ACQUA

ACQUA (I, p. 339; App. I, p. 15; II, 1, p. 16)

Depurazione. - In questo campo si sono compiuti, nell'ultimo decennio, notevoli progressi, mentre parallelamente sono aumentate, in quasi tutti i settori industriali, le esigenze in fatto di qualità dell'acqua. Accanto ai vecchi procedimenti, che pure hanno subìto notevoli migliorie, sono entrati nell'uso corrente sistemi completamente nuovi, sempre più frequenti sono gli impianti semiautomatici o completamente automatici e numerosi sono i prodotti chimici ausiliari, destinati ad incrementare l'efficienza degli impianti di depurazione, ad inibire corrosioni e ad evitare precipitazioni e depositi.

Chiarificazione. - Questa operazione, che può essere considerata il primo stadio nel trattamento dell'a., viene ora grandemente facilitata con l'impiego dei chiarificatori ad azione accelerata (Accelator, Spaulding precipitator, ecc.) che, pur essendo di dimensioni notevolmente ridotte rispetto ai tipi convenzionali, assolvono contemporaneamente alle funzioni di miscelazione, generalmente meccanica, dell'acqua con gli agenti flocculanti, di flocculazione e di sedimentazione.

Questi apparecchi mirano ad aumentare, con alcuni artifici, la concentrazione dei fanghi nella zona di flocculazione. Si favorisce così, con il moltiplicarsi dei contatti fra le singole particelle in sospensione, la formazione rapida di fiocchi voluminosi che vengono con facilità eliminati successivamente dalla zona di sedimentazione, attraverso dei concentratori di fango.

Questi apparecchi possono essere del tipo a ricircolazione dei fanghi (una parte dei fanghi viene riportata continuamente dalla zona di sedimentazione a quella di miscelazione) e del tipo a coltre di fanghi (nei quali, fissando opportunamente la velocità ascendente del liquido fangoso si stabilisce una zona a forte concentrazione di fanghi sospesi che esercitano una vera e propria azione filtrante nei confronti delle particelle più leggere).

I chiarificatori ad azione accelerata offrono il vantaggio principale, rispetto ai chiarificatori convenzionali, delle dimensioni più ridotte (tempi di ritenzione 1-2 ore, contro 2-6 ore circa).

Da segnalare anche, fra i perfezionamenti nel campo della chiarificazione, l'apporto dei cosiddetti attivanti di flocculazione che, aggiunti a dosi ridotte di flocculanti tradizionali (solfato di alluminio o di ferro, cloruro ferrico, alluminato sodico, ecc.), permettono di accelerare ulteriormente la formazione del fiocco.

Addolcimento. - Apparecchi del tutto analoghi a quelli sopra descritti, sono impiegati anche per l'addolcimento a freddo, a calce e soda o semplicemente a calce (decarbonatazione).

Inoltre gli stessi principî della coltre di fango e della ricircolazione dei fanghi, vengono sfruttati nella costruzione di apparecchi di addolcimento a caldo, destinati quasi esclusivamente al trattamento dell'a. di alimento di caldaie a vapore e che, oltre ad eliminare i sali di calcio e di magnesio, permettono di ridurre la quantità di silice presente nell'acqua.

In questi procedimenti la silice viene spesso fatta adsorbire dai precipitati di Mg (OH)₂ che possono formarsi sia dai sali di magnesio presenti nell'acqua, sia da ossido di magnesio o da calce dolomitica aggiunti nell'impianto quando l'acqua è povera di magnesio. Un altro metodo veramente interessante, quello della precipitazione catalitica (Spiractor, Wirbos, ecc.), ha ottenuto un certo successo in quest'ultimo periodo, nonostante le limitazioni cui è sottoposto. Si tratta di far precipitare il bicarbonato di calcio, a mezzo di calce, in presenza di granuli di sabbia intorno ai quali va ad aderire tenacemente il carbonato formatosi dalla reazione. La massa di granuli è tenuta in sospensione dall'acqua ascendente con moto rotatorio nel reattore (di forma conica molto allungata) e subisce una classificazione. Mano a mano che i granuli ingrossano e raggiungono il diametro finale, di circa 4-5 mm, vengono estratti dal fondo mentre l'acqua decarbonatata esce dall'alto.

