El papel del Zinc en la formación de cal

En este capítulo queremos mostrar el comportamiento de la cal cuando tenemos un poco de Cinc en el agua.

Debido a que muchas explicaciones tienen que ver con la propia química, hacemos la advertencia de que la cal, en sus diversas formas no es otra cosa que Carbonato Cálcico, es decir CaCO₃.

También nos gustaría empezar hablando de las primeras fases de creación del Carbonato Cálcico y de los factores generales que influyen en esas fases, ya que su definición nos ayudará a comprender mejor la relación con el Cinc:

• Llamamos “período de inducción” al tiempo que pasa desde la creación de la primera molécula de Carbonato Cálcico hasta la formación de los primeros núcleos.
• Posteriormente tendremos la “nucleación” que es crecimiento de todos esos pequeñísimos núcleos, para posteriormente tener
• El “crecimiento del cristal” cuando ya empieza a tener mayores dimensiones.

Esas tres fases son muy importantes ya que definirán la fuerza y dureza de cada capa. Por tanto, dependiendo de las condiciones iniciales en las que se encuentre el agua tendremos un resultado u otro.

A continuación pasamos a relacionar los parámetros que influyen en esa creación, por orden de importancia:

1) Contenido de Calcio: es el parámetro más importante de todos, así que a mayor contenido de Calcio mayor cantidad de incrustaciones.

Sin embargo, la cantidad final de Carbonato Cálcico que tendremos estará limitada por la cantidad de Bicarbonatos, molécula con la que el Calcio previamente se une. Así que, a mayor dureza temporal (y no dureza total, para más información ver blog ¿Qué es la dureza del agua?) mayor nivel de saturación y mayor cantidad de incrustaciones.

Ca²⁺ + 2HCO₃^– <=> CaCO₃ + CO₂ + H₂O

2) pH: el efecto del pH es más significativo que la temperatura. Se ha demostrado experimentalmente (1) que un incremento del pH de 7 a 8 genera incrustaciones cinco veces más que un cambio de temperatura de 70 ºC en muestras de igual dureza.

Por otro lado, las soluciones altamente alcalinas son más proclives a la formación de cristales de aragonita en vez de calcita (2).

3) Temperatura: a mayor temperatura más CO₂ se desprende y por tanto se crean más incrustaciones debido al desequilibrio en la reacción anterior. A mayor temperatura sucede que el período de inducción se acorta.

Así que, si tenemos una temperatura baja necesitaremos para que el CaCO₃ precipite: o bien un pH alto o un gran contenido de Calcio (o ambos a la vez).

Pero además la temperatura es importante por otros motivos y es que normalmente la primera fase de cristalización empezará por la aragonita, especialmente a altas temperaturas, para después recristalizar y formar calcita.

Así encontramos que por debajo de 50 ºC – 60 ºC la calcita es el cristal termodinámicamente más estable. Por encima de ese límite la aragonita será el cristal que se forme y en ese mismo margen los dos cristales pueden estar presentes (3).

De esa manera se ha comprobado en calderas que haciendo pruebas de corta duración y alta temperatura podemos encontrar depósitos de aragonita en las resistencias (4).

4) Velocidad del agua: se ha demostrado que las incrustaciones se reducen en tanto la velocidad de paso del agua se reduce (5). La lógica de lo anterior también la podemos encontrar pensando que a mayor velocidad de paso del agua tendremos un mayor aporte de Calcio.

5) Calidad del agua: la presencia impurezas orgánicas e inorgánicas pueden influir significativamente en el proceso de crecimiento de cristales (6).

Las impurezas que contengan los iones Fe²⁺, Mg²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺ favorecen la formación de aragonita cuando las condiciones son favorables para la calcita. Además hay un aumento en el período de inducción.

Las impurezas con Mn²⁺, Cd²⁺, Sr²⁺, Pb²⁺ y Ba²⁺ favorecen la presencia de calcita.

