Sistemi di addolcimento dell'acqua e storia degli addolcitori d'acqua

Il decalcificatore acqua, detto anche addolcitore, è stato inventato ai primi anni del 1900. Il trattamento dell'acqua risale al 3500 a.C. Nell'antica Mesopotamia, dove l'acqua bollente era usata principalmente come unico metodo di trattamento dell'acqua. Anche se la durezza dell'acqua non era un problema per gli abitanti della Mesopotamia. L'ebollizione dell'acqua come metodo di trattamento dell'acqua si rivelò un modo efficace per rimuovere la durezza temporanea dall'acqua.

Non fu fino alla costruzione degli acquedotti dell'antica Roma, nel 312 a.C., che la necessità di sviluppare metodi per trattare l'acqua dura su larga scala divenne necessaria. I Romani conoscevano certamente le varie qualità dell'acqua. Alcuni dei fiumi, dei torrenti e delle sorgenti che attingevano e deviavano verso le loro città erano fonti eccellenti, altre non così buone. In base alla qualità, i romani crearono acquedotti che portavano specificamente acqua per il consumo e acqua per altri scopi, come la pulizia e il bagno.

I romani capirono che l'acqua proveniente da fonti specifiche avrebbe portato a incrostazioni e al restringimento dei canali a causa dell'accumulo di calcare. Tuttavia non capivano perché questo accadeva. Per risolvere questo problema, i Romani costruirono enormi vasche di decantazione alla testa degli acquedotti. Queste avevano pavimenti inclinati per facilitare la rimozione delle particelle che si accumulavano. Sfortunatamente, questo si occupava dei TSS (solidi sospesi totali) ma non aiutava con il problema dell'acqua dura, perché questa è dovuta ai minerali dissolti nell'acqua - comunemente chiamati TDS (solidi dissolti totali).

Poiché il problema della durezza dell'acqua non poteva essere risolto. Questo portò ad un cambiamento nel design dell'acquedotto che permetteva la pulizia del calcare dalle pareti dei condotti a mano. Questo significava che gli acquedotti dovevano avere canali o condotti abbastanza grandi da permettere ai lavoratori di accedere agli acquedotti. Questo è il motivo per cui i pozzi di accesso verticali periodici sono stati inclusi nel progetto. Questi pozzi di accesso servivano a un duplice scopo, erano anche usati come prese d'aria. I romani credevano che l'esposizione all'aria migliorasse la qualità dell'acqua. Questa nozione si è rivelata vera e viene chiamata aerazione. L'aerazione è quando l'acqua e l'aria sono in stretto contatto tra loro. La reazione aiuta a rimuovere i gas dissolti (come l'anidride carbonica) e ossida i metalli dissolti come il ferro, il solfuro di idrogeno e le sostanze chimiche organiche volatili (VOC). L'ossigeno può anche aumentare la palpabilità dell'acqua rimuovendo il sapore piatto.

La necessità di rimuovere la durezza (minerali) nell'acqua non divenne più importante fino alla rivoluzione industriale. La rivoluzione industriale che si è verificata nel 18° e 19° secolo è stata quella in cui le economie si sono evolute da economie principalmente agricole e artigianali in economie di produzione meccanizzata e su larga scala. Durante questo periodo, l'utilizzo dell'acqua durante il processo di produzione divenne molto importante. In particolare, per il trasferimento di calore e la potenza del vapore. Questo ha portato all'utilizzo di vari metodi di addolcimento dell'acqua (rimozione dei minerali) e alla necessità di innovare le tecniche di addolcimento dell'acqua. Qui di seguito troverete i diversi metodi utilizzati:

Distillazione

La distillazione dell'acqua risale almeno al 200 d.C. quando Alessandro di Aphrodisias descrisse per la prima volta la distillazione dell'acqua di mare in acqua potabile pulita. Anche se molti pensano che bollire l'acqua sia la stessa cosa della distillazione. Entrambi i processi usano il calore per far bollire l'acqua. La differenza è che nel processo di distillazione si cattura il vapore in un contenitore separato, poi si raffredda il vapore catturato in modo che ritorni alla sua forma liquida. L'acqua risultante avrà i minerali rimossi.

Addolcimento con la calce

Scoperto nel 1841 dal professore scozzese Thomas Clark. L'addolcimento della calce è un processo di trattamento dell'acqua che utilizza idrossido di calcio, o acqua calcarea, per addolcire l'acqua forzando la precipitazione di ioni di calcio e magnesio. In questo processo, la calce idrata (idrossido di calcio) viene aggiunta all'acqua per aumentare il suo livello di pH e precipitare gli ioni che causano la durezza. Questo processo è comunemente chiamato processo Clark.

