Impianti di addolcimento verifica del contenuto di sodio

Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches Société Suisse de l Industrie du Gaz et des Eaux Società Svizzera dell Industria del Gas e delle Acque Swiss Gas and Water Industry Association SVGW SSIGE SSIGA SGWA W10 028 i Edizione giugno 2015 INFORMAZIONE Nota tecnica Titelbild Merkblatt Überprüfung des Natriumgehalts Impianti di addolcimento verifica del contenuto di sodio C C Ca m 3 SSIGA, Grütlistrasse 44, casella postale 2110, 8027 Zurigo Telefono 044 288 33 33, Fax 044 202 16 33, www.ssiga.ch

Schweizerischer Verein des Gas- und Wasserfaches Société Suisse de l Industrie du Gaz et des Eaux Società Svizzera dell Industria del Gas e delle Acque Swiss Gas and Water Industry Association SVGW SSIGE SSIGA SGWA W10 028 i Edizione giugno 2015 INFORMAZIONE Nota tecnica Titelbild Merkblatt Überprüfung des Natriumgehalts Impianti di addolcimento verifica del contenuto di sodio C C Ca m 3 Copyright by SVGW, Zurich Composizione: Multicolor Print AG, Baar Edizione giugno 2015 Riproduzione vietata Ordinazione presso l ufficio della SSIGA (support@svgw.ch) SSIGA, Grütlistrasse 44, casella postale 2110, 8027 Zurigo Telefono 044 288 33 33, Fax 044 202 16 33, www.ssiga.ch

SOMMARIO 1 Introduzione 5 2 Scopo e campo d applicazione 5 3 Principi fondamentali rapporto tra carbonato di calcio, mmol/l e f 5 4 Procedimento a scambio di ioni 6 5 Valutazione del fabbisogno di sodio per f 7 6 Regolazione della durezza residua 7 7 Esempio azienda dell acqua X 8 8 Esempio azienda dell acqua Y 8 8.1 Calcolo della durezza residua con la croce di miscelazione 9 8.2 Calcolo della durezza residua tramite l eccesso di sodio 9 8.3 Calcolo delle parti di portata 9 W10 028 i, Edizione giugno 2015 3/9

1 Introduzione Nei processi di addolcimento, l acqua potabile completamente addolcita deve essere miscelata con acqua potabile non trattata in modo da stabilire un adeguata durezza residua e garantire che la concentrazione di sodio nell acqua potabile risultante non oltrepassi il valore di 200 mg/l (direttiva EU 98/83). Per ridurre di 1 f la durezza di un litro di acqua sono necessari 4,6 mg di sodio. 2 Scopo e campo d applicazione Questa Nota tecnica descrive come è possibile calcolare la durezza residua dopo il trattamento a scambio di ioni tenendo conto delle differenti grandezze di riferimento. La Nota tecnica è indirizzata in particolar modo a tecnici e progettisti del settore sanitario. 3 Principi fondamentali rapporto tra carbonato di calcio, mmol/l e f Per il calcolo delle quantità di sostanze chimiche viene utilizzata l unità di misura fondamentale standardizzata internazionale della mole (simbolo mol). Questa serve per l indicazione delle quantità nel calcolo dei processi chimici. Una mole contiene circa 6,022 10 23 particelle elementari. Questo numero è definito in modo da far corrispondere 12 g di carbonio (isotopo C-12) esattamente ad una mole. Il valore numerico della massa di una mole di una sostanza, indicato in grammi, è identico alla massa atomica degli atomi o alla massa molecolare delle molecole di cui è composta la sostanza, indicate con l unità di massa atomica (u). Massa molare degli atomi e dei composti utilizzati Nome Simbolo chimico Quantità di materia Massa molare [mol] [grammi] Calcio Ca 1 40 Carbonio C 1 12 Ossigeno O 1 16 Sodio Na 1 23 Carbonato di calcio CaCO 3 1 100 Tab. 1 Massa molare di alcune particelle Per definizione, 10 mg/l di durezza totale (durezza di calcio e magnesio) corrispondono ad 1 grado francese di durezza ( f), ove tutti gli ioni calcio e magnesio vengono convertiti nella quantità equivalente di carbonato di calcio. Inoltre, 10 mg/l CaCO 3 corrispondono a 0,1 mmol/l CaCO 3. Di conseguenza: 0,1 mmol/l di carbonato di calcio corrisponde a 1 f W10 028 i, Edizione giugno 2015 5/9

