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CAPTULO 16OXGENO DISUELTO16.1Aspectos generalesEl oxgeno disuelto proviene de la mezcla del agua con el aire, ocasionada por el viento y/o, en la mayora de los casos, principalmente del oxgeno que liberan las plantas acuticas en sus procesos de fotosntesis. La solubilidad del oxgeno como la de cualquier otro gas en el agua, depende de la presin atmosfrica imperante en cada sitio, de la temperatura media del cuerpo de aguas y de su contenido en sales disueltas. En trminos generales, la solubilidad del O2 en el agua es directamente proporcional a la presin e inversamente proporcional a la temperatura y a la concentracin de sales disueltas.

La dependencia de la temperatura en la solubilidad de un gas puede observarse en hechos cotidianos tales como el de hervir agua en un recipiente, mediante el burbujeo que se desprende conforme va subiendo la temperatura. La dependencia de la presin puede observarse en el simple hecho de destapar una bebida carbonatada por la efervescencia que se produce cuando se equilibra la presin interna de la botella con la presin exterior.

Una consecuencia de la dependencia de la presin en la solubilidad de un gas en el agua, la constituye el llamado mal de montaa (soplos o picadas en el pecho) generado por el desprendimiento de oxgeno en la sangre cuando el cuerpo cambia bruscamente de presin. Esta dependencia se expresa matemticamente mediante la Ley de Henry, C = kP, en donde C es igual a la concentracin molar del oxgeno, k es una constante de proporcionalidad igual a 0,00035

MOL

LITRO x ATMSFERA

y P igual a la presin del agua a una determinada profundidad.

Aun cuando no existe una concentracin mnima de oxgeno que cause efectos fisiolgicos adversos sobre la salud humana, s existe una limitante en cuanto a la cantidad de O2 que se requiere para sostener la vida de los peces en los cuerpos de agua superficiales. En general, se acepta que una concentracin de 5 mg/l es adecuada para estos fines, en tanto que concentraciones inferiores a 3 mg/l pueden ser letales para la fauna pisccola de un lago o reservorio.

Para muchos fines industriales el O2 en el agua suele ser inadecuado, debido a los problemas de corrosin asociados a l, que afectan las tuberas, calderas y dems partes metlicas por donde circula el agua.

Por ser el oxgeno un gas, las muestras para su anlisis deben tomarse evitando al mximo la agitacin y la introduccin o escape de los gases contenidos en la muestra. Los recipientes ms adecuados para estos fines son las conocidas botellas Winkler, aptas no solo para el muestreo sino tambin para el anlisis del oxgeno. El anlisis debe realizarse, preferiblemente, en el mismo sitio de muestreo. Cuando esto no es posible, se debe fijar el O2 mediante la adicin de los dos primeros reactivos de anlisis y luego tapar hermticamente la botella, con un sello de agua, para su posterior titulacin en el laboratorio.

16.2Degradacin de la materia orgnicaEl mecanismo por el cual se biodegrada la materia orgnica y las reacciones bioqumicas y fisicoqumicas involucradas han sido ampliamente estudiadas por diversos autores, (Baedecker,

1980; Farquhar, 1988). La existencia del agua como medio en donde ocurren dichos procesos, es el primer requisito. Una vez que se cuenta con materia orgnica y suficiente agua, se desencadena espontneamente una serie de procesos que conduce a la descomposicin de la materia orgnica y, que en esencia, es igual para cualquier cuerpo de aguas, lagos, ros, ARDs, lixiviados orgnicos, etc.

El agua, por s misma, constituye el medio en donde ocurren las reacciones qumicas involucradas, el elemento esencial para la actividad bacteriana, el solvente de los materiales orgnicos e inorgnicos, el medio de transporte de la contaminacin y el cuerpo que se contamina.

Cuando existe abundante cantidad de materia orgnica, el crecimiento bacteriano se ve favorecido enormemente y, como consecuencia de ello, los niveles de oxgeno disuelto dentro de la masa de agua se reducen rpidamente a cero. Tanto el metabolismo bacteriano como las consecuencias de un medio fuertemente reductor, son responsables de la acidificacin progresiva del medio, (Baedecker, 1980).

