Los trihalometanos (THM) son sustancias químicas orgánicas que se forman como subproductos durante la desinfección del agua cuando se utiliza cloro u otros desinfectantes que contienen cloro o bromo.

Se forman por la reacción del cloro con la materia orgánica natural presente en el agua, por ejemplo: restos de hojas, algas o materia vegetal en descomposición.
El cloro reacciona con el carbono de la materia orgánica y forma Trihalometanos.

La fórmula general de los Trihalometanos es CHX₃, donde X representa un halógeno (Cl, Br o I).
Los principales trihalometanos que se encuentran en el agua potable son:

Los trihalometanos son tóxicos y algunos, como el cloroformo, se consideran posiblemente carcinogénicos para los humanos.

Por lo anterior, la OMS y las normas de calidad del agua potable, como la NCh 409 en Chile o la EPA en EE. UU., establecen límites máximos, normalmente del orden de 100 µg/L (0,1 mg/L) para la suma total de THM.

Para evitar su formación se pueden aplicar medidas como:

 - Optimizar la dosificación de cloro.
 - Eliminar materia orgánica antes de la desinfección (por coagulación, filtración, carbón activado, etc.).
 - Usar desinfectantes alternativos, como ozono o dióxido de cloro (aunque estos también generan otros subproductos).


¿Como se forman los THM durante la cloración del agua?


Cloración del agua

Cuando se agrega cloro o hipoclorito de sodio al agua, ocurre una reacción inmediata con el agua:

Dependiendo del pH del agua se mantendrá el siguiente equilibrio:

El ácido hipocloroso (HOCl), es el agente desinfectante activo. Este compuesto es muy oxidante y puede reaccionar con moléculas orgánicas presentes en el agua.


Presencia de materia orgánica natural 

Normalmente en el agua cruda de ríos, pozos o lagunas, hay compuestos orgánicos naturales, principalmente ácidos húmicos y fúlvicos, que se forman por la descomposición de vegetales. Estas moléculas contienen grupos funcionales reactivos como:

  •  C=CH₂             (dobles enlaces)
  • –CH₃               (metilos)
  • –OH o –COOH (hidroxilos o carboxilos)

Estos grupos funcionales reaccionan con el ácido hipocloroso, el cual sustituye los hidrógenos del carbono por cloro, mediante una reacción química de halogenación:

Si la reacción continúa, pueden reemplazarse más átomos de hidrógeno:

Finalmente, el grupo R se oxida generando otros subproductos y formando Cloroformo en el agua, uno de los THM más tóxicos:

Por otra parte, si el agua contiene iones Bromuro, estos pueden reaccionar con el ácido hipocloroso para dar lugar a ácido hipobromoso:

De esta manera el HBrO también reaccionará con la materia orgánica formando THM  de bromo, tal como el Bromoformo entre otros:


Efectos de los THM en el organismo

Los trihalometanos (THM) son tóxicos por la forma en que interactúan con las células del cuerpo humano y por su capacidad de formar compuestos reactivos que dañan tejidos, ADN y órganos.

Los THM, como el cloroformo, bromodiclorometano, dibromoclorometano y bromoformo son moléculas volátiles y lipofílicas:  Se disuelven fácilmente en las grasas, por lo que pueden atravesar membranas celulares.  Son metabolizadas por el hígado a compuestos altamente reactivos, como radicales libres.

En el hígado, los THM son transformados por enzimas (Ej. el citocromo P450) para formar fosgeno

El fosgeno (COCl₂) es un agente tóxico que puede, unirse a proteínas y lípidos celulares, dañar las mitocondrias y membranas celulares, además de causar necrosis hepática y renal.

La exposición a corto plazo a THM, por inhalación o consumo alto produce:

 - Náuseas, mareos, dolor de cabeza.
 - Alteraciones hepáticas y renales.
 - Irritación de mucosas y vías respiratorias.

A largo plazo, la exposición a niveles bajos pero continuos de THM puede:

 - Alterar el ADN, produciendo mutaciones genéticas.
 - Aumentar el riesgo de cáncer de hígado, riñón, vejiga o colon.
 - Producir efectos reproductivos.

Por estos efectos tan dañinos al organismo, la presencia en el agua no puede superar los 100 mg/L.

En cuanto a las vías de exposición los THM no sólo se ingieren al consumir agua potable o alimentos cocinados con aguas contaminadas.  También las personas se exponen a los THM por contacto con la piel durante una ducha o por inhalación al hervir agua, puesto que los THM se volatilizan.


