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

Nota del editor: esta es la quinta entrega de una serie de varias partes de 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 complementario para controlar el crecimiento microbiano o para atacar colonias sésiles que resisten a los oxidantes. En estas situaciones, los biocidas no oxidantes pueden ser muy valiosos. Los no oxidantes también pueden ser necesarios para atacar a los organismos macroincrustantes como los mejillones 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 los químicos. El uso periódico de un biocida no oxidante, por ejemplo, una o dos veces por semana durante un tiempo relativamente corto, puede ayudar a controlar el crecimiento microbiano. Mientras que los biocidas oxidantes normalmente dañan las paredes celulares y provocan la muerte por fuga de las partes internas del organismo (lisis), muchos de los no oxidantes penetran en el limo y luego en las paredes celulares para reaccionar con los compuestos celulares que son necesarios para la vida. (1)

Los compuestos tienen diversos grados de eficacia y pueden dirigirse a algunos organismos sobre otros. Tanto la eficacia como la descomposición química residual suelen estar 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 aplicaciones de tratamiento de agua y pulpa y papel, y en el campo petrolero sirve para tratar agua de reposición para fluidos de fracturamiento. El compuesto reacciona irreversiblemente con los aminoácidos que contienen azufre en el interior de las células y causa la muerte.

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

DBNPA es efectivo para otras aplicaciones. Por ejemplo, hace varios años, el autor, en consulta con un proveedor químico experimentado, seleccionó DBNPA para aliviar el ensuciamiento microbiológico en unidades de ósmosis inversa (OI) 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 maquillaje tenía filtros de carbón activado para eliminar el cloro antes de la unidad de RO.

Sin embargo, por lo general, algunos organismos sobreviven a la cloración y luego florecen una vez que se elimina el químico. (Además, un lecho de carbón activado elimina los oxidantes en las primeras pulgadas, dejando el resto del lecho como un excelente lugar para la incubación de los microbios sobrevivientes). Puede resultar en un ensuciamiento grave de la membrana, que ocurrió en este sistema. La alimentación de DBNPA durante una hora dos veces por semana resolvió el problema.

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

Bronopol se usa ampliamente en aplicaciones de tratamiento de agua y, al igual que DBNPA, ha visto algunas aplicaciones en el campo petrolero. Bronopol es particularmente eficaz contra la bacteria Pseudomonas. El compuesto parece funcionar por diferentes mecanismos dependiendo de si las condiciones son aeróbicas o anaeróbicas. Bronopol no es un biocida de acción rápida. El compuesto puede liberar formaldehído tras la descomposición, 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 sulfito.

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 estabilizadores, 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 una buena reactividad frente a los hongos. Aparte de las aplicaciones de agua de refrigeración, MIT, en concentraciones muy pequeñas, 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 las bacterias reductoras de azufre (SRB) están presentes, las isotiazolonas pueden no ser muy efectivas. El pH elevado (> 9,5) acortará la vida media de CMIT, pero MIT es estable incluso a un pH superior a 10. El bisulfito de sodio desactiva las isotiazolonas.

glutaraldehído

El glutaraldehído se usa a menudo en aplicaciones de tratamiento de aguas industriales, incluidas las operaciones de petróleo y gas, la industria del papel y la esterilización de instrumentos médicos. Dentro de las células, el compuesto desactiva dos aminoácidos esenciales, la lisina y la arginina, que son esenciales para el metabolismo celular. La eficacia es mayor dentro de un rango de pH alcalino de 7-10, 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 "cuaternarios", como se denominan comúnmente, se han utilizado ampliamente en una amplia variedad de aplicaciones de refrigeración y agua de proceso. 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 alimentan comúnmente en combinación con otros biocidas. Los cuaternarios también se utilizan como inhibidores de la corrosión de aminas filmógenas.

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

La formación de espuma es una preocupación con las aminas cuaternarias, pero ahora hay disponibles compuestos de baja espuma. Las propiedades tensioactivas de los cuaternarios pueden inhibir la separación de emulsiones de aceite/agua en los sistemas de producción de yacimientos petrolíferos, y el agua dura puede disminuir la actividad biocida de los compuestos. (3) Los cuaternarios pueden reaccionar con inhibidores de corrosión e incrustaciones 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 tienen un camino hacia los sistemas de enfriamiento, la situación puede ser completamente diferente. Un caso clásico es el de los mejillones cebra, donde, como se señaló en la Parte 3 de esta serie, los mejillones se adhieren a las superficies, incluyéndose entre sí, con filamentos delgados conocidos como hilos bisales. Luego residen cómodamente al filtrar el agua de enfriamiento que fluye. Los mejillones pueden sentir biocidas oxidantes, y cuando se inicia la alimentación durante las dos horas por día (o cualquier período de tiempo permitido por el permiso NPDES de la planta), se "cerrarán" (perdón por el juego de palabras) hasta que las condiciones tóxicas desaparezcan, una vez que alegremente reanudarán la filtración del agua refrescante para la comida.

Los oxidantes son letales para los organismos adultos si el personal de la planta puede obtener una variación 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, sobre lo cual el oxidante causa daño. Sin embargo, las agencias reguladoras a menudo son reacias a otorgar tales variaciones.

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

Los compuestos no oxidantes presentan 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 del 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 descomponen naturalmente.

Al igual que con cualquier químico, es muy importante seguir los procedimientos de seguridad adecuados cuando se manipulan no oxidantes. El personal de la planta debe usar todo el equipo de protección personal requerido para cualquier químico en particular y debe seguir todos los procedimientos de manejo 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 biocidas oxidantes bien diseñado, mantenido y operado, pero esto puede no ser suficiente para condiciones difíciles. Los alimentos 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 pautas reglamentarias.

Esta discusión representa una buena práctica de ingeniería desarrollada con el tiempo. Sin embargo, es responsabilidad de los propietarios de la planta, los operadores y el personal técnico implementar programas confiables basados ​​en consultas con expertos de la industria. Se incluyen muchos detalles adicionales en el diseño y el uso posterior de estas tecnologías que se pueden esbozar en un solo artículo.

Referencias

Acerca del autor: Brad Buecker es presidente de Buecker & Associates, LLC, consultoría y redacción técnica/mercadeo. Más recientemente, se desempeñó como publicista técnico sénior en ChemTreat, Inc. Tiene más de cuatro décadas de experiencia en las industrias de tratamiento de agua industrial y energía, o apoyando a las mismas, 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, balances de energía y materiales y química inorgánica avanzada. Es autor o coautor de más de 250 artículos para varias revistas comerciales técnicas y ha escrito tres libros sobre química de centrales eléctricas y control de la contaminación del aire. Se le puede contactar en [email protected].