A continuacin se describe la secuencia de reacciones bioqumicas que pueden ocurrir en cualquier cuerpo de aguas con alto contenido de materia orgnica, (Ryan, C. 1995. Notas de clase):

CH2O + O2H2O + CO2(1)5 CH2O + 4 NO3

2 N2 + 5 HCO3

+ H+

+ 2 H2O(2)CH2O + 2 MnO2 + 3H+2Mn2 + HCO3

+ 2 H2O(3)CH O + 4Fe(OH) + 7H+

4 Fe2+

+HCO

+ 10 H2O(4)2 CH O + SO =

HS

+ 2 HCO3

+ H+

(5)

2 CH2O + H2OCH4+ HCO3

+H+

(6)

Las anteriores ecuaciones estn escritas secuencialmente en trminos del potencial redox, de ambiente oxidante a ambiente reductor. Son excluyentes en el sentido de que la una no ocurre mientras la anterior no se haya agotado. Todas ellas involucran la participacin de microorganismos especficos. As, por ejemplo, la ecuacin (1) representa la oxidacin de la materia orgnica en medio aerbico, fcilmente perceptible en los cuerpos de agua bien oxigenados.

La ecuacin (2) representa los procesos de desnitrificacin y las ecuaciones (3) y (4), la reduccin de hierro y manganeso respectivamente. Ntese como la solubilizacin de hierro y manganeso (elementos presentes en algunas fuentes naturales) en el agua, se halla estrechamente relacionada con la presencia de materia orgnica, capaz de crear y mantener un medio reductor. Estas condiciones suelen encontrarse naturalmente en las aguas subterrneas profundas de algunas cuencas sedimentarias y en el fondo de los grandes lagos y embalses.

La ecuacin (5) representa la generacin de sulfuros, fcilmente perceptible por simple anlisis organolptico en las aguas estancadas. La ecuacin (6) representa el estado reductor ms bajo posible y su ocurrencia esta supeditada no solamente a la existencia de abundante materia orgnica, sino a que se hallan agotado las reservas de los otros oxidantes disponibles en la masa de agua: oxgeno, nitratos, manganeso IV, hierro III y sulfatos. La reaccin (6) se conoce como metano-gnesis y puede observarse en el interior de los rellenos sanitarios y en las aguas

subterrneas de largos tiempos de residencia1, presentes en algunas cuencas sedimentarias como las de la Sabana de Bogot, hacia los sectores de Funza, Mosquera y Fontibn.

El mecanismo de biodegradacin de la materia orgnica marca pautas de calidad de agua muy importantes para el trabajo en campo. As, por ejemplo, si se observa que la fuente examinada presenta olor a sulfuros, con seguridad no tiene oxgeno, ni nitrataos. Si se observa que la fuente examinada se encuentra bien aireada, con seguridad no contiene hierro o manganeso en solucin, etc.

16.3Medicin por el mtodo de WinklerExisten bsicamente dos mtodos para medir el oxgeno disuelto en una muestra de agua. El mtodo tradicional de Winkler y el mtodo de medicin por electrodo especfico. Este ltimo se asemeja a un pHmetro, en el sentido de que el sensor del instrumento, es un electrodo que posee una membrana permeable especficamente al oxgeno. Aunque el mtodo de Winkler implica un procedimiento operativo dispendioso, su laboriosidad es ampliamente compensada con la reproducibilidad y exactitud de las medidas.

FIGURA 16.1 EQUIPO DE CAMPO PARA LA MEDICIN DE OXGENO DISUELTO. FUENTE: AUTOR16.3.1Medicin de oxgeno disuelto, mtodo de WinklerLas mediciones de oxgeno por este mtodo implican la toma de muestras en una botella Winkler, la cual es simplemente un recipiente de vidrio con tapa hermtica, que esta diseado de tal forma que posibilita la toma de muestras sin dejar atrapadas burbujas en el interior de la botella.

1 Se refiere al tiempo que permanece el agua dentro del acufero y que generalmente se mide en trminos de cientos o miles de aos.Para muestras de agua de cauces pequeos y poco profundos, el procedimiento implica sumergir la botella cerrada hasta aproximadamente unos 10 cm bajo la superficie del agua, abrirla bajo el agua para tomar la muestra y, posteriormente, tapar la botella bajo el agua antes de sacarla a la superficie.

FIGURA 16.2 SECUENCIA OPERATIVA DE LA MEDICIN DE OD POR EL MTODO DE WINKLER. FUENTE: AUTORA la muestra, cuidadosamente tomada en una botella Winkler, se le adiciona 1 ml de solucin de sulfato manganoso (Reactivo 1) y 1 ml de solucin de Alcali-yoduro-azida (Reactivo 2) evitando al mximo el contacto de las muestras con las pipetas. Posteriormente se tapan los frascos cuidadosamente evitando atrapar burbujas de aire en su interior y se agitan las botellas para homogeneizar los reactivos.

