Sezioni
- Cos’è lo scambio ionico?
- Lo scambio ionico applicato alle acque reflue
- L’evaporazione sotto vuoto e la concentrazione dei residui derivanti dallo scambio ionico
- Conclusioni
Cos’è lo scambio ionico?
Esistono scarichi che, a causa della loro natura e composizione, risultano difficili da trattare e adeguare alle normative vigenti. Ciò accade quando ci si trova di fronte ad alcuni cationi o anioni che sono difficilmente separabili con i sistemi convenzionali come i trattamenti fisico-chimici, biologici, e persino le membrane separatrici con il più alto rifiuto di sali.
Questo avviene, per esempio, con i nitrati, i sali di boro, fluoro, arsenico e altri metalli pesanti come piombo, cadmio o mercurio, che sono particolarmente tossici.
Lo scambio ionico è un processo in cui si utilizza un materiale denominato resina scambiatore, capace di trattenere selettivamente sulla sua superficie gli ioni disciolti nell’acqua, mantenerli temporaneamente uniti alla superficie e rilasciarli mediante l’uso di soluzioni rigeneranti.
La reazione di scambio si schematizza:
(a) RNa+ + Ca++ ——> RCa++ + Na+
In questo caso, la rigenerazione della resina si effettuerebbe aggiungendo un eccesso di soluzione rigenerante (NaCl)
(b) RCa++ + Na+ ——-> RNa+ + Ca++
Le resine di scambio ionico si dividono in due tipi base, in accordo con la loro polarità:
- Quelle con carica negativa e, pertanto, applicate allo scambio con anioni, sono denominate “anioniche”.
- Quelle con carica positiva si chiamano “cationiche”; si presentano come piccole sfere di materiale plastico (del tipo delle baqueliti) di dimensioni dell’ordine di 0,5 – 1 mm di diametro.
Un’applicazione abituale delle resine di scambio ionico è l’eliminazione di sali quando questi si trovano a basse concentrazioni.
Questo è molto comune nei processi di demineralizzazione e addolcimento delle acque o di altre soluzioni.
Lo scambio ionico è anche efficiente per la ritenzione di certi prodotti chimici.
Le caratteristiche principali di questo processo sono le seguenti:
- Le resine agiscono selettivamente, in modo da poter preferire un ione rispetto a un altro con valori relativi di affinità di 15 o più.
- La reazione di scambio ionico è reversibile, cioè può procedere in entrambi i sensi. (Scambio / rigenerazione)
- Nella reazione si mantiene l’elettroneutralità.
Esistono sostanze naturali, come le zeoliti, che hanno capacità di scambio, ma nel trattamento delle acque si utilizzano resine polimeriche di fabbricazione sintetica, poiché queste offrono vantaggi significativi.
Tra i vantaggi del processo ionico per il trattamento delle acque si evidenziano:
- Sono apparecchiature molto versatili purché si lavori con concentrazioni di sali relativamente basse.
- Le resine di scambio ionico sono un sistema compatto con elevate capacità di trattamento.
- Basso costo economico rispetto ad altre tecnologie.
- Le resine sono molto stabili chimicamente, di lunga durata e di facile rigenerazione.
- Esiste una certa facilità di automazione e adattamento a situazioni specifiche.
Lo scambio ionico applicato alle acque reflue
Nel caso delle acque reflue, si deve tenere conto della concentrazione dei sali da eliminare, poiché le resine non sono redditizie per acque con elevate salinità, dato che la loro capacità di ritenzione è limitata (circa 50 g CaCO3/ l resina). Un’alta concentrazione di sali implicherebbe l’uso di una grande quantità di resina, così come importanti volumi di reagente rigenerante.
Si deve inoltre considerare che, nonostante l’elevata resistenza delle resine a mezzi acidi e basici, esse sono facilmente deteriorate dalla presenza di ossidanti come il Cl2 e da temperature elevate.
Le resine di scambio ionico sono anche sensibili all’intasamento e alla presenza di materia organica, pertanto un pretrattamento è imprescindibile per la loro corretta applicazione.
Resine selettive
Le resine di scambio ionico sono emerse come una soluzione efficace per l’eliminazione selettiva di ioni e contaminanti. Come abbiamo menzionato, queste resine possono essere di due tipi:
- Tipo cationico quando la loro polarità è positiva e sono capaci di separare cationi come piombo, cadmio e mercurio.
- Tipo anionico se hanno carica negativa e sono capaci di separare anioni come nitrati, solfati, arsenato, cromato, tra gli altri.
Alcune resine possono essere modificate per aumentare la loro affinità per composti specifici, cioè migliorare la loro efficacia nella separazione di determinati contaminanti.
Vantaggi dell’uso di resine selettive
- Alta efficienza: Le resine di scambio ionico possono raggiungere alti livelli di purificazione, eliminando fino al 99% dei contaminanti.