Scambio di ioni

Alcuni credono che lo scambio ionico risalga ai tempi biblici in base a una dichiarazione di Mosè in Esodo 15: 23-25 "Non potevano bere le acque di Marah, perché erano amare. Egli gridò a Jehovah; Jehovah gli mostrò un albero, lo gettò nelle acque e le acque si addolcirono". Suppongo che dipenda da come lo si interpreta, ma è comunemente interpretato come la prima menzione dello scambio ionico come metodo di trattamento dell'acqua. La prima persona a menzionare il processo di filtrazione dell'acqua usando lo scambio ionico fu Aristotele. Egli affermò che "l'acqua di mare perde parte del suo contenuto salino percolando attraverso certe sabbie". È improbabile che Aristotele capisse il concetto di scambio ionico, tuttavia, lo scambio ionico era ciò che stava accadendo.

Non fu fino al 1845 quando H.S. Thompson riuscì a rimuovere l'ammoniaca da un campione di letame facendolo passare attraverso un normale terreno da giardino. Nel 1850, H.S. Thompson prese le sue scoperte e collaborò con J.T. Way e i due estrassero con successo l'ammoniaca e rilasciarono il calcio da campioni di argilla usando carbonato e solfato di ammonio. Questo è il primo caso in cui i metodi di scambio ionico furono usati in processi scientifici e fu un punto di svolta nel progresso dello scambio ionico.

Nel 1905, il dottor Robert Gans sviluppò il primo sistema di rimozione della durezza su scala commerciale utilizzando un tipo di suolo naturale di zeolite. Questa invenzione era basata sui principi che Thompson e Way avevano scoperto durante le loro ricerche. Sfortunatamente, il Dr. Gans usò un terreno di zeolite naturale che non era abbastanza conveniente per essere usato in un processo di produzione su larga scala. L'invenzione del dottor Gans non prese mai piede, ma fu il catalizzatore per la ricerca di resine alternative.

Le prime resine a scambio ionico furono descritte da Adams e Holmes, rispettivamente un esperto di trattamento dell'acqua e un chimico dei polimeri, del British Chemical Research Laboratory (1935). Queste resine a scambio ionico erano prodotti di condensazione di fenolo [CAS: 108-95-2] e formaldeide [CAS: 50-00-0]. La resina a scambio cationico di tipo granulare conteneva gruppi solfonici, e lo scambiatore di anioni conteneva gruppi amminici aromatici. Sono chiamati scambiatori di ioni a base forte e a base debole. Diverse resine a scambio ionico di tipo a condensazione furono prodotte durante il 1935-1945 sulla base delle ricerche di Adams e Holmes.

Il primo sistema di deionizzazione commerciale fu installato nel 1939. Il prossimo passo importante nella tecnologia delle resine a scambio ionico fu la sintesi degli scambiatori di cationi sulfonati stirene-divinilbenzene (DVB). Quantità commerciali di scambiatori di anioni stirene-DVB a base forte apparvero nel 1948. I primi scambiatori di anioni, del tipo a base debole, rimuovevano dall'acqua solo gli acidi minerali forti, come l'HCI (acido cloridrico). I materiali a base forte rimuovono tutti gli acidi, aprendo così la strada alla produzione di acqua di qualità uguale o migliore dell'acqua distillata e ad un costo molto inferiore. Lo scambio ionico è ancora il metodo più usato per trattare la durezza dell'acqua. Lo scambio ionico è il sistema di addolcimento dell'acqua che si vede tipicamente nelle case di tutto il mondo. Questi addolcitori d'acqua utilizzano lo scambio ionico scambiando il sodio con il calcio e il magnesio. Sfortunatamente, questo metodo non è buono per l'ambiente e causa problemi agli impianti di trattamento delle acque reflue. Tanto che alcuni stati stanno vietando il loro uso.

Osmosi inversa (RO)

L'osmosi inversa è il processo di forzare un solvente (acqua) da una regione di alta concentrazione di soluto attraverso una membrana semipermeabile a una regione di bassa concentrazione di soluto applicando una pressione maggiore della pressione osmotica. (La pressione osmotica è la pressione minima che deve essere applicata a una soluzione per impedire il flusso verso l'interno del suo solvente puro attraverso una membrana semipermeabile). È anche definita come la misura della tendenza di una soluzione a prendere un solvente puro per osmosi. La più grande e probabilmente più importante applicazione dell'osmosi inversa è la separazione dell'acqua pura dall'acqua di mare e da altre acque salmastre: L'acqua di mare, o l'acqua salmastra, è pressurizzata contro una superficie della membrana, causando il trasporto dell'acqua impoverita di sale attraverso la membrana e creando acqua pura sul lato a bassa pressione.

