Durezza

La durezza di un'acqua è in relazione al contenuto in ioni di metalli alcalino-terrosi, soprattutto Ca⁺⁺ e Mg⁺⁺. La presenza di questi ioni conferisce all'acqua particolari proprietà, che in genere costituiscono un elemento di deprezzamento. Ad esempio l'acqua per uso domestico rende più sgradevole il sapore di certi cibi ed ostacola la cottura di altri, quando possieda un elevato grado di durezza; al di sopra di un certo limite, poi, l'acqua deve essere ritenuta non potabile. L'acqua per usi industriali è parimenti deprezzata, se molto dura, per ben noti fenomeni di incrostazioni ecc. che produce nei recipienti con cui viene a contatto (es. caldaie).

La durezza è misurata in gradi francesi. I gradi francesi corrispondono ai mg di CaCO₃ presenti in 100 ml di acqua, per cui anche il magnesio e gli altri ioni, sono convenzionalmente espressi come carbonato di calcio.

La durezza delle acque viene distinta in permanente, quando persiste anche dopo prolungata ebollizione ed in temporanea, se se dopo identico trattamento. Quest'ultima è dovuta all'azione dello ione HCO₃^- che all'ebollizione sottrae ioni alcalino-terrosi in seguito a precipitazione:

2HCO₃^- + Ca⁺⁺ CaCO₃ + CO₂ + H₂O

La somma della durezza permanente e di quella temporanea, dà la durezza totale. La misura della durezza delle acque consiste in una determinazione quantitativa e globale degli ioni calcio e magnesio presenti

Depurazione delle acque

La depurazione dell'acqua ha lo scopo di eliminarne la durezza. L'eliminazione della durezza si effettua raramente nelle acque potabili mentre è abbastanza comune per le acque industriali, impianti di riscaldamento e tutte le applicazioni termiche.

Il trattamento di eliminazione della durezza viene chiamato addolcimento e si può effettuare con il metodo calce-soda, il metodo al fosfato, o le resine scambiatrici di cationi. Sebbene quello oggi più attuato sia il trattamento con resine a scambio cationico, i primi conservano ancora qualche interesse e vengono talvolta usati, anche come stadio di pretrattamento, grazie al basso costo della calce.

Calce-soda e fosfato trisodico

Nella depurazione dell'acqua i processi maggiormente impiegati sono quello alla calce-soda, che avviene secondo le reazioni:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ 2CaCO₃ + 2H₂O;

CaSO₄ + Na₂SO₄ CaCO₃ + Na₂SO₄

con precipitazione cioè del calcio sotto forma di carbonato; e quello al fosfato, secondo le reazioni:

3Ca(HCO₃)₂ + 2Na₃PO₄ Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂CO₃ + 3CO₂ + 3H₂O;

3CaSO₄ + 2Na₃PO₄ Ca₃(PO₄)₂ + 3Na₂SO₄

con precipitazione del calcio come fosfato tricalcico [Ca₃(PO₄)₂].

Per le acque destinate all'alimentazione di caldaie, mentre il riscaldamento che si produce nella caldaia è sufficiente a eliminare la durezza temporanea, per eliminare la durezza permanente si impiega un terzo processo al carbonato sodico, che si basa sulla seconda reazione prevista dal processo alla calce-soda. Le reazioni di eliminazione della durezza vengono in genere realizzate a caldo, al fine di ottenere un precipitato formato da granuli più grossi e una reazione più veloce.

Resine a scambio ionico

Un gran numero di processi richiedono acque completamente prive di tutte le sostanze sospese e disciolte, o, come viene chiamata, acqua demineralizzata. Per fare alcuni esempi, acque demineralizzate vengono usate nell'industria elettronica, nella produzione di transistors e semiconduttori, nel campo della produzione di energia, nelle caldaie ad alta pressione, nella produzione di prodotti farmaceutici e biotecnologici ed in molti altri processi.

Vi sono diversi metodi di trattamento che consentono la produzione di acqua con queste caratteristiche: le resine a scambio ionico, l'osmosi inversa e l'elettrodialisi. Ognuna di queste tecniche trova in pratica un suo specifico campo di applicazione, soprattutto in base alla salinità dell'acqua grezza, della portata da produrre o della disponibilità di energia.

L'alternativa più economica, quando l'acqua ha una bassa concentrazione di solidi disciolti, è il trattamento con resine scambiatrici. Tecnicamente il loro campo di applicazione può arrivare fino ad una concentrazione massima di 700 ppm di CaCO₃ equivalente, ma vengono usate soprattutto per salinità molto basse, come quella delle acque fornite da un acquedotto municipale. Superati i 350 ppm circa di CaCO₃ equivalente sono, infatti, in competizione con l'osmosi inversa, soprattutto nel campo della produzione di acque per caldaie.

