Il processo con resine a scambio ionico è spesso utilizzato nel trattamento delle acque negli acquedotti urbani per rimuovere ioni indesiderati, come arsenicato e nitrato, e per ridurre la durezza dell’acqua, rimuovendo gli ioni di calcio e magnesio.
E’ utilizzato anche per rimuovere fluoruri e complessi anionici dall’uranio.
Le fasi del processo di scambio ionico
Nell’abbattimento della durezza dall’acqua lo scambio ionico è un’alternativa comune al processo calce-soda, che prevede l’eliminazione per precipitazione degli ioni calcio e magnesio quando sono in composti poco solubili.
- Il processo di addolcimento dell’acqua tramite scambio ionico è costituito da cinque fasi:
- Addolcimento
- Controlavaggio
- Rigenerazione
- Risciacquo lento
- Risciacquo veloce
Le unità di scambio ionico per l’addolcimento dell’acqua sfruttano delle resine sintetiche che sono capaci di rimuovere i contaminanti ionici responsabili della durezza dell’acqua e rilasciano ioni “neutri”.
Molti di questi processi sono reversibili e questo rende possibile la rigenerazione delle resine.
Con una adeguata manutenzione degli impianti, le resine possono essere utilizzate a lungo, il sistema si mantiene efficace nel tempo e i costi dell’attrezzatura vengono ammortizzati.
Nel caso dei filtri con letti di adsorbimento con allumina attivata, per esempio, il materiale filtrante, in forma di granulato di allumina, viene parzialmente disciolto durante l’utilizzo. L’allumina attivata è utilizzata per la rimozione dei fluoruri e/o arseniati, specialmente nell’acqua con un alto livello di solidi totali disciolti (TDS, Total Dissolved Solids).
Un tempo, gli scambiatori ionici erano composti naturali di silice chiamati zeoliti. Attualmente invece, vengono utilizzati materiali di scambio sintetici organici che hanno proprietà migliorate e sono molto versatili nell’utilizzo.
Lo scambio ionico del processo di addolcimento non altera il pH o l’alcalinità dell’acqua, ma la rimozione del calcio e l’incremento dei solidi totali disciolti (TDS) modifica la stabilità dell’acqua.
Per 1 mg/L di calcio rimosso e rimpiazzato con sodio, i TDS crescono di 0,15 mg/L, mentre per ciascun mg/L di magnesio rimosso e sostituito con sodio, i TDS incrementano fino a 0,88 mg/L.
Per esprimere la durezza dell’acqua nel processo di addolcimento per scambio ionico si utilizza come unità di misura i grains o grain per gallone, dove 1 grain corrisponde a 64,8 milligrammi e 1 gallone a 3,785412 litri:
1 grain = 17,12 mg/L.
Per il processo di scambio ionico servono:
Materiale per lo scambio ionico (Resine)
Unità per lo scambio ionico
Serbatoi per raccogliere il sale.
Le resine e il processo di rigenerazione delle resine
La maggior parte delle resine a scambio ionico disponibili in commercio sono fatte tramite copolimerizzazione di polimeri organici, come stirene e divinilbenzene (DVB). Il contenuto di divinilbenzene può variare dall’1 al 16% e determina il grado di reticolazione che viene scelto in funzione delle caratteristiche che deve presentare lo scambiatore.
Resine con un alto grado di reticolazione sono rigide, poco porose e lente nel raggiungere l’equilibrio. Hanno selettività e capacità maggiori rispetto alle resine con basso grado di reticolazione, che sono più veloci ad equilibrarsi, ma essendo macroporose si gonfiano d’acqua.
Nella figura in alto possiamo vedere la struttura chimica dello scheletro polistirenico ottenuto per copolimerizzazione dello stirene con il benzene. Gli anelli benzenici possono essere modificati per produrre una resina a scambio cationico contenente gruppi solfonato (-SO3-) oppure una resina anionica contenente gruppi ammonici.
Nel caso del processo di addolcimento dell’acqua vengono utilizzati degli scambiatori cationici che devono contenere cariche negative in modo che i cationi (ioni positivi come il calcio ed il magnesio, Ca2+ e Mg2+) siano attratti elettrostaticamente dai siti di carica opposta.