L'osmosi inversa fu scoperta per la prima volta nel 1748 da Jean-Antoine Nollet, usando una vescica di maiale come membrana. Egli dimostrò che un solvente poteva passare selettivamente attraverso una membrana semipermeabile attraverso il processo di pressione osmotica naturale e il solvente entrerà continuamente attraverso la membrana cellulare fino a quando un equilibrio dinamico sarà raggiunto su entrambi i lati della vescica.

Nel 1949, l'Università della California Los Angeles (UCLA) scoprì che l'osmosi inversa avrebbe funzionato per dissalare l'acqua di mare. L'Università della Florida ha portato avanti questo lavoro negli anni '50, sviluppando un processo per trasformare l'acqua di mare in acqua dolce. Sfortunatamente, a causa del costo del processo che hanno sviluppato, era poco pratico da usare.

Il più grande passo avanti nella tecnologia delle membrane RO fu quando John Cadotte scoprì la membrana FT-30 nel 1969. John fece questa scoperta mentre faceva ricerca al Midwest Research Institute, un'organizzazione senza scopo di lucro che svolgeva ricerche sulle membrane RO sotto un contratto governativo. La membrana FT30 consiste di tre strati: uno strato barriera in poliammide ultrasottile, uno strato intermedio in polisolfuro microporoso, e una rete di supporto in poliestere ad alta resistenza. La membrana FT30 è stata continuamente aggiornata e perfezionata per fornire un rigetto più elevato, un flusso di membrana migliorato e basse prestazioni di fouling. La membrana FT30 di oggi è unica e uniforme in termini di prestazioni e qualità, senza i difetti di nastratura o incollatura che possono causare il fallimento di altre membrane. L'azienda chimica DOW ha acquistato i diritti sulla tecnologia della membrana FT-30 e rimane una delle migliori membrane a osmosi inversa disponibili sul mercato.

Metodo della soda di lavaggio

Il carbonato di sodio (noto anche come soda di lavaggio o soda), Na2CO3, è un sale di sodio dell'acido carbonico ed è una base forte e non volatile. Na2CO3 si presenta comunemente come un eptaidrato cristallino che si forma facilmente in una polvere bianca, il monoidrato. Ha un sapore alcalino rinfrescante e viene estratto dalle ceneri di molte piante. Viene anche prodotto artificialmente in grandi quantità dal sale comune. Il carbonato di sodio è usato principalmente nella fabbricazione del vetro (55%), della pasta e della carta (5%), del sapone e di molti altri prodotti chimici (25%) come i silicati di sodio e i fosfati di sodio.

La creazione del carbonato di sodio si ottiene attraverso uno dei due processi conosciuti. Il processo Leblanc e il processo Solvay.

Processo Leblanc

Nel 1791, il chimico francese Nicolas Leblanc brevettò un processo per produrre carbonato di sodio da sale, acido solforico, calcare e carbone. In primo luogo, il sale marino (cloruro di sodio) veniva bollito in acido solforico per produrre solfato di sodio e cloruro di idrogeno gassoso, secondo l'equazione chimica:

2 NaCl + H2SO4 → Na2SO4 + 2 HCl

Successivamente, il solfato di sodio viene mescolato con calcare schiacciato (carbonato di calcio) e carbone, e la miscela viene bruciata, producendo carbonato di sodio insieme ad anidride carbonica e solfuro di calcio.

Na2SO4 + CaCO3 + 2 C → Na2CO3 + 2 CO2 + CaS

Il carbonato di sodio viene estratto dalle ceneri con acqua e poi raccolto lasciando evaporare l'acqua. L'acido cloridrico prodotto dal processo Leblanc è una fonte importante di inquinamento atmosferico, e il sottoprodotto solfuro di calcio presenta anche seri problemi di smaltimento dei rifiuti. Tuttavia, è rimasto il principale metodo di produzione del carbonato di sodio fino alla fine degli anni 1880. Per la maggior parte, questo processo non è più utilizzato.

