Trattamenti delle acque primarie. Impianti Meccanici 1

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1 Trattamenti delle acque primarie Impianti Meccanici 1

2 IMPUREZZE DELL ACQUA PRIMARIA Classificazione Per corpo idrico si intende una massa d acqua che presenti proprie caratteristiche idrologiche, fisiche,chimiche, biologiche. Sono corpi idrici i corsi d'acqua naturali e artificiali, i laghi, il mare, le falde acquifere sotterranee Impianti Meccanici 2

3 IMPUREZZE DELL ACQUA PRIMARIA In vista di un loro impiego nell'industria, le acque naturali sono anche indicate come primarie, nel senso che costituiscono la fonte di alimentazione dei circuiti dell'acqua tecnologica, potabile, antincendio. L'acqua naturale o primaria contiene, oltre ai suoi naturali componenti, quantità variabili di sostanze disciolte e/o sospese, denominate impurezze. Impianti Meccanici 3

4 IMPUREZZE DELL ACQUA PRIMARIA I tipi di impurezze più frequentemente presenti nelle acque sono costituiti da: a) sostanze sospese nell'acqua, quali sabbie, argille, detriti organici: rendono l'acqua torbida od opalescente; b) sostanze disciolte nell'acqua, quali sali minerali e sostanze organiche: sono generalmente invisibili a occhio nudo; in particolare, i sali alcalino-terrosi (calcio e magnesio) sono alla base della durezza dell'acqua. Impianti Meccanici 4

5 IMPUREZZE DELL ACQUA PRIMARIA c) gas disciolti, quali ossigeno, azoto, anidride carbonica e solforosa, la cui solubilità nell'acqua dipende dalla temperatura e dalla pressione. Impianti Meccanici 5

6 IMPUREZZE DELL ACQUA PRIMARIA Sovente, l'acqua primaria, per il fatto di contenere le impurezze sopra elencate (o alcune di esse), deve essere sottoposta a trattamenti di natura meccanica, fisica o chimica, atti a renderla rispondente ai requisiti richiesti dagli impieghi cui è destinata. Impianti Meccanici 6

7 IMPUREZZE DELL ACQUA PRIMARIA I trattamenti - sui quali ci soffermeremo in seguito - vengono scelti in relazione al tipo ed al grado di depurazione richiesti per l'acqua destinata ai diversi impieghi: ragione per cui è sovente necessario prevedere trattamenti separati dell'acqua, a seconda delle utenze da alimentare. Impianti Meccanici 7

8 IMPUREZZE DELL ACQUA PRIMARIA A titolo esemplicativo, citiamo alcuni casi specifici: - nelle centrali termiche, per la produzione di vapore, l'alcalinità ammissibile varia da 10 a 0,1 ppm (in relazione alla pressione del vapore) e il tenore massimo di ossigeno è di 0,03 ppm; - per i trattamenti galvanici necessita acqua demineralizzata; - per i raffreddamenti occorrono acque a bassa durezza (10-15 F), con leggera soprassaturazione in CaCO3, bassa salinità, assenza di microorganismi (quali alghe e batteri), solidi sospesi Impianti e sostanze Meccanici corrosive 8

9 IMPUREZZE DELL ACQUA PRIMARIA L'INQUINAMENTO DELLE ACQUE DI SCARICO In generale, le acque residue scaricate dalle industrie, dalle città, dalle aziende agricole, risultano inquinate, vale a dire contengono sostanze che ne modificano le caratteristiche chimico-fisiche e possono provocare danni o costituire un pericolo per gli uomini, gli animali, la flora: di conseguenza, possono alterare l'equilibrio ecologico. Impianti Meccanici 9

10 ELIMINAZIONE DELL ANIDRIDE CARBONICA ELIMINAZIONE DELL OSSIGENO AEREAZIONE DELL ACQUA DEFERRITIZZAZIONE DEMANGANIZZAZIONE ADDOLCIMENTO Impianti Meccanici 10

11 Trattamenti delle acque primarie DECARBONATAZIONE DEMINERALIZZAZIONE SCAMBIATORI IONICI TRATTAMENTO DELL ACQUA PER USI POTABILI DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Distillazione ( multiflash ) Elettrodialisi Osmosi inversa Impianti Meccanici 11