- Selettività: Permettono la separazione specifica di ioni tossici senza influenzare altri elementi benefici nell’acqua.
- Riciclabilità: Queste resine possono essere rigenerate e riutilizzate, riducendo costi e rifiuti.
Applicazioni nel trattamento delle acque reflue
Le resine di scambio ionico sono utilizzate in diverse applicazioni:
- Trattamento degli effluenti industriali: Specialmente in industrie come quella mineraria e la fabbricazione di metalli, dove gli effluenti contengono metalli pesanti e altri composti tossici.
- Desalinizzazione: Nei processi di trattamento dell’acqua salina, dove è cruciale eliminare ioni di sodio e cloruro.
- Separazione dei nutrienti: Nei sistemi di trattamento delle acque reflue urbane, per ridurre i livelli di azoto e fosforo.
Nonostante i loro vantaggi, l’uso delle resine di scambio ionico presenta alcuni svantaggi:
- Costo: L’investimento iniziale in resine di alta qualità può essere elevato.
- Rigenerazione: Il processo di rigenerazione genera effluenti che richiedono un trattamento aggiuntivo. Il nuovo effluente contiene i contaminanti separati dalle resine, insieme all’eccesso di rigeneranti.
- Durata: La vita utile delle resine può essere influenzata da condizioni estreme o contaminanti nell’acqua.
Resine chelanti
Questo tipo di resine contiene gruppi funzionali specifici, che conferiscono una superiorità selettiva verso determinati metalli speciali. Queste resine hanno un’ampia gamma di applicazioni, tra cui vale la pena evidenziare:
- Descalcificazione di salamoia nell’industria cloro-alcali
- Resina in polpa per metalli, rame, nichel, zinco e cobalto.
- Separazione del boro nelle acque potabili.
- Recupero di metalli preziosi.
- Eliminazione del mercurio.
L’evaporazione sotto vuoto e la concentrazione dei residui derivanti dallo scambio ionico
Un evaporatore sotto vuoto è un’apparecchiatura che permette la concentrazione di residui liquidi mediante l’evaporazione della loro componente acquosa in condizioni di vuoto.
Questo processo riduce la pressione nella camera di evaporazione, abbassando il punto di ebollizione dell’acqua, permettendone la vaporizzazione a temperature più basse. Ciò è particolarmente utile per la concentrazione degli effluenti derivanti dalla rigenerazione delle resine di scambio ionico.
Il processo di concentrazione mediante evaporatori sotto vuoto si basa sull’utilizzo di una pompa del vuoto per ridurre la pressione all’interno, permettendo all’acqua di evaporare a temperature più basse.
Man mano che si applica calore, l’acqua si vaporizza e si separa dai solidi disciolti o concentrati nell’effluente. Il vapore generato viene indirizzato a un condensatore, dove si raffredda e si riconverte in liquido, che può essere riutilizzato o trattato.
I solidi e altri composti residui rimangono concentrati sul fondo dell’evaporatore, pronti per essere gestiti adeguatamente.
Vantaggi degli evaporatori a vuoto
- Efficienza energetica: Operando a bassa temperatura, gli evaporatori a vuoto richiedono meno energia rispetto ai sistemi di evaporazione convenzionale.
- Protezione dei composti sensibili: Questa tecnologia minimizza la decomposizione di sostanze che potrebbero degradarsi ad alte temperature.
- Recupero dell’acqua: L’acqua condensata può essere recuperata e riutilizzata nel processo, contribuendo alla sostenibilità del sistema.
- Riduzione del volume dei residui: La concentrazione degli effluenti riduce significativamente il volume dei residui da gestire, facilitandone il trattamento successivo.
Nonostante i numerosi vantaggi, va considerato che il costo di queste apparecchiature e il loro consumo energetico sono relativamente elevati, pertanto questi impianti sono più adatti a volumi piccoli con alte concentrazioni di contaminanti, come nel caso degli effluenti di rigenerazione delle resine di scambio ionico.
Conclusioni
Il processo di scambio ionico è complementare ai trattamenti convenzionali (fisico-chimico, biologico…ecc.) e permette di separare determinati cationi e anioni dall’acqua in funzione dell’affinità agli ioni in soluzione, potendo essere rigenerato con sostanze adeguate (rigeneranti).
Le resine di scambio ionico di tipo selettivo (chelanti) sono utilizzate nei trattamenti delle acque reflue che contengono contaminanti complessi e tossici.
Gli evaporatori sotto vuoto sono una soluzione efficiente e sostenibile per la concentrazione degli effluenti di rigenerazione delle resine. La loro capacità di operare a vuoto a basse temperature e la loro alta efficienza li rendono un’ottima opzione in numerose industrie.