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Tutto quello che c’è da sapere sugli addolcitori d’acqua e altre tecnologie di trattamento delle acque a scambio ionico
Mentre gli inquinanti insolubili possono essere rimossi attraverso la filtrazione multimediale, le sostanze solubili devono essere rimosse utilizzando altre tecniche. È qui che entra in gioco lo scambio ionico (IE). I metodi di scambio ionico sono spesso usati per filtrare l’acqua quando le impurità sono solubili e ionizzate .
Solubile: Qualsiasi sostanza che può essere facilmente sciolta in un’altra sostanza (di solito acqua).
Ionizzato: Qualsiasi atomo o molecola con una carica positiva o negativa (al contrario di essere scarico).
Prima di immergerci nei diversi tipi di IE, diamo uno sguardo più approfondito a cosa succede esattamente durante lo scambio ionico.
In acqua, gli ioni vengono creati quando i legami polari dell’acqua rompono i legami ionici di altri atomi, causando loro di perdere o guadagnare un elettrone. Ciò si traduce in ioni caricati positivamente, chiamati cationi, e ioni caricati negativamente, chiamati anioni. Poiché l’acqua è elettricamente neutra, la quantità di cariche positive e negative presenti nell’acqua è uguale.
La capacità dell’acqua di sciogliere i legami ionici le consente di contenere molti nutrienti, sostanze chimiche e minerali indispensabili per la vita sulla Terra. Tuttavia, consente anche la dissoluzione di impurità indesiderate, come fluoro, radio e stronzio.
Per rimuovere queste sostanze ionizzate, indesiderate dall’acqua, viene utilizzato lo scambio ionico. In IE, i contaminanti vengono rimossi dall’acqua scambiando le sostanze nocive con sostanze più sicure che hanno la stessa carica ma nessun impatto negativo.
In genere, i sistemi IE hanno un serbatoio a pressione riempito con resina a scambio ionico. La resina a scambio ionico è costituita da perle molto piccole (spesso polistirolo). Queste perle, che hanno un diametro di circa 1/2 millimetro, sono altamente porose e sono progettate per avere ioni speciali permanentemente attaccati alla loro struttura.
(1) Quando l’acqua dura scorre attraverso un sistema IE, gli ioni di durezza (cioè Ca2+, Mg2+) si attaccano alle sfere di resina, (2) sostituendo due controioni di sodio per ione di calcio. (3) Gli ioni di sodio lasciano il sistema nell’acqua “trattata” (non mostrata), (4) mentre gli ioni calcio vengono lavati fuori dall’unità.
Quando l’acqua scorre attraverso un filtro IE, le impurità, che vengono sciolte come ioni, vengono attratte dagli ioni fissi sulle sfere di resina con una maggiore affinità rispetto ai controioni. Questa attrazione fa sì che le impurità si attacchino agli ioni fissi, sostituendo i contatori. Affinché la resina rimanga neutra, i controioni devono lasciare le perle nell’acqua di scarico. Questo processo consente agli ioni indesiderati di rimanere nel filtro in cambio di ioni non inquinanti, da cui il termine “scambio ionico”.
È importante notare che affinché un filtro IE funzioni correttamente, gli ioni in entrata devono avere la stessa carica dei contatori. Pertanto, è importante stabilire la carica dello ione che si sta tentando di rimuovere prima di acquistare un filtro IE.
Le unità IE domestiche hanno in genere due o tre serbatoi: uno o due serbatoi più grandi riempiti di resina e un serbatoio più piccolo riempito di sale o cloro, a seconda della carica dei controioni. Il serbatoio più piccolo viene utilizzato per rigenerare periodicamente il materiale in resina. Mentre l’acqua passa attraverso la resina, le perle diventano sature di inquinanti fino a quando tutti i controioni non vengono sostituiti. Quando ciò accade, il filtro non è più in grado di rimuovere le impurità e l’unità è normalmente programmata per risciacquare automaticamente le perle IE con sale o cloro. Questo elimina il sistema dagli inquinanti e ripristina i controioni del sistema.
Le unità IE possono essere impostate per rigenerarsi dopo intervalli di tempo impostati; Tuttavia, impostando un’unità per il risciacquo a orari prestabiliti significa che il sistema potrebbe rigenerarsi più o meno spesso del necessario. Rigenerando più spesso del necessario rifiuti sale o cloro (e acqua). La rigenerazione meno frequente del necessario consente di ottenere acque reflue non pulite. Le unità più avanzate e costose si rigenerano in base all’uso dell’acqua, con conseguente maggiore efficienza e meno sprechi.
Esistono due tipi di resine a scambio ionico. Come suggerisce il nome, le resine a scambio cationico vengono utilizzate per rimuovere i contaminanti caricati positivamente, mentre le resine a scambio anionico vengono utilizzate per rimuovere i contaminanti caricati negativamente. Poiché gli ioni fissi possono essere solo cationi o anioni, per rimuovere sia i contaminanti cationici che anionici dall’acqua, dovresti avere due serbatoi separati per ogni resina.