12 ELIMINAZIONE DELL ANIDRIDE CARBONICA Eliminazione dell anidride carbonica L acqua contiene gas disciolti quali anidride carbonica, ossigeno ed azoto Le acque sotterranee sono piu ricche di anidride carbonica libera delle acque superficiali La riduzione del tenore di CO 2 sciolta nell acqua puo essere ottenuta con i seguenti procedimenti : -Aerazione - Neutralizzazione con reattivi basici - Neutralizzazione con filtrazione su prodotti alcalino terrosi. Impianti Meccanici 12

13 ELIMINAZIONE DELL ANIDRIDE CARBONICA AEREAZIONE L acqua viene suddivisa in pioggia e posta a contatto con aria eventualmente insufflata mediante ventilatori In tale modo l anidride carbonica si separa dall acqua. Impianti Meccanici 13

14 ELIMINAZIONE DELL ANIDRIDE CARBONICA NEUTRALIZZAZIONE CON REATTIVI BASICI L aggiunta di carbonato di sodio all acqua provoca le seguente reazione : Na 2 CO 3 + CO 2 + H 2 O <-> 2NaHCO 3 Con questo sistema si elimina la CO 2 libera ma si introduce nell acqua del bicarbonato di sodio che in taluni casi puo non essere accettabile. Impianti Meccanici 14

15 ELIMINAZIONE DELL ANIDRIDE CARBONICA NEUTRALIZZAZIONE MEDIANTE FILTRAZIONE SU PRODOTTI ALCALINO TERROSI ( es. polvere di marmo ) L anidride carbonica trasforma il CaCO 3 in bicarbonato, che passa in facilmente in soluzione : CaCO 3 + CO 2 + H 2 O <-> Ca(HCO 3 ) 2 Con questo sistema si elimina la CO 2 libera ma si fa aumentare la durezza temporanea dell acqua Impianti Meccanici 15

16 Trattamenti delle acque primarie ELIMINAZIONE DELL ANIDRIDE CARBONICA Riduzione del tenore di anidride carbonica contenuta nell acqua per aerazione Impianti Meccanici 16

17 eg1 Impianti di ELIMINAZIONE DELL OSSIGENO L ossigeno disciolto nell acqua è molto corrosivo, specialmente a temperature elevate. Per l acqua destinata a caldaie si ricorre al riscaldamento fino a 100 C in torri cilindriche liberando l ossigeno e gli altri gas disciolti. Impianti Meccanici 17

18 Diapositiva 17 eg1 Completare con reazioni chimiche di pag II/1318 egiacomelli; 19/02/2007

19 Trattamenti delle acque primarie ELIMINAZIONE DELL OSSIGENO Impianto per il degasaggio termico dell acqua Il fluido riscaldante è costituito da vapore il quale incontra l acqua che scende dall alto, lungo piani sovrapposti Impianti Meccanici 18

20 AERAZIONE DELL ACQUA Si può aerare l acqua con uno dei seguenti sistemi : a) frazionamento dell acqua b) pioggia d acqua su ripiani sovrapposti, con o senza ventilazione meccanica c) Frazionamento e caduta dell acqua su ripiani sovrapposti. Impianti Meccanici 19

21 Trattamenti delle acque primarie AERAZIONE DELL ACQUA Frazionamento dell acqua per ottenerne l aerazione Impianti Meccanici 20

22 Trattamenti delle acque primarie AEREAZIONE DELL ACQUA Aeratore a frazionamento ed a cascata Impianti Meccanici 21

23 ADDOLCIMENTO, DECARBONATAZIONE, DEMINERALIZZAZIONE Le acque impiegate nell industria contengono ioni disciolti; è necessario eseguire sulle acque stesse uno dei seguenti trattamenti : - Addolcimento : consiste nell abbattimento della durezza temporanea ( bicarbonati di Ca e Mg ) e permanente ( ioni calcio e magnesio ). - Decarbonatazione : consiste nella eliminazione totale o parziale della durezza temporanea costituita dai bicarbonati alcalino terrosi ( Ca e Mg ); - Demineralizzazione : consiste nella eliminazione della salinità dell acqua Impianti Meccanici 22

