Depurazione acqua: Addolcitore, denitrificazione, demineralizzazione, ultrifiltrazione e osmosi inversa

L’acqua è un bene necessario, ma prima ancora un elemento indispensabile per mantenere una corretta idratazione dell’organismo umano. Per questo motivo l’acqua da bere deve essere soprattutto gradevole ed ispirare fiducia. L’acqua distribuita dall’acquedotto deve certamente essere conforme ai requisiti di potabilità, ma nonostante questo i cittadini sempre più spesso desiderano un’acqua diversa, ad esempio priva del gusto sgradevole del cloro e di sostanze inquinanti, come metalli pesanti, nitrati e pesticidi, che procurano cattivi odori e sapori sgradevoli.

Per questo motivo sempre più persone passano all’utilizzo di un depuratore, cioè un sistema tecnologico che, per mezzo di opportuni impianti – detti impianti di depurazione –, si attiva per eliminare dai sistemi liquidi e gassosi, sostanze estranee o inquinanti. Gli impianti di depurazione più comuni si dividono in quelli adatti all’aria e all’acqua, ed entrambi svolgono un processo composto da una serie di azioni programmate di carattere meccanico, chimico-fisico e biologico.

Col tempo sono stati ideati vari metodi di depurazione che si differenziano in base alla strumentazione e alla tecnica di depurazione. Vediamo in dettaglio le varie tipologie.

Cos’è un addolcitore

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Un addolcitore è uno strumento atto ad addolcire l’acqua, ovvero a diminuirne la durezza, termine con cui si indica la concentrazione di sali di calcio e magnesio che precipitando formano le incrostazioni di calcare sulle superfici. La maggior parte degli addolcitori sfrutta lo scambio degli ioni di calcio e magnesio con ioni di sodio facendo fluire l’acqua da addolcire su un letto di resina a scambio ionico.

Tale resina è spesso un polimero di stirene e di divinilbenzene che reca dei gruppi solfonato SO3- sulla propria struttura. I gruppi solfonato sono legati a ioni di sodio Na+ che vengono scambiati con gli ioni calcio e magnesio presenti nell’acqua. Tali resine vengono successivamente rigenerate per trattamento con salamoia (ovvero acqua salata per cloruro di sodio) concentrata, che ripristina gli ioni sodio sulla superficie della resina.

La durezza dell’acqua è data principalmente dalla somma dei sali di Calcio e di Magnesio in essa disciolti. Questi sali si solidificano, formando blocchi calcarei. Le temperature elevate favoriscono questo processo, pertanto le superfici maggiormente esposte alle incrostazioni sono quelle delle resistenze e delle serpentine che riscaldano l’acqua. Ne consegue che gli elettrodomestici, quali lavastoviglie, lavatrici e soprattutto caldaie e scaldabagni, col tempo e in funzione della durezza dell’acqua, vengono ostruiti da incrostazioni che ne diminuiscono la durata e l’efficienza. Quindi gli addolcitori sono in grado, mediante lo scambio ionico, di eliminare calcio e magnesio, abbattendo la durezza dell’acqua.

 

Cos’è la denitrificazione

La denitrificazione utilizza delle resine che, grazie ad uno scambio ionico, sottraggono all’acqua gli anioni nitrato sostituendoli con gli anioni Cl^–, utilizzando come rigenerante il comune cloruro di sodio. L’utilizzo di questo sistema è tra i più sicuri per evitare le spiacevoli conseguenze dell’utilizzo in processi alimentari, tecnologici o domestici di acque con valori di nitrati eccedenti la norma.

La denitrificazione comporta la riduzione dell’azoto nitrico con formazione di gas che si liberano nell’atmosfera, sotto forma di N₂ e N₂O.

 

Cosa si intende per demineralizzazione

La demineralizzazione è un processo chimico-fisico destinato alla totale o parziale, eliminazione dei sali disciolti in acqua. L’acqua, in quanto fluido comune e ad altissima capacità di trasporto di calore, è molto spesso utilizzata per la trasmissione dell’energia.

Tutto questo comporta la fornitura di energia termica all’acqua, ed eventualmente un cambiamento di stato fisico. In queste fasi, si può avere separazione dei sali disciolti nell’acqua stessa, che quindi precipitano depositandosi, così, sulle superfici di scambio, e poiché i depositi salini sulle superfici riducono lo scambio termico, sorge la necessità di evitare la precipitazione.

Il metodo più completo per ridurre le precipitazioni al minimo, è la rimozione dei sali disciolti prima del riscaldamento, ossia la demineralizzazione. È possibile ottenerla con processo chimico-fisico, mediante estrazione selettiva degli ioni costituenti i sali, usando composti chimici selettivi, detti resine a scambio ionico, o per osmosi.

 

Cos’è l’ultrifiltrazione

L’ultrafiltrazione è, invece, un processo di filtrazione che avviene su membrana semipermeabile; questa è caratterizzata da pori aventi diametro oscillante tra 1.0 e 100 nanometri, grazie ai quali è possibile separare virus, batteri e proteine.

La forza spingente del processo è rappresentata della differenza di pressione, applicata a monte e a valle del mezzo filtrante per ottenere, così, il passaggio del fluido; la pressione che si sviluppa all’interno della membrana è associata alla perdita di carico che subisce il fluido attraversante la stessa, e tanto più le dimensioni dei fori della membrana sono ridotte, tanto più sarà elevata la perdita di carico da superare. I materiali più impiegati nella costruzione delle membrane da ultrafiltrazione sono acetato di cellulosa, polivinildenfluoruro, poliacrilonitrile, polieteresulfone e ceramica.

Come tutte le filtrazioni, la procedura di ultrafiltrazione ha, dunque, lo scopo di separare da un insieme di particelle solide – definite fase dispersa -, una fare continua, costituita da un liquido, un fluido o un gas.

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Osmosi inversa: Di cosa si tratta

Un altro processo utilizzato per la depurazione dell’acqua, è l’osmosi inversa, un meccanismo in cui si forza il passaggio delle molecole di solvente dalla soluzione più concentrata alla soluzione meno concentrata ottenuto applicando alla soluzione più concentrata una pressione maggiore della pressione osmotica. In sostanza, l’osmosi inversa viene realizzata con una membrana che trattiene il soluto da una parte impedendone il passaggio e permettendo di ricavare il solvente puro dall’altra. Questo fenomeno non è spontaneo e richiede il compimento di un lavoro meccanico pari a quello necessario per annullare l’effetto della pressione osmotica.

Il processo può essere definito come la più fine tecnica di filtrazione dell’acqua in quanto si limita porre una sostanza porosa per bloccare il passaggio di alcune molecole, ma sfrutta anche la diversa affinità chimica delle specie con la membrana, permettendo infatti il passaggio delle molecole idrofile, cioè chimicamente simili all’acqua, ad esempio gli alcoli a catena corta. Questo tipo di metodo sfrutta diverse tecniche separative, tra cui il principio della filtrazione tangenziale. L’osmosi inversa è utilizzata nel trattamento dell’acqua sia per la desalinizzazione sia per la rimozione di tracce di fosfati, calcio e metalli pesanti, fitofarmaci, materiali radioattivi e di quasi tutte le molecole inquinanti.

Ai dispositivi di osmosi inversa si può accostare un debatterizzatore raggi UV, che consente l’eliminazione di oltre il 99% dei microorganismi presenti nell’acqua rispettando i parametri di dosaggio dei raggi UV. A differenza della sterilizzazione chimica che a volte consente ai batteri di sviluppare resistenza, l’irradiazione ultravioletta agiste direttamente sulla struttura genetica alterandone il DNA.

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