Spesso, le resine a scambio cationico hanno solfonati (SO3-) come ioni fissi, con cationi di sodio (Na⁺) come controioni mobili. Le resine a scambio anionico utilizzano tipicamente cationi di ammonio quaternario (N⁺R3) come ioni fissi e anioni cloruro (Cl-) come controioni.
L’addolcimento dell’acqua è il processo di condizionamento dell’acqua più popolare utilizzato dagli edifici residenziali e commerciali negli Stati Uniti. È l’approccio principale per rimuovere la durezza dell’acqua e sul mercato esistono diversi tipi di addolcitori d’acqua.
Se i tuoi bicchieri d’acqua sono torbidi, i tuoi capelli sono opachi e il tuo sapone non è, beh, saponato, potresti avere acqua dura. Mentre l’acqua dura non è fisicamente dura, è dura per la pelle, gli elettrodomestici e le condutture. La durezza dell’acqua è un termine comunemente usato per descrivere l’acqua che contiene grandi quantità di minerali disciolti caricati positivamente. La durezza si riferisce principalmente al calcio disciolto (Ca⁺⁺) e al magnesio (Mg⁺⁺), ma può includere anche altri elementi metallici, come ferro (Fe⁺⁺) e manganese (Mn⁺⁺).
Più calcio e magnesio in acqua, maggiore è il grado di durezza. Tre misurazioni vengono utilizzate per identificare la concentrazione di durezza e determinare il grado di durezza dell’acqua:
Nota: 1 mg/L equivale a 1 PPM. La durezza dell’acqua è normalmente calcolata come la somma delle concentrazioni di magnesio e calcio misurate in PPM CaCO3. L’EPA delinea i diversi livelli di durezza dell’acqua come segue (ma ci sono molte interpretazioni soggettive di ciò che costituisce acqua dura e dolce):
Mentre l’acqua viaggia attraverso la Terra, dissolve molti minerali dalla crosta terrestre. Pertanto, le acque sotterranee sono spesso acque dure perché contengono grandi concentrazioni di calcio e magnesio disciolti, entrambi molto comunemente presenti nella roccia e nel suolo e lungo il fondo marino.
Fortunatamente, la durezza dell’acqua non ha impatti noti sulla salute. Tuttavia, ha una serie di effetti estetici e tecnici. Ad esempio, la durezza dell’acqua può precipitare in incrostazioni che possono accumularsi nelle tubazioni, causando una diminuzione dell’efficienza degli elettrodomestici, portate d’acqua più lente e persino blocchi dei tubi. Inoltre, la durezza dell’acqua può avere effetti sul tuo corpo e sul tuo benessere.
I segni che hai acqua dura includono:
Nonostante il gusto probabilmente superiore dell’acqua dura, molte famiglie scelgono di installare addolcitori d’acqua per evitare questi problemi costosi e fastidiosi.
Gli addolcitori d’acqua sono unità di scambio ionico che ammorbidiscono l’acqua scambiando ioni durezza, principalmente calcio (Ca⁺⁺) e magnesio (Mg⁺⁺), con ioni sodio (Na⁺). Poiché il calcio e il magnesio sono cationi, l’addolcimento dell’acqua utilizza la resina a scambio cationico. Queste resine a scambio cationico hanno anioni solfonato (SO3-) come ioni fissi e cationi di sodio (Na⁺) come controioni. Il sale di potassio (K⁺) può anche essere utilizzato come controione. Sia il potassio che il sodio sono ioni “morbidi”, il che significa che non precipitano in scala; Questo li rende ottimali per lo scambio ionico.
Mentre l’acqua dura scorre attraverso il serbatoio pressurizzato, gli ioni di durezza si spostano nelle sfere di resina, attaccandosi agli ioni fissi e sostituendo i controioni di sodio. Poiché sia il calcio che il magnesio sono bivalenti, ogni ione di durezza sostituisce due ioni sodio per rimanere neutro. Questo scambio intrappola gli ioni di durezza nella resina, consentendo agli ioni di sodio di lasciare la resina nell’acqua di scarico. Oltre al calcio e al magnesio, anche il ferro (Fe⁺⁺) e il manganese (Mn⁺⁺) possono essere rimossi nel processo di addolcimento dell’acqua.
Nel corso del tempo, quando l’acqua dura scorre attraverso un sistema IE, le sfere di resina diventano sature di ioni di durezza e devono essere ricaricate con controioni (normalmente sodio o potassio). La salamoia, che è acqua contenente alti livelli di sale / sodio / potassio, viene tipicamente utilizzata per ricaricare (rigenerare) i media di resina e il corretto funzionamento continuo del sistema IE.