24 ADDOLCIMENTO, DECARBONATAZIONE, DEMINERALIZZAZIONE Tali trattamenti sono realizzati in due modi diversi : 1) Per precipitazione chimica 2) Per scambio ionico Precipitazione chimica : aggiungere all acqua un reattivo solubile che agendo con gli ioni indesiderabili contenuti nell acqua porti alla precipitazione fino alla solubilità dei prodotti di tale combinazione Scambio ionico : sostanze come alcune terre naturali o zeoliti, hanno nella loro struttura molecolare, gruppi acidi o basici in grado di scambiare ioni di uguale segno in soluzione nell acqua da trattare. Impianti Meccanici 23

25 Trattamenti delle acque primarie Addolcimento Decarbonatazione Demineralizzazione Precipitazione chimica Decarbonatazione a freddo della durezza calcica Impianti Meccanici 24

26 Trattamenti delle acque primarie Scambio ionico Sostanze (zeoliti o resine sintetiche ) suscettibili di scambiare gli ioni positivi o negativi fissati nel loro reticolo molecolare con ioni dello stesso segno. Impianti Meccanici 25

27 Trattamenti delle acque primarie SCAMBIATORI IONICI Addolcimento mediante scambiatore cationico I Sali contenuti nell acqua si trasformano in sali di sodio Impianti Meccanici 26

28 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE GENERALITA Le acque di mare e le acque salmastre contengono sali minerali disciolti. Cloruri di sodio e di magnesio, solfati di magnesio, di calcio e di potassio, carbonato di calcio, bromuro di magnesio. Il tenore in Sali disciolti (salinità ) è misurato in ppm o in mg/l. L acqua marina contiene da a mg/l di Sali minerali disciolti. Impianti Meccanici 27

29 DISSALAZIONE DELLE ACQUE SALMASTRE GENERALITA L acqua salmastra ( sia superficiale che sotterranea ) ha un tenore di sali disciolti inferiore a quello dell acqua marina. Con riferimento alle acque salmastre più frequentemente disponibili, la salinità è compresa fra 2000 e mg/l. L acqua destinata ad usi potabili non dovrebbe contenere più di 500 mg/l di sali disciolti ( come suggerisce l Organizzazione Mondiale della Sanità ) Fra i numerosi procedimenti di dissalazione, citiamo quelli più applicati e che richiedono minori consumi di energia. Impianti Meccanici 28

30 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Distillazione con evaporazione istantanea a stadi multipli ( multiflash ) Procedimento utilizzato per produzioni elevate di acqua dissalata ( centinaia di migliaia di metri cubi / giorno ). Un recipiente contiene dell acqua marina ad una certa temperatura; si fa diminuire la pressione nel recipiente fino a che la tensione di vapore ne provoca l evaporazione. L impianto che realizza il procedimento è composto di un certo numero di recipienti, isolati termicamente all esterno, disposti in serie, nei quali si produce l evaporazione. Impianti Meccanici 29

31 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Distillazione con evaporazione istantanea a stadi multipli ( multiflash ) L acqua marina è riscaldata sotto pressione, senza evaporazione, quindi introdotta negli stadi sotto vuoto parziale, dove circola in successione. In tali stadi la pressione e la temperatura descrescono via via e, nell ultima, si realizza un vuoto spinto. La circolazione avviene sotto l influenza del gradiente di pressione. Impianti Meccanici 30

32 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Distillazione con evaporazione istantanea a stadi multipli ( multiflash ) In ogni recipiente si produce del vapore che condensa nella parte superiore a contatto di un fascio tubiero nel quale scorre l acqua di alimentazione preriscaldandola. Il costo minimo del metro cubo di acqua dolce prodotto si ottiene individuando il numero di stadi ottimali : la somma dei costi dovuti al consumo di energia ed all ammortamento dell investimento iniziale deve risultare minima. Impianti Meccanici 31

33 Trattamenti delle acque primarie DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Distillazione con evaporazione istantanea a stadi multipli ( multiflash ) Impianti Meccanici 32

34 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE ELETTRODIALISI Nel fenomeno dell elettrodialisi un acqua salmastra (ricca di ioni ) è sottoposta ad un campo elettrico creato da due elettrodi. Gli anioni si dirigono verso l elettrodo positivo (anodo). I cationi verso l elettrodo negativo (catodo). Tra i due elettrodi si interpongono delle membrane selettive permeabili agli anioni ( membrane anioniche ) o ai cationi ( membrane cationiche o negative ). Impianti Meccanici 33