Questi apparecchi presentano il vantaggio del brevissimo tempo di ritenzione (10-15 m′), ma non possono essere utilizzati per trattare acque contenenti elevate quantità di Mg. Questo infatti precipita come idrato in fiocchi gelatinosi che disturbano la precipitazione catalitica del calcio. Limitazioni analoghe sono poste dalla presenza del ferro o di sostanze organiche.

Filtrazione. - Da segnalare i filtri aperti automatici senza valvole e quelli a filtrazione dal basso.

Nei primi si ottiene, a mezzo di sifoni, sfruttando la perdita di carico che si verifica per effetto dell'intasamento del filtro, la messa in lavaggio in controcorrente del filtro stesso e la rimessa in servizio a lavaggio ultimato. Nei secondi si ottiene, con accorgimenti particolari, di interessare al processo di filtrazione tutto il letto filtrante, permettendo di mantenere velocità di filtrazione più elevate (normalmente 30 m³/h) con notevole prolungamento del ciclo di lavoro del filtro stesso e riduzione della quantità di acqua richiesta dal lavaggio in controcorrente.

Vanno anche diffondendosi, per la filtrazione di a. a torbidità relativamente basse, i sistemi che fanno assegnamento su elementi filtranti in materiali ceramici porosi, metalli sinterizzati, ecc.

In alcuni di questi tipi gli elementi filtranti assumono solo la funzione di supporto del mezzo filtrante, costituito da farina fossile. Questa viene immessa in sospensione acquosa all'inizio del ciclo e va ad aderire sulla superficie del supporto. Alla fine del ciclo la farina fossile, con le impurezze trattenute, viene eliminata con un breve ma energico lavaggio in controcorrente. Questi filtri in genere permettono di ottenere acqua ad elevata purezza: in particolare quelli a farina fossile vengono impiegati anche per la rimozione dell'olio dall'acqua.

Depurazione con resine scambiatrici di ioni. - I sistemi di trattamento utilizzanti le resine scambiatrici di ioni (App. II, 11, p. 684) rappresentano la maggiore innovazione nel campo della depurazione dell'a., tanto che buona parte dei problemi da quelli del trattamento di acque di alimentazione delle caldaie a quelli delle acque di rifiuto radioattive possono essere risolti, sia integralmente sia parzialmente, con l'ausilio delle resine scambiatrici di ioni.

L'applicazione più semplice consiste nell'addolcimento con l'impiego di una resina cationica forte in ciclo sodico. In questo caso la resina si comporta, salvo la maggiore capacità di scambio ed il migliore rendimento di rigenerazione, come una zeolite (I, p. 354) e, come questa, viene rigenerata con NaCl. Con tale trattamento, l'alcalinità dell'a., data generalmente dai bicarbonati, rimane invariata e spesso ciò non è tollerabile; per eliminarla o ridurla si può far precedere l'addolcimento in ciclo sodico, da una decarbonatazione con calce a freddo, con uno dei sistemi descritti più sopra, o anche da un trattamento a calce e soda a caldo, dato che le moderne resine cationiche possono funzionare bene anche a temperatura di 100 °C ed oltre. Naturalmente l'a. pretrattata sarà accuratamente filtrata prima di essere avviata all'addolcitore a resina. Quando questo metodo di pretrattamento non è giustificato, per la complicazione degli impianti, è possibile risolvere il problema in altri modi, impiegando esclusivamente scambiatori a resina.