Tipicamente, un addolcitore d’acqua è costituito da due serbatoi, un serbatoio di resina cationica e un serbatoio di salamoia più piccolo. Quando le sfere di resina diventano completamente sature di ioni di durezza e tutto il sodio è stato scambiato, l’unità deve rigenerarsi. Il sistema si lava con salamoia, che è una soluzione di cloruro di sodio, per sostituire tutti gli ioni di durezza con ioni di sodio. Al termine del processo, la salamoia e gli ioni di durezza vengono scaricati da un tubo di scarico. Sebbene efficace, il processo di rigenerazione è molto dispendioso; L’addolcitore d’acqua medio utilizza venticinque litri di acqua al giorno per la rigenerazione.
Gli addolcitori d’acqua vengono utilizzati per rimuovere gli ioni di durezza e, naturalmente, ammorbidire l’acqua! L’uso di acqua dolce per fare le faccende, fare il bagno e fornire alla tua casa ha molti vantaggi, tra cui:
Il fluoruro (F-) esiste naturalmente nelle acque sotterranee e superficiali, poiché si trova nel suolo e nella roccia. A seconda della concentrazione, il fluoro ha effetti sia positivi che negativi sulla salute umana. A bassi livelli, il fluoro è noto per ridurre il tasso di demineralizzazione dello smalto dei denti e prevenire la carie. È per questo che molte strutture idriche pubbliche fluorizzano la loro acqua al fine di migliorare la salute dentale. Mentre il beneficio della fluorizzazione è chiaro, in concentrazioni più elevate, il fluoro può avere gravi impatti sulla salute, come la fluorosi dentale e scheletrica. Per prevenire questi effetti, vengono utilizzati diversi metodi per rimuovere l’eccesso di fluoro nell’acqua, incluso lo scambio ionico.
Poiché oltre il 95% del fluoro nell’acqua è presente come fluoruro (F-), le resine anioniche a base forte sono utilizzate principalmente nella defluorurazione IE. Gli ioni fissi sulla resina sono cationi di ammonio quaternario e i controioni sono tipicamente ioni cloro o cloruro (Cl-). Mentre l’acqua scorre attraverso il serbatoio della resina, gli ioni fluoruro, che hanno una maggiore elettronegatività rispetto al cloruro, si attaccano alla resina in cambio di ioni cloruro. Questo processo avviene fino a quando la resina diventa satura di ioni fluoruro, a quel punto il sistema deve essere rigenerato utilizzando un sale di cloruro di sodio disciolto. Durante la rigenerazione, la resina viene ricaricata con ioni cloruro e l’acqua ricca di fluoro viene scaricata. Oltre alle resine a scambio anionico, le resine a scambio cationico trattate con soluzione di allume possono essere utilizzate per la defluorizzazione.
La defluorizzazione per scambio ionico ha sia pro che contro:
Pro:
Contro:
Il radio è un elemento radioattivo che si trova naturalmente nella crosta terrestre. Le acque sotterranee possono contenere ioni radio (Ra⁺⁺), a seconda della concentrazione di radio nel suolo e nelle rocce vicine. Poiché il radio è un elemento radioattivo, se consumato in alte concentrazioni, il radio può avere impatti negativi sulla salute. Alcuni impatti sulla salute del radio includono:
Al fine di evitare questi effetti, lo scambio ionico può essere utilizzato per rimuovere il radio dall’acqua potabile.
Lo scambio ionico cationico, sotto forma di addolcitori d’acqua, rimuove efficacemente il radio dall’acqua. Come il calcio e il magnesio, il radio (Ra⁺⁺) è uno ione bivalente. Tuttavia, ha una maggiore affinità elettronica, che consente di filtrarlo dopo che gli ioni di durezza non vengono più rimossi dall’acqua. Nonostante la continua rimozione del radio, l’unità deve essere rigenerata una volta che gli ioni di durezza non vengono più rimossi per prevenire l’accumulo di calcare. Inoltre, il radio lasciato sulla resina può decadere in radon; pertanto, è importante rigenerare periodicamente l’unità con cloruro di sodio (NaCl) o cloruro di potassio (KCL) per eliminare il sistema.
Lo stronzio è un metallo alcalino-terroso che si trova nei minerali strontianite e celestina. Si dissolve in acqua come sali di stronzio (Sr⁺⁺) ed è presente nell’acqua potabile prelevata dalle falde acquifere rocciose. In alte concentrazioni, lo stronzio nell’acqua potabile ha molteplici effetti negativi sulla salute. L’esposizione allo stronzio durante l’infanzia, l’infanzia e l’adolescenza può causare una crescita ossea anormale, nonché impatti dentali. Inoltre, può causare un aumento della densità ossea negli adulti ed è stato collegato sia alla leucemia che al cancro alle ossa. Pertanto, la rimozione dello stronzio dall’acqua potabile è imperativa quando si trova in alte concentrazioni.
Gli addolcitori d’acqua, che sono descritti sopra, riducono efficacemente le concentrazioni di stronzio nell’acqua potabile. Uno studio EPA del 2015 sulla rimozione dello stronzio da parte dell’IE ha dimostrato che l’addolcimento dell’acqua rimuove efficacemente lo stronzio, oltre al calcio e al magnesio, con percentuali di rimozione simili tra i tre ioni.