35 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE ELETTRODIALISI Gli ioni positivi ( Na + ) attratti dal polo negativo, attraversano solo le membrane negative. Gli ioni negativi ( Cl - ) attratti dal polo positivo, attraversano solo le membrane positive In una cella a tre compartimenti gli elettrodi sono collocati nelle celle 1 e 3. Una membrana anionica separa i comparti 1 e 2 ed una membrana cationica separa i comparti 2 e 3. Impianti Meccanici 34

36 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE ELETTRODIALISI Se l elettrodo nel comparto 3 funziona da anodo sia gli anioni che i cationi si accumulano nel nel compartimento 2. Quando la corrente viene invertita cationi ed anioni escono dal compartimento 2 e l acqua in esso contenuta risulta dissalata, mentre nei compartimenti adiacenti si arricchisce di sale. Impianti Meccanici 35

37 Trattamenti delle acque primarie DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Elettrodialisi Membrane selettive permeabili Impianti Meccanici 36

38 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE ELETTRODIALISI In pratica si realizzano impianti costituiti da numerosi compartimenti separati alternativamente da membrane permeabili ai cationi ed agli anioni. L elemento base, chiamato coppia di celle consiste di due compartimenti, uno di diluizione e uno di concentrazione, e in due membrane, una a scambio anionico ed una a scambio cationico. Impianti Meccanici 37

39 Trattamenti delle acque primarie DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Elettrodialisi Schema di una unità di elettrodialisi Impianti Meccanici 38

40 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE OSMOSI INVERSA Due soluzioni acquose, aventi concentrazioni saline differenti, sono separate da una membrana semipermeabile ( permeabile all acqua pura, ma non alle sostanze disciolte o alle particelle colloidali ). Dalle due parti della membrana si stabilisce una differenza di pressione, evidenziata da una differenza di livello tra le due soluzioni. L acqua attraversa la membrana dal compartimento in cui la concentrazione salina è minore verso quello in cui la concentrazione è maggiore. La pressione dell acqua salina aumenta. Impianti Meccanici 39

41 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE OSMOSI INVERSA Il flusso d acqua attraverso la membrana tende a diminuire fino a cessare completamente quando la contropressione esercitata dalla colonna d acqua della soluzione più concentrata raggiunge un valore limite. Equilibrio osmotico. Se sulla soluzione concentrata ed in equilibrio si esercita una pressione esterna superiore alla pressione osmotica, si verifica la inversione del flusso e pertanto la soluzione si concentra ulteriormente. Impianti Meccanici 40

42 Trattamenti delle acque primarie DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Osmosi inversa Equilibrio osmotico Impianti Meccanici 41

43 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE OSMOSI INVERSA Su tale principio si basa il metodo della dissalazione detto di osmosi inversa. Con membrane in acetato di cellulosa o in poliammide si può ottenere, da acque salmastre, acqua dolce contenente meno del 10% della salinità iniziale. Impianti Meccanici 42

44 Trattamenti delle acque primarie DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE Osmosi inversa Impianti Meccanici 43

45 Trattamenti delle acque primarie Altri sistemi di dissalazione : Termocompressione Distillazione solare Congelamento Impianti Meccanici 44

46 Trattamenti delle acque primarie Resine Impianti Meccanici 45

47 DISSALAZIONE DELLE ACQUE DI MARE E SALMASTRE SCELTA DEL PROCESSO DI DISSALAZIONE - natura e concentrazione dei sali disciolti nell acqua; - portata di acqua da dissalare; - risorse energetiche disponibili in loco e loro costo; - costi unitari di produzione dell acqua pura; - grado di purezza dell acqua ottenuta; - referenze tecnico-economiche relative ad impianti già funzionanti. Impianti Meccanici 46

48 FINE DELLA LEZIONE Impianti Meccanici 47

49 TITOLO PARAGRAFO TITOLO SLIDE Testo 1 Testo 2 Testo 3 Testo 4 Testo 5 Testo 6 Commento Impianti Meccanici 48

Trattamenti delle acque primarie

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