La caratteristica delle resine a scambio ionico è di eliminare le sostanze (sali, acidi e basi) disciolte nell'acqua e costituite, dal punto di vista chimico, da ioni ossia atomi dotati di carica elettrica. Le prime resine scambiatrici di ioni, impiegate soprattutto per l'eliminazione dello ione calcio, erano sostanze inorganiche naturali (zeoliti); per fusione di carbonati alcalini con caolino e quarzo si ottenevano prodotti analoghi chiamati permutiti, appunto per la loro facoltà di permutare il loro sodio con i cationi calcio delle acque messe a contatto, secondo la seguente reazione (in cui P indica la permutite)

PNa₂ + CaSO₄ PCa + Na₂SO₄

Tale reazione è spostata in un senso o nell'altro secondo la concentrazione dei composti in soluzione solfato di calcio e solfato sodico; per concentrazioni di solfato di calcio relativamente alte, la reazione è spostata verso destra e si ha un passaggio degli ioni calcio dalla soluzione alla permutite e viceversa. Attualmente si impiegano come resine a scambio ionico prevalentemente sostanze organiche, costituite da polimeri reticolati che presentano funzioni acide (per lo più gruppi carbossilici o solfonici) e atte a scambiare il loro atomo di idrogeno del gruppo acido con i cationi; oppure funzioni basiche (quali gruppi amminici quaternizzati) capaci di scambiare gli anioni. Hanno il vantaggio di più elevata capacità di scambio, specificità e selettività per il processo desiderato, nel senso di separare anche tra loro i diversi ioni; inoltre, applicando successivamente una resina scambiatrice di cationi e una scambiatrice di anioni si possono eliminare del tutto i sali dalla soluzione, cioè cationi e anioni.

Il processo di scambio e la possibilità di spostare la reazione in un senso o nell'altro vengono regolati e consentono di rigenerare la resina quando sia esaurita.

Rigenerazione: è l'operazione mediante la quale si sostituiscono ioni nelle resine nei prodotti scambiatori di ioni parzialmente o totalmente utilizzati. Si effettua inserendo in essi gli ioni presenti in origine e che erano stati allontanati e sostituiti con altri per l'operazione di scambio. Se i gruppi funzionali attivi devono essere in forma acida o basica, la rigenerazione si ottiene per trattamento con eccesso rispettivamente di acido o di base, generalmente di forza superiore a quella dei gruppi funzionali. Se gli stessi devono operare in forma salificata, si agisce portando gli scambiatori di ioni a contatto con una soluzione contenente, secondo i casi, i cationi o gli anioni necessari in concentrazione tale da spostare l'equilibrio nel senso desiderato. L'operazione di rigenerazione non può essere eseguita indefinitamente, poiché essa non è mai totale e quindi dopo un numero sufficientemente elevato di tali trattamenti le resine diventano praticamente inattive.

Osmosi inversa

L'osmosi è un principio naturale secondo cui se due soluzioni di differente concentrazione salina vengono separate da una membrana semipermeabile, l'acqua, a causa del suo basso potenziale chimico, passa spontaneamente dalla soluzione meno concentrata a quella più concentrata (principio dell'osmosi).
Se alla soluzione più concentrata viene applicata una pressione esterna, superiore alla pressione osmotica, il processo si inverte dando luogo al fenomeno dell'osmosi inversa.

L'osmosi inversa è il sistema più usato nel trattamento della dissalazione delle acque sia salmastre che marine e consente d'ottenere acqua potabile con un consumo energetico molto contenuto. Inoltre, grazie a questo sistema, i purificatori eliminano dall'acqua tutti gli inquinanti chimici e batteriologici, producendo così un'acqua pura e a basso contenuto salino, simile ad un'ottima acqua oligominerale

Elettrodialisi

Questo trattamento trova applicazione nella rimozione di solidi disciolti da acque mediamente salmastre, sino a 5000 ppm di solidi disciolti. Per acque a salinità maggiore, come le acque di mare, è meno economico dell'osmosi inversa ed inoltre non si ha alcun effetto sulle sostanze apolari.

Come mostrato in ura, anche l'elettrodialisi si basa sull'utilizzazione di membrane semipermeabili. L'acqua da trattare attraversa una cella provvista di elettrodi a cui è applicata una differenza di potenziale.

Gli ioni positivi migreranno verso l'elettrodo negativo e, viceversa, gli ioni negativi verso l'elettrodo positivo. La cella è ripartita in settori delimitati da membrane che consentono alternativamente il passaggio agli ioni positivi o a quelli negativi. Riferendosi alla ura, accadrà che gli ioni positivi del settore 4 andranno a destra, verso l'elettrodo negativo, ma potranno attraversare solo la membrana 4, permeabile agli ioni positivi, ma non la membrana 5, permeabile agli ioni negativi. Analogamente gli ioni negativi del settore 4 si sposteranno verso sinistra, ma potranno attraversare solo la membrana 3 e non la membrana 2. Ripetendo il ragionamento per tutti i settori di alimentazione, si noterà come ci saranno dei settori che perderanno gli ioni mentre altri settori si concentreranno.