Il trattamento delle acque: eliminazione del ferro e dei fosfati

Il trattamento delle acque è un insieme di processi chimici, fisici e biologici finalizzati a modificare le caratteristiche dell’acqua in modo da renderla idonea a uno specifico utilizzo, sia esso civile, agricolo o industriale. Mentre l’acqua destinata al consumo domestico deve rispettare parametri di potabilità stabiliti da normative sanitarie, l’acqua impiegata nei processi industriali può richiedere requisiti molto più rigorosi o, al contrario, differenti a seconda dell’applicazione specifica.

Ad esempio, alcuni impieghi industriali, come nella produzione di semiconduttori, nei processi chimici di sintesi, nelle caldaie ad alta pressione o nella farmaceutica, richiedono acqua ultrapura, priva non solo di microrganismi ma anche di sali disciolti, particolato e composti organici. In questi casi, il trattamento preliminare include fasi avanzate come osmosi inversa, deionizzazione, ultrafiltrazione e distillazione.

Al contrario, per l’uso agricolo o per l’irrigazione, il trattamento può essere meno sofisticato, limitandosi alla rimozione di solidi sospesi o di sostanze fitotossiche. Inoltre, in molte industrie è necessario anche il trattamento delle acque reflue, al fine di ridurre l’impatto ambientale degli scarichi, recuperare risorse o rispettare le normative vigenti in materia di tutela delle acque superficiali e sotterranee.

Ogni tipologia di trattamento delle acque dipende quindi dalla qualità dell’acqua in ingresso e dagli standard richiesti in uscita, motivo per cui i processi possono variare notevolmente in complessità ed efficacia.

Eliminazione del ferro dall’acqua potabile

Certe sorgenti forniscono acqua con un contenuto di ferro che può raggiungere i 25 mg per litro, ma nella legislazione statunitense il limite raccomandato nell’acqua potabile è di 0.3mg/L. I metodi per eliminare l’eccesso di ferro in genere implicano:

a)     rendere l’acqua leggermente basica con calce spenta, Ca(OH)₂;

b)     l’ossidazione di Fe²⁺ a Fe³⁺ con lo ione ipoclorito, OCl^–

c)     la precipitazione di Fe(OH)₃ (s) dalla soluzione basica.

Le reazioni possono essere rappresentate dalle equazioni

Cl₂ (g) + 2 OH^– (aq) → Cl^– (aq) + OCl^– (aq) + H₂O

2 Fe²⁺ (aq) + OCl^– (aq) + H₂O → 2 Fe³⁺ (aq) + Cl^– (aq) + 2 OH^– (aq)

Fe³⁺ (aq) + 3 OH^– (aq) → Fe(OH)₃ (s)

Mentre avvengono queste reazioni, lo ione ClO^– svolge anche un altro compito di primaria importanza: distruggere i microorganismi patogeni presenti nell’acqua.

Eliminazione di ossigeno dalle caldaie per l’ebollizione dell’acqua

Le caldaie ad alta temperatura sono usate per convertire l’acqua in vapore nelle centrali elettriche. L’ossigeno disciolto nell’acqua è fortemente dannoso in quanto promuove la corrosione dell’acciaio dalle caldaie. Poiché l’O₂ (g) è un buon agente ossidante, si ricorre ad un agente riducente quale l’idrazina.N₂H₄, per eliminarlo.

O₂ (aq) + N₂H₄ (aq) → 2 H₂O + N₂ (g)

Eliminazione dei fosfati dalle acque di scarico domestiche

L’eutrofizzazione è il termine usato per descrivere una serie di eventi che porta alla rapida crescita di alghe, alla morte dei pesci ed altri deleteri effetti nei corpi idrici. Questi eventi sono causati dalla presenza di un eccesso di nutrienti, soprattutto di fosfati. Il trattamento delle acque di scarico domestiche include anche l’eliminazione dei fosfati. Un metodo particolarmente semplice consiste nel precipitare i fosfati con calce spenta, Ca(OH)_2. I fosfati possono essere presenti in numerose forme differenti, incluso lo ione idrogenofosfato, HPO₄^2-.

5 Ca²⁺ (aq) + 3HPO₄^– (aq) + 4 OH^– (aq) → Ca₅OH(PO₄)₃ (s) + 3 H₂O

Il precipitato ha la composizione del minerale idrossiapatite.

Distruzione degli ioni cianuro negli impianti industriali

I cianuri vengono usati nelle operazioni di pulitura dei metalli, nell’elettrogalvanica e nell’estrazione da rocce aurifere in miniera. Lo ione cianuro deve essere distrutto nelle acque di scarico provenienti da queste operazioni, e ciò si ottiene con la seguente reazione di ossidazione-riduzione

2 CN^– (aq) + 5 OCl^– (aq) + 2 OH^– (aq) → N₂ (g) + 2 CO₃^2- (aq) + 5 Cl^– (aq) + H2O

Il velenoso ione CN^– (aq) viene convertito negli innocui N₂ (g) e CO₃^2- (aq).  Inoltre non si deve dimenticare che i processi biologici hanno un ruolo importante nel trattamento delle acque, in particolare nel trattamento delle acque di scarico.

Trattamento delle acque potabili e industriali

Il trattamento delle acque potabili e quello delle acque per uso industriale presentano differenze sostanziali in termini di obiettivi, standard qualitativi e tecnologie impiegate. Sebbene entrambi mirino alla rimozione di contaminanti, i requisiti specifici variano sensibilmente in funzione della destinazione d’uso.

Nel caso dell’acqua potabile, l’obiettivo principale è garantire la sicurezza igienico-sanitaria per il consumo umano. A tal fine, il trattamento delle acque deve eliminare patogeni (batteri, virus, protozoi), contaminanti chimici (come metalli pesanti, pesticidi, nitrati) e materiali in sospensione, oltre a garantire parametri fisico-chimici (pH, torbidità, sapore, odore) conformi alle normative nazionali e internazionali. I processi tipici nel trattamento delle acque includono:

• Pretrattamento (grigliatura, sedimentazione)

• Filtrazione (spesso su sabbia)

• Ossidazione e coagulazione

• Disinfezione (clorazione, ozonizzazione, raggi UV)

• Correzione del pH e durezza

Per l’uso industriale, invece, i requisiti dipendono fortemente dal settore di applicazione. Alcune industrie possono tollerare livelli più elevati di impurità, mentre altre, come quelle farmaceutiche, elettroniche o alimentari, richiedono acqua con livelli di purezza estremamente elevati. L’obiettivo, in questi casi, è prevenire la corrosione, l’incrostazione, la contaminazione dei prodotti o l’alterazione dei processi. I trattamenti più comuni nel trattamento delle acque includono:

• Addolcimento mediante scambio ionico (per ridurre calcio e magnesio)

• Osmosi inversa per la rimozione di sali disciolti

• Deionizzazione e demineralizzazione

• Filtrazione su membrane (ultrafiltrazione, nanofiltrazione)

• Rimozione di sostanze organiche o metalli specifici

In molti casi, l’acqua destinata all’industria viene sottoposta a trattamenti molto più mirati e selettivi, mentre quella potabile è trattata con un approccio più generalista e precauzionale per proteggere la salute pubblica. Inoltre, l’acqua industriale spesso deve essere trattata anche dopo l’uso, attraverso impianti di depurazione dedicati, per evitare il rilascio di contaminanti nei corpi idrici naturali.

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