Las muestras que contienen oxgeno formarn rpidamente un precipitado de color marrn, tanto ms abundante como mayor sea la concentracin de oxgeno en la muestra. A su vez, las muestras que no contienen oxgeno formarn un precipitado blanco de hidrxido manganoso, Mn(OH)2. Una vez que el precipitado marrn haya sedimentado, al menos hasta la mitad de la altura de la botella, se adiciona 1 ml de cido sulfrico concentrado (Reactivo 3), se tapa nuevamente la botella y se homogeneiza hasta disolucin total del precipitado marrn.

La tonalidad amarillo-quemado que se obtiene se debe al yodo que se ha formado, en una cantidad equivalente al oxgeno contenido en la muestra. El paso final consiste en la titulacin del yodo con una solucin patrn de tiosulfato de sodio.

Se toma entonces una alcuota de 100 ml de la botella Winkler y se titula con solucin de tiosulfato de sodio, Na2S2O3 0,02 N, hasta que la coloracin amarilla se torne muy tenue. En este punto de la titulacin, se adicionan a la mezcla reaccionante unas gotas de solucin indicadora de almidn y se continua titulando hasta la primera desaparicin de la coloracin azul.

NOTA:Algunas sustancias como los nitritos y el ion frrico, revierten la reaccin. Por ello es importante ser cuidadoso para detectar la primera desaparicin del color azul durante el proceso de titulacin. Por otra parte, tenga en cuenta que cada vez que agita el Erlenmeyer en el que esta titulando, se introduce oxgeno a la mezcla; ste oxgeno libera mas yodo, y el yodo a su vez, revierte nuevamente la coloracin de la mezcla de transparente a azul.

FIGURA 16.3 MEDICIN DE OXGENO DISUELTO EN CAMPO UTILIZANDO UN KIT DE WINKLER. FUENTE: AUTORA partir de la titulacin del yodo (I2) se determina la concentracin de oxgeno en la muestra mediante la ecuacin genrica V1 x N1 = V2 x N2. Los resultados se expresan en trminos de mg de oxgeno por litro de muestra, teniendo en cuenta que 1 mili equivalente-gramo de O2 corresponde a 8 mg de O2.

Algunas veces puede ser adecuado expresar tambin los datos en trminos del porcentaje de saturacin, es decir, el contenido de oxgeno en la muestra, en relacin con el mximo posible para

las condiciones geogrficas de ese lugar.

16.4Reacciones qumicas implcitasA.FIJACIN Y / O PRESERVACIN:MnSO4 + KOH Mn(OH)2 PRECIPITADO BLANCO + K2SO4 En ausencia de O2Mn(OH)2 + O2 2MnO(OH)2 PRECIPITADO MARRN En presencia O2Mn(OH)2 Flock blanco indicando ausencia de oxgeno2MnO(OH)2 Flock amarillo indicando presencia de oxgenoB.LIBERACIN DEL I2:MnO(OH)2 + 2KI + H2O Mn(OH)2 + I2 + 2KOHC.TITULACIN DEL YODO POR VOLUMETRA:I + 2 S O =

2 I

+ S4O616.5Prctica de laboratorioComo ejercicio de aplicacin para la medicin de Oxgeno Disuelto, se ha diseado una prctica de laboratorio en la que cada grupo de trabajo deber medir por el mtodo de Winkler y por el mtodo electromtrico, el contenido en oxgeno de las siguientes muestras:

Una muestra de agua de la llave.

Una muestra de agua estancada proveniente de los alrededores de la facultad.

Una muestra de ARD, previamente filtrada.

Una muestra de agua proveniente de un humedal.

Una muestra de Bretaa o Limonada Postobn2, recin destapada.Dos muestras de agua saturadas mecnicamente de oxgeno en el laboratorio, una de agua destilada y otra de una solucin de cloruro de sodio al 5,0%.

Mida paralelamente el oxgeno disuelto a las mismas muestras utilizando el oxmetro y compare los resultados.

2 Tenga en cuenta que para lograr una buena medicin en muestras como estas, de tan bajo valor de pH, es necesario aplicar un volumen de reactivos 1, 2 y 3, tres veces mayor que el habitual.

/

23

3

24

2 2 3

=