Processo Solvay

Nel 1861, il chimico industriale belga Ernest Solvay sviluppò un metodo per convertire il cloruro di sodio in carbonato di sodio usando l'ammoniaca. Il processo Solvay era incentrato su una grande torre cava. Sul fondo, il carbonato di calcio (calcare) veniva riscaldato per rilasciare anidride carbonica:

CaCO3 → CaO + CO2

In cima, una soluzione concentrata di cloruro di sodio e ammoniaca entrava nella torre. Mentre l'anidride carbonica saliva attraverso di essa, il bicarbonato di sodio precipitava:

NaCl + NH3 + CO2 + H2O → NaHCO3 + NH4Cl

Il bicarbonato di sodio è stato poi convertito in carbonato di sodio riscaldandolo, rilasciando acqua e anidride carbonica:

2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2

Nel frattempo, l'ammoniaca è stata rigenerata dal sottoprodotto cloruro di ammonio trattandola con la calce (idrossido di calcio) rimasta dalla generazione di anidride carbonica:

CaO + H2O → Ca(OH)2

Ca(OH)2+ 2 NH4Cl → CaCl2 + 2 NH3 + 2 H2O

Poiché il processo Solvay riciclava la sua ammoniaca, consumava solo salamoia e calcare e aveva il cloruro di calcio come unico prodotto di scarto. Questo lo rendeva sostanzialmente più economico del processo Leblanc, e presto arrivò a dominare la produzione mondiale di carbonato di sodio. Entro il 1900, il 90% del carbonato di sodio era prodotto dal processo Solvay, e l'ultimo impianto del processo Leblanc chiuse nei primi anni '20.

Il carbonato di sodio è solubile in acqua, ma può verificarsi naturalmente nelle regioni aride, specialmente nei depositi minerali formati quando i laghi stagionali evaporano, comunemente chiamati evaporiti. I depositi del minerale natron, una combinazione di carbonato di sodio e bicarbonato di sodio, sono stati estratti dai fondi dei laghi secchi in Egitto e in altre parti del Medio Oriente fin dai tempi antichi, quando il natron era usato nella preparazione delle mummie e nella prima fabbricazione del vetro. Il carbonato di sodio ha tre forme note di idrati: carbonato di sodio decaidrato, carbonato di sodio eptaidrato e carbonato di sodio monoidrato.

Il carbonato di sodio è ancora oggi prodotto dal processo Solvay in gran parte del mondo. Tuttavia, i grandi depositi naturali trovati nel 1938 vicino al Green River nel Wyoming, hanno reso la sua produzione industriale in Nord America antieconomica poiché può essere semplicemente estratta.

Domesticamente la soda di lavaggio è usata come addolcitore d'acqua nelle lavatrici. In questa applicazione, il bicarbonato di sodio compete con gli ioni magnesio e calcio nell'acqua dura e impedisce loro di legarsi al detergente usato. Senza l'uso del bicarbonato di sodio, è necessario un detergente aggiuntivo per assorbire gli ioni di magnesio e di calcio.

Dispositivi di condizionamento dell'acqua

Tecnicamente i condizionatori d'acqua non addolciscono l'acqua. Invece, sono un approccio alternativo per risolvere i problemi che l'acqua dura può causare. Le principali tecnologie in questo settore meritano di essere menzionate quando si spiega l'addolcimento dell'acqua perché l'obiettivo di usare un condizionatore d'acqua e un addolcitore è lo stesso. I condizionatori d'acqua usano vari metodi per creare una reazione catalitica che cambia il modo in cui i minerali e i contaminanti biologici si comportano in una soluzione liquida. L'obiettivo finale è quello di evitare che questa materia si accumuli sulle superfici e causi problemi seri come il biofouling e l'accumulo di calcare.

Il modo esatto in cui un condizionatore d'acqua raggiunge questo obiettivo dipende dal tipo di condizionatore e da ciò che il sistema è in grado di fare. L'obiettivo può essere quello di ridurre la formazione di calcare, di rallentare il tasso di incrostazione, o di cambiare la composizione del calcare in modo che precipiti e non aderisca affatto alle superfici.

Indipendentemente da come un condizionatore d'acqua manipola il comportamento dei minerali, tutti hanno alcune cose fondamentali in comune. I condizionatori, al contrario degli addolcitori d'acqua tradizionali, non rimuovono gli ioni minerali, ma impediscono che questi ioni si accumulino all'interno dei tubi, sull'elemento riscaldante, sugli ugelli e sui sanitari. Questo risolve uno dei principali problemi dell'acqua dura senza aggiungere sale. Per questo a volte si sente parlare di condizionatori d'acqua come "addolcitori senza sale". Questa opzione di trattamento dell'acqua è preferibile per molte persone poiché i condizionatori d'acqua tendono ad avere una manutenzione molto più bassa e un costo inferiore rispetto agli addolcitori d'acqua tradizionali e non aggiungono sodio all'acqua. Soprattutto, il condizionamento dell'acqua permette di mantenere una fonte sana di calcio e magnesio ionico.