La opinión general es que la presencia de partículas en la precipitación del Carbonato Cálcico debilita la estructura de la incrustación (7). También se ha comprobado que debido a la presencia de ciertas impurezas en el agua, la aragonita puede ser estable y además retrasar la nucleación del Carbonato Cálcico a temperatura ambiente (8).

Por último nos gustaría llamar la atención sobre las aguas naturales y las sintéticas que normalmente se usan en los laboratorios para experimentación, ya que las diferencias entre las dos genera unas diferencias muy llamativas. Las aguas naturales son más resistentes a la precipitación del Carbonato Cálcico y nos podemos encontrar que para una misma dureza y a una temperatura de 70 ºC, en el agua natural haya hasta un 40 % menos de incrustaciones.

6) Material de la tuberías: la fuerza de adhesión de las incrustaciones a cualquier material depende del grado de rugosidad de esa superficie. Así podemos citar de mayor a menor rugosidad: cobre, aluminio, acero galvanizado, latón, acero inoxidable… (9).

Antes de empezar hablar sobre el Cinc lo primero que hay que resaltar es que es el mejor mineral de todos los presentes de manera natural en el agua para evitar las incrustaciones. También se ha podido comprobar que su disolución de manera electrolítica y teniendo como cátodo al Cobre tiene mucho mejor resultado que si lo disolvemos de manera química (10).

Estos serían los efectos:

A) Período de inducción

El Cinc lo retrasa tanto más cuanto más cantidad exista en relación con la cantidad de Calcio presente en el agua. Dicho efecto empieza a notarse por encima de 0,06×10^-3 Zn/Ca (11), es decir, que si tenemos 100 mg/l de Calcio necesitamos al menos 0,006 mg/l de Cinc para ver algún efecto.

También la precipitación del Carbonato Cálcico comienza a un mayor pH en presencia del Cinc.

Antes de pasar a la nucleación no podemos pasar por alto otro fenómeno que es el de la inhibición, es decir, la presencia del Cinc bloquea la creación de Carbonato Cálcico. Se ha llegado a registrar hasta un 80 % de inhibición en condiciones de altos contenidos de Cinc y temperaturas en el entorno de 40 ºC (12).

B) Nucleación:

Debido a que el Cinc precipita preferentemente como Carbonato de Cinc (entorno a un 40 % del total) y ese cristal es muy parecido a la calcita, bloquea el crecimiento y provoca que el Carbonato Cálcico precipite en forma de aragonita.

C) Crecimiento del cristal:

El Cinc provoca un crecimiento más lento de los cristales.

Hay que señalar que dependiendo de la relación Zn/Ca así será la tasa de conversión de los cristales de calcita en aragonita. No olvidar que en el resultado final tanto de porcentaje de inhibición como de conversión de cristales, los parámetros químicos hablados anteriormente ayudarán o empeorarán el resultado final.

Como resumen de todo lo anterior podemos decir que para un agua natural cumpliendo la legislación para ser agua potable, con una dureza total de hasta 45 ºF y para temperaturas en el entorno de los 80 ºC los descalcificadores inhibidores de cal electrolíticos de Cinc tienen los siguientes resultados:

1. Inhibición de la formación de los depósitos calcáreos entorno a un 20 % – 30 %.
2. Del otro 80 % – 70 % de depósitos calcáreos que sí que se forman, el cristal que mayoritariamente se creará será la aragonita (del orden del 80 % – 90 %), cristal no incrustante y que la propia corriente lo arrastra y manda al desagüe.

Se podrán mejorar esos resultados a medida que: tengamos un menor contenido de Calcio, un pH bajo, una temperatura baja y/o de corta duración, velocidades de paso del agua bajas y una conductividad o presencia de minerales alta.

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(1) Dawson, 1990

(2) Kitamura et al., 2002

(3) Coetzee et al., 2006

(4) Andritsos et al., 1997

(5) Müller-Steinhagen, 2000

(6) Gabrielli et al., 1999

(7) Andritsos y Karabelas, 2.003

(8) Söhnel y Mullin, 1982

(9) Keysar et al., 1994

(10) MacAdam y Parsons 2004

(11) Coetzee et al., 1996

(12) Meyer 1984