Ad esempio, pretrattando l'a. in uno scambiatore a resina carbossilica (cationica debole) in ciclo idrogeno (rigenerata con acido), si eliminano tutti e solo i cationi legati all'acido carbonico e la CO₂ che rimane libera in soluzione viene eliminata dall'a. con una energica aereazione in una torre di decarbonatazione. Nell'a. rimane quindi, con altri sali neutri, solo la durezza permanente che viene successivamente eliminata nello scambiatore in ciclo sodico: si ottiene un'a. generalmente a bassa salinità data solo da cloruro e solfato di sodio. Il trattamento più completo è quello della deionizzazione o demineralizzazione che permette di eliminare tutti i sali disciolti nell'acqua; consiste nel far passare l'a. prima attraverso uno scambiatore cationico (in ciclo idrogeno) e successivamente, previa eliminazione della CO² mediante aereazione o degasaggio sotto vuoto, attraverso una resina anionica debole (se non si richiede l'eliminazione della SiO₂ e della CO₂ residua) o una resina anionica forte (se si vogliono eliminare anche queste impurità). La rigenerazione viene effettuata con Cl, per la resina cationica, e con NaOH per la resina anionica. Qualche volta, invece di Cl, si usa H₂SO₄ che però richiede particolari precauzioni per evitare pericolose precipitazioni dello scarsamente solubile CaSO₄ sui granuli della resina.

Il ciclo sopra descritto permette di ridurre il contenuto salino dell'a. a pochi mg/l. Spesso però si richiede che l'a. abbia purezze che difficilmente si ottengono con il ciclo semplificato sopra descritto. Infatti, dato che le reazioni di scambio ionico sono reversibili, non è possibile spingere oltre certi limiti l'eliminazione dei cationi, data la presenza degli acidi liberatisi nella reazione stessa. Se però si riesce ad eliminare questi acidi, la reazione può continuare indefinitamente.

Questo risultato può essere ottenuto disponendo in serie più coppie di scambiatori cationici ed anionici o, meglio ancora, utilizzando un cosiddetto "letto misto". Questo dispositivo è costituito da uno scambiatore riempito con una miscela intima di una resina cationica e di una anionica che permette di eliminare gli acidi man mano che si formano. Per procedere alla rigenerazione, in questo caso, le resine vengono innanzitutto separate per classificazione: con un lavaggio in controcorrente la resina anionica per il suo minore peso specifico si porta al di sopra di quella cationica. Un distributore particolare, disposto sul piano di demarcazione fra i due letti di resina così formati, permette di effettuare separatamente la rigenerazione della resina cationica con Cl e di quella anionica con NaOH. La rimiscelazione delle resine viene eseguita con aria compressa. Lo scambiatore a letto misto viene generalmente preceduto almeno da uno scambiatore cationico e da una torre di decarbonatazione. Eliminando l'acido carbonico si evita la spesa di rigenerante che si avrebbe se l'acido carbonico stesso venisse eliminato dalla resina anionica forte.

Un'altra applicazione dello scambio ionico, attualmente in fase di sviluppo, è quella delle membrane scambiatrici di ioni nei processi di elettrodialisi. Con questi processi è possibile trattare acqua a forte salinità, come per esempio acqua di mare, per renderla potabile.

Alcune precauzioni debbono essere prese prima di adottare un processo a scambio ionico. In primo luogo l'a. deve essere sempre limpida. Nel processo di addolcimento in ciclo sodico poi il ferro può dare noie perché precipitando può contaminare la resina cationica riducendone la capacità di scambio. Deve essere controllato anche il tenore in sostanze organiche che possono contaminare gravemente le resine anioniche.

La grande varietà dei processi di depurazione permette di scegliere, per ogni problema di trattamento di a., la soluzione più idonea. Questa scelta deve essere fatta tenendo presenti oltre all'uso cui è destinata l'acqua trattata, anche le caratteristiche dell'acqua greggia, senza trascurare i fattori economici legati all'importanza dell'impianto e alle condizioni ambientali.