Como se determina la presencia de THM en el agua

En las últimas décadas, la comprensión y preocupación sobre los riesgos asociados a la presencia de trihalometanos (THM) en el agua potable han aumentado de manera importante por los daños que ellos producen en el organismo. Como consecuencia, se han desarrollado e implementado diversas tecnologías analíticas destinadas a dotar a las plantas de tratamiento de agua de sistemas avanzados para el monitoreo en línea y la evaluación continua de los niveles de THM en el agua tratada.

La cloración ha sido utilizada como desinfectante del agua en todo el mundo por más de un siglo. El cloro y el hipoclorito de sodio son compuestos de fácil producción, almacenamiento y aplicación. Por otro lado, el agua clorada mantiene una concentración de cloro libre que garantiza su desinfección a lo largo de la red de agua hasta el punto de consumo.

Entre las principales ventajas de la cloración se destaca la gran reducción de enfermedades de origen bacteriano, viral y parasitario. Sin embargo, su desventaja es la posible formación de subproductos de desinfección, especialmente los trihalometanos (THM), sobre lo que ya hemos comentado.

Existen métodos alternativos de desinfección, como la ozonización o la radiación ultravioleta, sin embargo, sus costos de implementación y operación son más elevados. Por esta razón, la cloración continúa siendo la técnica más utilizada en los sistemas de tratamiento de agua de gran escala.

En diversas plantas de tratamiento de agua potable, la cuantificación de trihalometanos (THM) se realiza mediante análisis de laboratorio efectuados de manera discreta con baja frecuencia, es decir se toma una muestra en puntos representativos de la planta y se envían a un laboratorio de análisis.  Este proceso demora varios días y significa una manipulación de las muestras fuera de planta.  Quizás cuando las concentraciones de THM sean históricamente muy bajas (<10 ppb) esta metodología podría ser adecuada, sin embargo, no permite conocer variaciones o peak de concentración.

A diferencia de lo anterior, cuando las concentraciones son mayores es vital contar con sistemas de monitoreo mas rigurosos y continuos para tomar acciones a tiempo.

De acuerdo con las tendencias globales, es probable que la regulación se torne más estricta en el futuro, y el límite de 100 ppb que hoy es aceptable disminuya por estándares y una demanda más estricta.

Existen diversas tecnologías para la determinación de THM, cada una con sus propias características, ventajas y limitaciones, pero antes de seleccionar un sistema analítico, es conveniente evaluar, la frecuencia de control requerido, los costos (OPEX y CAPEX), dificultad de operación, soporte técnico, y confiabilidad del método.


Tecnologías  de Análisis


Fotometría

En esta técnica, se utiliza un material adsorbente donde se concentran los THM desde el agua.  Posteriormente se desorben sobre una mezcla de reactivos que producen una solución coloreada cuya absorción de luz es proporcional a la concentración de THM que se mide por espectrofotometría.


Cromatografía de Gases

Existen  algunos sistemas que utilizan la separación de los THM en fase gaseosa mediante una columna cromatográfica.  Estos sistemas se pueden acoplar a diferentes tipos de detectores tales como de ondas acústicas, de fluorescencia, de captura de electrones, de ionización térmica, o de fotoionización, para determinar la concentración de THM una vez separados en el cromatógrafo.  La captura de los THM desde el agua se realiza mediante trampas de adsorción y posterior desorción en la columna cromatográfica, o mediante membranas semipermeables.   Todos estos sistemas requieren un gas de arrastre como helio para movilizar los THM a través de la columna y algunos reactivos para hacer visibles los THM frente a los detectores.  En general estas técnicas son muy precisas sin embargo requieren de personal muy especializado para la operación.


Olfato electrónico

Los sistemas olfativos artificiales han adquirido una importancia creciente en el desarrollo de la industria moderna. 

El concepto de nariz electrónica (NE) constituye uno de los enfoques más eficientes para el análisis rápido y no destructivo de mezclas complejas. 

El principio de una nariz electrónica se basa en la ley de Henry.  Los compuestos volátiles presentes en una muestra de agua migran en un reactor hacia la fase gaseosa hasta alcanzar un equilibrio, existiendo una relación entre la presión parcial de los compuestos volátiles en la fase gaseosa con la concentración en la fase líquida. La interacción de los compuestos volátiles presentes en la muestra con un conjunto de sensores químicos o físicos, tendrá una respuesta que depende de la composición de la muestra. Estas respuestas se registran como patrones de señal que, mediante técnicas de procesamiento y análisis de datos, permiten identificar, clasificar y cuantificar los componentes de la muestra.