4 Procedimento a scambio di ioni Negli scambiatori cationici fortemente acidi (fig. 1), gli ioni calcio (Ca 2 ) e magnesio (Mg 2 ) responsabili della durezza dell acqua vengono sostituiti da ioni sodio ( ). Fig. 1 Resina a scambio ionico, fortemente ingrandita Calcio (Ca) e magnesio (Mg) appartengono al gruppo dei metalli alcalino-terrosi. Sull orbitale elettronico esterno dell atomo, il cosiddetto guscio di valenza, di importanza rilevante per le reazioni chimiche, tali metalli possiedono due elettroni, e sono per questo motivo chiamati atomi bivalenti, che con la cessione di ambedue gli elettroni di valenza costituiscono ioni doppiamente positivi. Il sodio (Na) appartiene invece al gruppo dei metalli alcalini ed è un atomo monovalente. Possiede quindi un unico elettrone di valenza sul guscio elettronico esterno. Gli ioni sodio hanno dunque una carica positiva singola. Lo scambio avviene di conseguenza con due ioni sodio per uno ione calcio o magnesio. Le sfere di resina porose, dotate di una grossa superficie di scambio, sono composte da un supporto di materiale con gruppi funzionali di carica negativa, sui quali si fissano, alla messa in esercizio dell impianto di addolcimento, gli ioni sodio carichi positivamente (fig. 2). Na Na Na Resina di scambio Fig. 2 Modello di resina a scambio cationico fortemente acida L acqua potabile dura scorre attraverso il letto di resina. Gli ioni calcio e magnesio legati ai carbonati di idrogeno (durezza carbonica) o a cloriti, solfati e nitrati (durezza non carbonica), si depositano sui gruppi funzionali della resina carichi negativamente e scalzano gli ioni di sodio i quali, da parte loro, fluiscono con l acqua sino ai punti di prelievo (fig. 3). Resina di scambio Ca 2 Ca 2 Mg 2 Mg 2 Mg 2 Ca 2 Fig. 3 Scambio di ioni 6/9 W10 028 i, Edizione giugno 2015

Durante la rigenerazione della resina di scambio tramite una soluzione di sale da cucina (NaCl) avviene il processo inverso. Gli ioni sodio si depositano e scalzano gli ioni calcio e magnesio, i quali vengono eliminati dal risciacquo attraverso l'impianto dell'acqua di scarico (fig. 4). Mg 2 Ca 2 Mg 2 Resina di scambio Mg 2 Ca 2 Ca 2 Fig. 4 Ciclo di rigenerazione innescato in funzione del volume e/o del tempo Dopo la rigenerazione, la resina di scambio è caricata di ioni sodio. L impianto di addolcimento è di nuovo pronto per l impiego (fig. 5). Resina di scambio Fig. 5 Resina di scambio pronta all uso 5 Valutazione del fabbisogno di sodio per f Per la compensazione del potenziale di uno ione calcio (Ca 2 ) sono necessari 2 ioni sodio ( ), e per una mole calcio (40 grammi, vedi tabella 1) di conseguenza 2 moli di sodio (46 grammi, vedi tabella 1). Per scambiare 0,1 mmol/l Ca 2 sono necessarie 0,2 mmol/l o 4,6 mg/l. Di conseguenza: per scambiare 1 f servono circa 4,6 mg/l 6 Regolazione della durezza residua Secondo la direttiva EU 98/83 il contenuto di sodio nell acqua potabile non deve eccedere un valore massimo di 200 mg/l, poiché concentrazioni elevate di sodio alterano il gusto. Per l addolcimento dell acqua potabile è necessario prevedere una valvola di miscelazione, che permetta di regolare la durezza residua dell acqua in modo tale che la concentrazione di sodio non superi il valore di soglia ammesso. Il calcolo per la regolazione della durezza residua viene chiarito con due esempi. W10 028 i, Edizione giugno 2015 7/9