Acqua per caldaie. - Un improprio trattamento dell'a. nelle caldaie a vapore può dare luogo ai seguenti inconvenienti: a) incrostazioni e depositi che si formano, oltre che nella caldaia vera e propria, anche negli economizzatori ed a volte lungo la rete di alimentazione; b) corrosioni che possono colpire, oltre agli organi sopra elencati, anche la rete del vapore e dell'a. di condensa; c) trascinamenti di a. di caldaia con il vapore, che provocano danneggiamenti negli eventuali surriscaldatori e nella rete di utilizzazione del vapore stesso.

Per far fronte a questi pericoli è innanzi tutto necessario che l'a. di alimentazione abbia caratteristiche compatibili con il tipo di caldaia e con le sue condizioni di esercizio. In secondo luogo si deve curare che nell'a. di caldaia sia sempre mantenuto un "regime chimico" adatto, le cui caratteristiche sono definite dai seguenti parametri principali: pH - fosfati liberi - alcalinità carbonatica - salinità.

Non è sempre necessario che l'a. di alimentazione sia preventivamente depurata. Ad esempio, nel caso di caldaie a focolare interno o a tubi di fumo, è possibile utilizzare a. greggia, anche se a forte durezza totale, dato che un trattamento interno razionale, applicato con costante cura, è in grado di preservare l'impianto termico da qualsiasi danno.

È invece da rilevare che la sola depurazione esterna è raramente in grado di fornire tutte le garanzie per. una buona conservazione dell'impianto termico e spesso deve essere integrata con un adatto "condizionamento" dell'acqua di caldaia.

La depurazione preventiva dell'a. di alimento, quando è richiesta, deve assolvere alle seguenti funzioni:

a) Eliminare dall'a. stessa tutti i sali indesiderati. A volte è sufficiente abbattere o anche solo ridurre la sola durezza, mentre spesso è indispensabile eliminare, praticamente in modo totale, tutte le sostanze disciolte. Particolare attenzione deve essere posta all'eliminazione della silice dall'a. di alimento di caldaie a pressione superiore ai 60 kg/cm². Infatti in queste condizioni la silice "distilla" in corrente di vapore e dà luogo a pericolosi depositi sulle palettature delle turbine a vapore. Da non trascurare, quando si decide la scelta di un sistema di depurazione, il problema della riduzione dell'alcalinità dell'a. data dai bicarbonati di calcio, magnesio e sodio. Con acque molto alcaline è per esempio da sconsigliarsi l'adozione di un semplice addolcitore in ciclo sodico, perché i bicarbonati di calcio e magnesio vengono convertiti in bicarbonato di sodio, il quale a sua volta in caldaia perde CO₂ trasformandosi in Na₂CO₃ ed NaOH. Un eccesso di questi sali è dannoso per il pericolo di corrosioni, fragilità caustica e trascinamenti. Per contenere i sali alcalini nella caldaia entro valori tollerabili è necessario in questi casi eseguire fortissimi spurghi, con conseguente perdita di calore. Inoltre, la CO₂ liberatasi è causa di corrosioni nelle reti di condensa.

b) Eliminare per quanto possibile i gas disciolti ed in particolare ossigeno e CO₂. Questi gas rappresentano la causa principale delle corrosioni. L'ossigeno esercita la sua azione su tutte le superfici dell'impianto termico, mentre la CO₂ generalmente fa sentire i suoi effetti nella rete della condensa dove, con la sua presenza, abbassandone il valore del pH, rende l'a. corrosiva. L'eliminazione dei gas viene fatta quasi sempre in degasatori termici: infatti la solubilità dei gas si riduce con l'aumento della temperatura fino ad annullarsi alla temperatura di ebollizione dell'a. alla pressione dell'ambiente. A volte si utilizzano anche degasatori sotto vuoto.

Il trattamento interno dell'a. di caldaia deve a sua volta conferire a questa caratteristiche tali da ridurre al minimo i pericoli sopra illustrati.