Los sensores empleados en las NE pueden ser de diferentes tipos según su principio de detección:

 - Sensores conductométricos o resistivos, que registran cambios en la conductancia o resistencia eléctrica del material sensor al interactuar con los compuestos volátiles;
 - Sensores electroquímicos, que generan una señal eléctrica proporcional a la concentración de un analito específico;
 - Sensores piezoeléctricos, basados en la variación de la frecuencia de resonancia de cristales piezoeléctricos al adsorber moléculas de la muestra.
 - Sensores ópticos, que detectan cambios en propiedades ópticas como absorbancia, fluorescencia o refracción ante la presencia de compuestos químicos. 

La selección del tipo de sensor y de la configuración del sistema depende de la naturaleza de la muestra, la complejidad de la mezcla y los requerimientos de sensibilidad y selectividad del análisis. La combinación de múltiples sensores con diferentes sensibilidades permite generar un patrón multivariable que aumenta la capacidad discriminatoria de la NE.


YALITECH Y LOS THM

Dada la importancia de los THM en el agua potable y sus efectos en el organismo, YaliTech cuenta con tecnología de última generación de la firma del Reino Unido Multisensor que ha desarrollado analizadores en línea de THM, basados en sensores tipo E-Nose, que determinan los THM directamente desde la fase gaseosa de una muestra de agua dentro de un pequeño estanque en el analizador.

La gran ventaja de estos analizadores es que no requieren reactivos ni gases especiales para el tratamiento de la muestra, además de no necesitar un operador especializado ni de continuas mantenciones.

La instalación, capacitación y soporte está dada por los ingenieros especializados de YaliTech.

El principio de funcionamiento de los analizadores de THM MS2000 S es la medición de los gases en la fase gaseosa de un estanque de muestra que contiene el agua que se va a medir.  Según la ley de Henry la concentración de una sustancia en la fase gaseosa sobre una muestra de agua es proporcional a su concentración en la fase acuosa.

La calibración del instrumento se realiza pasando una concentración conocida de THM por los sensores y generando coeficientes de calibración a partir de las respuestas obtenidas.

El MS2000 funciona haciendo pasar un flujo continuo de agua a través del estanque de muestra como se ve  en la figura abajo. Los componentes volátiles en el agua se repartirán entre la fase líquida y gaseosa hasta alcanzar un equilibrio.

Posteriormente, la muestra de los gases fluye hacia los sensores del analizador de THM MS2000, que tendrán una respuesta frente a los THM de la fase gaseosa. Esta respuesta es analizada por el instrumento y se genera un valor de concentración basado en la relación entre la concentración presente en la fase gaseosa y la del agua.

En la imagen a la izquierda se muestra un esquema del estanque de muestra donde los THM presentes se reparten entre la fase líquida y gaseosa según la Ley de Henry.  La muestra de agua se renueva cada una hora, por lo cual se puede monitorear los THM con dicha frecuencia.

En la imagen a la izquierda se aprecia en color verde un esquema del flujo de gases sobre la muestra de agua y su paso a través de los sensores del MS2000 S.

Una comparación entre datos de THM medidos por el MS2000 S y resultados obtenidos mediante cromatografía gaseosa para una misma planta de tratamiento de aguas, muestra una gran concordancia entre los valores obtenidos.

OBSERVACIONES FINALES

El MS2000 S de Multisensor, instalado, puesto en marcha y soportado por YaliTech SPA, ofrece a una planta de tratamiento de aguas, ya sea proveniente de causes naturales superficiales, pozos profundos, o en plantas desaladoras, un alto nivel de seguridad en materia del control de los posibles THM formados durante los procesos de desinfección.

El equipo no requiere un operador especializado ni requiere reactivos adicionales para su operación, lo que se traduce en un bajo valor de OPEX, a diferencia de otras tecnologías.

Las mediciones se realizarán cada 60 minutos con una precisión de +/- 10% en un rango hasta 200 ppb de THM, y una reproducibilidad de +/- 2%.

Adicionalmente el equipo cuenta con protocolos de comunicación que permitirán tomar acciones inmediatas ante alteraciones en las concentraciones de THM.


VENTAJAS DEL EQUIPO

 → Bajos costos de operación: No requiere reactivos o gases especiales
 → Tiempo de vida del sensor: Sobre 5 años.
 → Baja mantención:  No requiere limpieza del sensor.
 → Frecuencia de análisis:  Cada 1 hora con resultado inmediato.
 → Bajo costo de adquisición.

 

No dudes en contactárnos al teléfono: (+56 2) 28988221 o al mail: contacto@yalitech.cl