el hidróxido de magnesio tiene una menor solubilidad. La cal primero convierte el carbonato de magnesio en un precipitado de hidróxido de magnesio, mientras que simultáneamente convierte los iones de bicarbonato asociados en un precipitado de carbonato de calcio.
En aplicaciones que requieren un ablandamiento profundo de las aguas residuales (eliminando simultáneamente la dureza carbonatada y no carbonatada), se utiliza comúnmente el "proceso de cal-sosa".
Cal (Ca(OH)₂): Elimina la dureza de carbonatos (como se describe anteriormente).
Ceniza de sosa (Na₂CO₃): elimina la dureza sin carbonatos. Por ejemplo:
CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl
MgSO₄ + Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓ + Na₂SO₄
Este proceso combinado puede reducir la dureza total a un nivel bajo con un pH adecuado.