Il processo di rigenerazione consente di riutilizzare le resine. Queste trattengono temporaneamente gli ioni indesiderati e li rilasciano quando vengono a contatto con la soluzione rigenerante.
Il processo di rigenerazione svolto utilizzando cloruro di sodio come rigenerante coinvolge le seguenti reazioni chimiche:
Unità per lo scambio ionico e serbatoi
Il serbatoio nel quale si svolge lo scambio ionico è dotato di un rivestimento interno per proteggerlo dalla corrosione causata dalla salamoia (liquido con un alto contenuto di sali) utilizzata nella rigenerazione.
Nella figura sottostante è rappresentata un’unità di scambio ionico con le parti principali in evidenza.
La dimensione delle unità di scambio ionico e il volume necessario delle resine sono determinati dalla concentrazione degli ioni che devono essere rimossi.
Il cloruro di sodio o il cloruro di potassio sono i sali più comunemente utilizzati nel processo di addolcimento delle acque per formare la salamoia, che viene utilizzata per rigenerare la resina. La quantità di sale utilizzata per fare la salamoia va dai 0,11 ai 0,20 kg per ogni 1000 grains di durezza rimossa (come spiegato precedentemente, 1 grain = 17,12 mg/L).
Generalmente, il sale è conservato in serbatoi grandi abbastanza da contenere la salamoia per un periodo di 24 ore di processo o per tre rigenerazioni a seconda delle esigenze di produttività.
Uso dei flussimetri nel processo di scambio ionico
Inizialmente, le apparecchiature utilizzate per questo processo erano controllate manualmente: tutti gli stadi della sequenza nel processo di addolcimento erano controllati tramite valvole manuali che venivano regolate al termine di ogni step e all’inizio del successivo.
In seguito venne introdotto il processo semiautomatico, nel quale l’operatore avviava manualmente soltanto il controlavaggio e la rigenerazione, mentre un timer procedeva a completare le operazioni di controlavaggio e le fasi di risciacquo, tornando poi automaticamente all’addolcimento.
Con gli attuali sistemi automatici, tutte le fasi del processo sono controllate da un timer che viene impostato tenendo conto della capacità delle resine a scambio ionico e della durezza dell’acqua da trattare.
Con l’introduzione di un flussimetro, è possibile che fa partire il processo di rigenerazione nell’impianto di addolcimento dopo che è stato trattato un volume di acqua predeterminato.
Il nostro trasmettitore per flussimetri magnetici ZE3075 è in grado di registrare nel tempo la variazione della portata volumetrica grazie allo spostamento del galleggiante per effetto della corrente del flusso d’acqua che attraversa lo strumento. Il sensore invia un segnale elettrico 4/20 mA proporzionale alla variazione della portata, in modo tale che il valore catturato venga utilizzato per il controllo di processo nell’apparecchiatura in cui viene installato.
Buongiorno desidererei avere una informazione sugli addolcitori relativamente alla rigenerazione delle resine con cloruro di potassio significherebbe che nel cassonetto della salamoia invece di mettere il sale si metterebbe il cloruro di potassio se capisco bene..?
Esatto. Durante il processo di rigenerazione delle resine è possibile utilizzare il cloruro di potassio (KCl) anziché il cloruro di sodio (NaCl) per formare il liquido ad alto contenuto di sali destinato a tale funzione di rigenerazione.
Nella scelta del tipo di sale solitamente vengono considerate le loro diverse caratteristiche in funzione dell’utilizzo del prodotto finale dell’addolcimento.
Ad esempio, una considerazione da fare per la loro scelta, potrebbe essere quella legata al loro prezzo. In natura, il Cloruro di Potassio si presenta come componente principale del minerale silvite; esso viene utilizzato principalmente nel settore dell’agricoltura per produrre fertilizzanti. Il Cloruro di Sodio, invece, si trova nella forma del minerale salgemma oppure disciolto nell’acqua marina. Da questo deriva la ragione del loro costo di estrazione: minore per il Cloruro di Sodio e maggiore per il Cloruro di Potassio.