Un altro vantaggio del processo di condizionamento dell'acqua è che può affrontare anche i contaminanti biologici. I condizionatori d'acqua possono rompere il biofilm in modo che non aderisca alle superfici. Alcuni condizionatori, come HydroFLOW, possono persino disattivare questi contaminanti biologici.

Di seguito sono riportate le principali tecnologie utilizzate nel processo di condizionamento dell'acqua:

Template Assisted Crystallization (TAC) - Abbreviato in TAC, questo metodo utilizza perle di resina come sito di nucleazione catalitica dove gli ioni minerali di durezza diventano una forma cristallina stabile che non aderisce alle superfici. Questi cristalli sono microscopici e scorrono con l'acqua naturalmente e alla fine giù per lo scarico. A differenza di un addolcitore che utilizza lo scambio ionico, questo serbatoio di perle di resina non richiede una rigenerazione continua.

Cristallizzazione assistita da nucleazione (NAC) - Questo è quando l'acqua va sotto nucleazione in un recipiente a pressione, il bicarbonato di calcio Ca(HCO) si trasforma in cristalli di carbonato di calcio CaCO3 e questi cristalli si formano per decomposizione. Questo tipo di processo di cristallizzazione forma cristalli molto stabili e innocui.

La seguente equazione descrive la reazione che avviene all'interno del recipiente a pressione quando il flusso sopra i grani di nucleazione.

Ca(HCO) → CaCO+ CO + HO

Nel recipiente a pressione, l'equilibrio delle specie di carbonato in acqua è spostato, assistito dalla forza motrice della formazione di cristalli stabili. Finché la CO2 viene rimossa, il Ca(HCO) solubile si converte in cristalli insolubili di carbonato di calcio (CaCO3). I cristalli di carbonato di calcio crescono costantemente. Sono molto stabili e non possono dissolversi (incapaci di formare incrostazioni) nell'acqua. I siti di cristallizzazione dei grani di vetro forniscono maggiori siti di nucleazione per la formazione di cristalli di CaCO3 di dimensioni submicroniche. Quindi questo processo è chiamato cristallizzazione assistita da nucleazione.

Induzione elettrica: Una corrente elettrica può anche essere usata per far precipitare la durezza dell'acqua. Questo precipitato si forma tipicamente su un elettrodo che richiede una pulizia periodica. Il precipitato può creare uno strato di fango su alcune superfici. Tuttavia, questo fango può essere facilmente rimosso da un flusso d'acqua veloce. Il condizionatore d'acqua brevettato e unico HydroFLOW è il modo più innovativo di utilizzare un'induzione elettrica per condizionare l'acqua.

Chelazione - Il termine chelazione (derivato dalla parola greca chelos o artiglio) si riferisce alle proprietà leganti minerali o metalliche di alcuni composti che possono tenere un catione centrale in una presa simile ad un artiglio. Scoperto dal chimico franco-svizzero Alfred Werner, che nel 1893 sviluppò la teoria dei composti di coordinazione, oggi chiamati chelati. Questo fu un grande cambiamento nel modo di classificare i composti chimici inorganici. Nel 1913, Werner ricevette il premio Nobel per la sua scoperta.

La chelazione è spesso indicata come addolcimento dell'acqua di chelazione. Tecnicamente questo processo non addolcisce l'acqua. La chelazione è una tecnologia di condizionamento che usa un agente chelante (come l'acido citrico o l'EDTA) per legare gli ioni di durezza, rendendoli incapaci di formare il calcare sugli impianti e sugli apparecchi. Questa tecnologia può prevenire l'accumulo di calcare fino al 99% e può anche rimuovere il calcare esistente. La chelazione non è stata ben provata, specialmente per livelli di durezza più alti (> 8-10 gpg), o se sono presenti ferro, ossigeno dissolto o silice dissolta.

Magnetismo: Alcuni condizionatori usano magneti per creare un campo magnetico nell'acqua che influenza il modo in cui gli ioni di durezza si comportano. Normalmente, questi ioni sono inclini a formare gruppi che si attaccano alle superfici, ma il magnetismo ha lo scopo di renderli meno propensi a farlo cambiando la forma dei gruppi. Gli studi scientifici non hanno confermato l'efficacia del trattamento magnetico dell'acqua.

* Man mano che emergono innovazioni nell'addolcimento dell'acqua, continueremo ad aggiungerle a questo articolo. L'acqua dura è un problema per l'85% degli Stati Uniti. Aiutarvi a capire le opzioni e l'effetto che ciascuna ha nel trattare l'acqua dura è il nostro obiettivo.

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