La mayor parte de la química en el agua es electroquímica, es decir, implica el intercambio de electrones entre especies químicas. Las reacciones electroquímicas subyacen a la fermentación, la digestión anaeróbica, la eliminación de fósforo, el lavado, el cromado, la destrucción de cianuro y la corrosión.
Los valores de ORP son la moneda con la que medir y controlar estos procesos. Si se quiere asegurar de que ocurran como se espera, se debe conocer su ORP y poder controlarlo; el valor de ORP medido en una disolución proporciona una medida inequívoca de la eficacia de la desinfección (no hay productos químicos en concentración apreciable que se oxiden o reduzcan sin generar un proceso de desinfección).
La creciente aceptación de las mediciones de ORP en la desinfección es solo un ejemplo del uso cada vez mayor de este parámetro a menudo incomprendido en todo lo relacionado con el agua y las aguas residuales.
Las mediciones de cloro libre basadas en sondas, por otro lado, deben corregirse para el pH a fin de obtener el valor correcto de cloro libre. Incluso entonces, una medición de cloro libre, que en realidad es la suma de dos especies de diferente poder desinfectante (HOCl y OCl-) tiene una eficacia desinfectante variable dependiendo del pH. Sin embargo, el hecho de que una medición de ORP no necesite ser corregida para el pH no significa que el pH no la afecte. Por el contrario, en casi todos los procesos de tratamiento de aguas, el pH definitivamente afecta la lectura de ORP. No saber esto afecta la comprensión de lo que está ocurriendo y la obtención de los resultados esperados.
Por ejemplo, si bien el cloro (hipoclorito de sodio – NaOCl) y la soda (soda cáustica – NaOH) tienen un fuerte poder desinfectante su combinación no crea un “súper desinfectante”; de hecho dicha mezcla produce el efecto contrario. Ambos desinfectan, ambos matan a los patógenos. El hipoclorito descompone la materia orgánica a través de la oxidación. La Soda cáustica descompone la materia orgánica a través del proceso de hidrólisis. Se puede agregarlos secuencialmente con gran efecto, pero no al mismo tiempo. Agregar ambos juntos para matar a más bacterias es como mezclar barbitúricos y alcohol para aliviar el estrés. Una prueba de laboratorio con cloro dio una lectura de ORP de 800 mV (un valor alto y adecuado para la desinfección) pero al agregar soda, este valor baja a 400 mV (una pérdida significativa de poder oxidante y por lo tanto poco desinfectante). Entonces la mezcla en lugar de generar un “súper desinfectante” cancela el efecto dando una disolución con una menor capacidad.
Para entenderlo, debemos analizar la química del hipoclorito. Recuerde que cada reacción redox puede dividirse en una semirreacción de oxidación y una semirreacción de reducción. La reacción de oxidación no nos concierne, pero resulta en la destrucción de la materia orgánica y, al hacerlo, genera electrones. La semirreacción de reducción para el hipoclorito consume estos electrones y es:
2 𝐻+ + 𝑂𝐶𝑙− + 𝑒− → 𝐶𝑙− + 𝐻2𝑂; 𝐸0 = 0.90 𝑉 Eq. 1
El 900 mV asociado con esta reacción es el potencial que uno leería si las concentraciones de OCl-, H + y Cl- están presentes en 1 mol / litro (1 M). Si la concentración de hipoclorito aumenta, entonces el voltaje aumenta y, si disminuye, el voltaje disminuye. La ecuación de Nernst nos da la magnitud del voltaje en función de las concentraciones y la temperatura. Aumentar la concentración de especies a la izquierda del signo de flecha (también conocido como «reactivos») aumenta el voltaje mientras que al aumentar la concentración de especies a la derecha (también conocido como «productos») disminuye el voltaje. Agregar reactivos es como «arrojar combustible al fuego».
En realidad, hay algo más que esta reacción con hipoclorito. Esto se debe a que el OCl- se convierte en HOCl, ácido hipocloroso, a niveles de pH ácido:
𝐻+ + 𝑂𝐶𝑙− → 𝐻𝑂𝐶𝑙 Eq. 2
Una reacción de reducción similar ocurre con la especie neutral HOCl:
𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝐻+ + 2𝑒− → 𝐶𝑙− + 𝐻2𝑂; 𝐸0 = 1.49 𝑉 Eq. 3
Los electrones y protones (iones H+) forman el lado izquierdo de ambas ecuaciones. El potencial de reducción de HOCl es mucho mayor que el de OCl-. Eso explica por qué HOCl es un agente oxidante mucho más poderoso que el OCl-. (Además, el HOCl es un desinfectante más potente porque es una molécula neutral y, por lo tanto, se desliza a través de las membranas celulares de las bacterias mucho más rápido que el OCl- cargado).
Al bajar el pH de una disolución de un agente oxidante se genera un valor de ORP cada vez más positivo. Al aumentar el pH en una disolución de un agente reductor genera un valor ORP cada vez más negativo; hay excepciones a esta regla, como la oxidación del hierro. Pero esta simple regla general se aplicará a la gran mayoría de la química redox que se encuentra en el tratamiento de aguas y aguas residuales.
Adaptado de “ORP and pH — What You Don’t Know Can Hurt You” Mark Spencer, PhD, President of Water Analytics