7 Esempio azienda dell acqua X Un analisi dell acqua dell azienda X riscontra una concentrazione di sodio di 11 mg/l e una durezza di 35 f. Con lo scambiatore di ioni, la durezza viene eliminata completamente, ottenendo un suo valore pari a 0 f. Questo vale in caso di capacità di scambio massima. In prossimità dell esaurimento dello scambiatore, lo scambio degli ioni calcio non è comunque più completo. Il contenuto di calcio dell acqua dell azienda X ammonta a 11,0 mg/l La quantità di ioni sodio che lo scambiatore di ioni deve fornire ammonta a 35 f x 4,6 mg/l sodio per f 161,0 mg/l Contenuto totale di sodio 172,0 mg/l Il contenuto di sodio rimane al di sotto del limite previsto dalla direttiva EU. Una miscelazione con acqua potabile non trattata non risulta quindi necessaria, ma con la regolazione della durezza residua tra 7 e 15 f (ambito dolce) corrisponde a una durezza ottimale per l uso domestico, che non apporti alterazioni gustative e mantenga la capacità di legare i saponi (basi) durante i risciacqui. 8 Esempio azienda dell acqua Y Un analisi dell acqua dell azienda Y riscontra una concentrazione relativamente elevata di sodio pari a 107 mg/l e una durezza di 37,6 f. Il contenuto di sodio dell acqua dell azienda Y ammonta a 107 mg/l La quantità di ioni sodio che lo scambiatore di ioni deve fornire ammonta a 37,6 f 4,6 mg/l sodio per f 173 mg/l Contenuto totale di sodio 280 mg/l Dopo l addolcimento, il valore massimo definito dalla direttiva EU viene superato di 80 mg/l (fig. 6). È necessario miscelare acqua non trattata in misura tale da riportare il valore del sodio a meno di 200 mg/l. Fig. 6 Schema funzionale dell impianto di addolcimento dell azienda dell acqua Y 8/9 W10 028 i, Edizione giugno 2015

8.1 Calcolo della durezza residua con la croce di miscelazione Il calcolo della durezza residua con la croce di miscelazione rappresenta un metodo semplice per determinare le parti da miscelare e la durezza residua desiderata, basandosi sul principio matematico di un equazione con più incognite di forma c 1 V 1 c 2 V 2 = c 3 (V 1 V 2 ), ove c sta per il contenuto presente di sodio e V per il volume presente. Se il contenuto di sodio dell acqua greggia dell azienda e il contenuto di sodio a valle dello scambiatore di ioni sono conosciuti, in funzione del limite massimo ammesso di sodio pari a 200 mg/l le parti da miscelare provenienti dalla rete aziendale e dall impianto di addolcimento possono essere facilmente calcolate e di consequenza anche la regolazione della durezza residua. Contenuto di sodio 107 mg/l 280 200 = 80 parti azienda dell'acqua Azienda dell'acqua obbiettivo 200 mg/l Contenuto di sodio a valle dello scam- 280 mg/l 200 107 = biatore di ioni 93 parti addolcitore 173 parti totali Rapporto azienda dell'acqua 80 100 % 173 = 46,2 % della portata Miscelazione di acqua potabile dall'azienda dell'acqua 46,2 % di 37,6 f = 17,4 f 8.2 Calcolo della durezza residua tramite l eccesso di sodio Contenuto di sodio in eccesso 80 mg/l : 4,6 mg/l sodio per f = 17,4 f 8.3 Calcolo delle parti di portata Per una portata representativa determinata per l oggetto in questione, tramite la valvola di miscelazione deve essere immessa una quantità di acqua greggia tale da raggiungere al rubinetto di prelievo a valle dell addolcitore un valore di durezza di circa 17 18 f. Durezza dell acqua 37,6 f 17,4 0 = 17,4 parti azienda dell'acqua Azienda dell'acqua obbiettivo 17,4 f Durezza dell acqua a valle dello scambia- 0 f 37,6 17,4 = tore di ioni 20,2 parti addolcitore 37,6 parti totali Rapporto azienda dell'acqua Rapporto addolcitore 17,4 100 % 37,6 20,2 x 100 % 37,6 = 46,2 % della portata = 53,8 % della portata W10 028 i, Edizione giugno 2015 9/9