Innanzi tutto è necessario mantenere un valore del pH compreso in media fra 10,5 ed 11,5. valori più bassi possono essere sufficienti nel caso di caldaie ad alta pressione alimentate con a. distillata o demineralizzata, mentre si preferisce adottare valori più elevati nel caso di caldaie a bassa pressione, specie se l'acqua di alimento non ha subìto alcun trattamento preventivo. Queste condizioni sono raggiunte automaticamente nel caso vengano utilizzati, per la depurazione esterna, depuratori a calce e soda o a fosfato trisodico accuratamente condotti. In caso contrario è necessario aggiungere fosfato trisodico o idrato sodico e fosfati, per caldaie a pressione superiore alle 15/20 atm. o anche semplicemente soda per quelle a pressione inferiore. Il valore del pH sopra fissato permette di ridurre al minimo le corrosioni all'interno della caldaia e di mantenere in soluzione la silice. Se contemporaneamente si realizza un adeguato eccesso di fosfati liberi o di Na₂CO₃, si evita anche la formazione di incrostazioni.

Nel caso di caldaie alimentate con a. non depurata si usa pure aggiungere sostanze organiche a base di estratti tannici, derivati dalla lignina, ecc., allo scopo di rendere fluidi i fanghi che si formano dalla precipitazione della durezza dell'acqua di alimento.

Un altro elemento che deve essere tenuto sotto controllo è la salinità dell'acqua. Un eccessivo valore di questa può provocare varî inconvenienti di cui il più vistoso è quello del trascinamento di a. con il vapore. Questo fenomeno porta, come conseguenza principale, alla formazione di depositi dei sali contenuti nell'a., in tutta la rete vapore e particolarmente nei surriscaldatori o sulle palette dalle turbine. È quindi necessario effettuare adeguati spurghi per mantenere la salinità entro valori adatti al tipo di caldaia ed alle sue condizioni di esercizio.

Per permettere una riduzione degli spurghi, che comportano un'elevata perdita di calore e riducono a volte le prestazioni della caldaia, è entrato nell'uso corrente l'impiego di sostanze antischiuma (per es. poliamidi) che permettono di incrementare notevolmente (oltre 4 o 5 volte) la salinità dell'a. di caldaia senza alcun inconveniente.

Un'altra serie di trattamenti è destinata infine a neutralizzare i gas contenuti nell'acqua di alimentazione. Infatti anche dopo degasazione rimangono sempre nell'a. lievi quantità di ossigeno e CO₂ che possono destare preoccupazioni. Per la eliminazione completa dell'ossigeno sta diffondendosi l'uso dell'idrazina che reagisce secondo il seguente schema:

L'ossigeno quindi viene eliminato senza incrementare le sostanze disciolte. Questa particolarità è molto importante, dato che generalmente l'uso di questo prodotto è limitato al trattamento di caldaie ad alta pressione e elevata produzione specifica di vapore, nelle quali, essendo molto facili i trascinamenti si tollerano salinità estremamente ridotte nell'acqua di caldaia ed in quella di alimentazione.

Per neutralizzare la CO₂ vengono impiegate sostanze alcaline volatili, che condensano con il vapore, aumentando il valore del pH della condensa. A volte si usa semplicemente ammoniaca che però deve essere dosata con somma cura ed in modo continuo nell'acqua di alimento.

Questo sistema è pericoloso per possibili corrosioni agli elementi costruiti con leghe di rame e zinco specie in presenza di ossigeno e deve essere applicato con somma attenzione. Più pratico è l'impiego di ammine volatili (morfolina ecc.), meno pericolose dell'ammoniaca.

Un altro sistema di protezione della rete delle condense, meno diffuso del precedente, fa assegnamento sull'impiego di ammine filmanti che, depositandosi sulle superfici metalliche in sottile strato non bagnabile, le proteggono dall'attacco.

Bibl.: E. Nordell, Water treatment, New York 1951; S. T. Powell, Water conditioning for industry, New York 1954; F. C. Nachod e J. Schubert, Ion-exchange technology, New York 1956; E. Casali, L'acqua delle caldaie a vapore e il suo trattamento, Milano 1958; G. Agamennone e C. Zanchi, Le acque per caldaie, Milano 1956.