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22.06.2021 Pubblicato da Admin

Una storia dell'addolcimento

Il concetto di addolcimento dell'acqua è in uso da più tempo di quanto molti di noi siano stati portati a credere. Qui, l'autore dà una breve lezione storica e uno sguardo al futuro su dove vede il settore. Il trattamento dell'acqua è stato importante per l'umanità fin dai tempi biblici. Mentre guidava gli israeliti in sicurezza attraverso il deserto, Mosè probabilmente registrò il primo riferimento pubblicato al trattamento dell'acqua.

"Non potevano bere le acque di Marah, perché erano amare. Egli gridò a Jehovah; e Jehovah gli mostrò un albero, ed egli lo gettò nelle acque, e le acque furono rese dolci".

Questo è molto probabilmente un esempio molto precoce di trattamento dell'acqua tramite filtrazione a carbone e/o addolcimento a scambio ionico. Altri documenti storici fanno riferimento all'uso di varie argille e composti del suolo per trasformare l'acqua di mare in acqua potabile. Per esempio, Aristotele afferma che "l'acqua di mare perde parte del suo contenuto salino percolando attraverso certe sabbie". Questo è probabilmente uno dei primi riferimenti allo scambio ionico.

I primi studi

I primi studi scientifici pubblicati sull'addolcimento tramite scambio ionico furono apparentemente eseguiti secoli dopo, all'inizio del 1800, da scienziati famosi dell'epoca come Sir Humphrey Davy, Lambuschini e Huxtable. Essi scoprirono che alcuni tipi di argille potevano decolorare il letame liquido e assorbire l'ammoniaca dal suolo. In effetti, il termine "scambio di basi" è usato ancora oggi in Europa e si riferisce al primo fenomeno dei suoli naturali che rimuovono le basi come l'ammoniaca.

A metà degli anni 1850, la Royal Agriculture Society di Londra giunse a diverse conclusioni:

  • Lo scambio di ioni nel suolo implicava scambi equivalenti,
  • Vari ioni venivano scambiati più facilmente di altri,
  • I silicati di alluminio presenti nel suolo erano responsabili dello scambio, e
  • I materiali di scambio di ioni potevano essere sintetizzati da silicati solubili e allume.

Più tardi, i materiali responsabili del fenomeno dello scambio di basi furono identificati come argille, glauconiti (greensands), zeoliti e acidi umici. Anche se il "santo graal" dell'Alchimia era quello di trovare un modo per trasformare il piombo in oro, le ricerche effettuate alla fine del XIX secolo diedero i loro frutti in altri modi. I primi scambiatori di ioni sintetici (inorganici) furono preparati nel 1903 da due scienziati tedeschi, Harm e Rümpler.

Rivoluzione industriale

Anche se il concetto di scambio ionico ha stimolato molti chimici del suolo e alchimisti, non è stato fino all'inizio del XX secolo che lo scambio ionico è stato utilizzato per l'addolcimento dell'acqua. Questo, naturalmente, coincide con l'inizio della rivoluzione industriale. L'uso crescente del vapore ha creato la necessità di minimizzare o prevenire completamente la formazione di calcare. L'addolcimento per precipitazione con calce e soda aveva in parte successo per rimuovere la "durezza temporanea". I processi di precipitazione non portano alla rimozione completa della durezza. Sono anche piuttosto disordinati e non particolarmente facili da usare, quindi questo metodo di addolcimento dell'acqua di alimentazione della caldaia non è mai stato veramente soddisfacente. I silicati di allumino, anche se di gran lunga superiori alle terre e alle argille dal punto di vista della capacità, avevano un inconveniente molto grave: si dissolvevano gradualmente durante l'uso.

Alla fine degli anni '20, Adams e Holmes scoprirono che il carbone poteva essere imbevuto di acido solforico concentrato e quindi solfonato, formando un materiale di scambio cationico abbastanza stabile e con capacità relativamente alta. Il carbone solfonato divenne la base di una grande industria specializzata nella rimozione della durezza dall'acqua di alimentazione delle caldaie. Questa fu probabilmente la nascita del moderno addolcitore d'acqua. Con relativamente pochi cambiamenti nella progettazione del processo, l'addolcitore d'acqua esiste ancora oggi. Infatti, rimangono ancora alcuni esempi di scambiatori a base di carbone solfonato.

Nel 1935, Adams e Holmes osservarono che alcuni composti vinilici sintetici potevano anche essere solfonati. Questa sorprendente scoperta fu la base di quasi tutti gli scambiatori di ioni a base organica in uso oggi. Le resine di acido solfonico a base di polistirene furono trovate per avere una capacità eccezionalmente alta, oltre ad essere versatili e abbastanza stabili. Con pochissimi cambiamenti, usiamo ancora oggi le resine a scambio cationico a base di polistirene solfonato nell'addolcimento. Nonostante le affermazioni dei vari produttori di resine di miglioramenti "nuovi" o "rivoluzionari", la struttura chimica delle resine ammorbidenti oggi è praticamente identica alle prime resine "viniliche" di 70 anni fa.

Usi degli ammorbidenti

Dopo il loro uso commerciale iniziale per rimuovere i composti che formano il calcare dalle caldaie, gli addolcitori sono stati sviluppati per una miriade di scopi, principalmente centrati sullo scambio di ioni di durezza con ioni di sodio. Un secondo grande business commerciale è cresciuto dall'addolcimento dell'acqua usata nelle lavanderie a gettoni. Il sapone reagisce con gli ioni di durezza, diminuendo la capacità del sapone di formare schiuma o sollevare lo sporco dai vestiti. La rimozione della durezza è vantaggiosa per tutte le applicazioni di lavanderia, perché l'acqua dolce richiede sostanzialmente meno sapone (rispetto all'acqua dura) per ottenere lo stesso grado di pulizia. Oggi, i due principali usi industriali degli addolcitori d'acqua sono l'acqua di alimentazione delle caldaie e le applicazioni di reintegro delle lavanderie. Altri usi significativi includono gli autolavaggi e i camion, le operazioni di lavaggio delle finestre, il pretrattamento per l'osmosi inversa (RO) e altri sistemi a membrana, così come molti diversi processi di produzione chimica.

Nell'arena dell'addolcimento residenziale, la domanda è stata generalmente guidata da una necessità di prevenzione delle incrostazioni negli scaldabagni e nei dispositivi idraulici. L'acqua dolce non forma il calcare e porta a una maggiore durata degli scaldacqua. In molte parti del paese, un addolcitore previene anche l'eventuale intasamento delle tubature dell'acqua all'interno di una casa. Molte persone pensano che fare il bagno in acqua dolce vi renda più puliti perché permette al sapone di lavorare meglio, il che è vero. L'acqua addolcita aiuta il sapone a lavorare meglio perché il sapone reagisce con gli ioni di durezza per formare una schiuma. Gli addolcitori rimuovono anche i contaminanti discutibili, come il ferro e il manganese, che causano macchie nei vestiti e nei rubinetti.

Oggi, la produzione di resine a scambio ionico e zeoliti sono industrie ben consolidate con vendite di diversi miliardi di dollari all'anno in tutto il mondo. Circa il 40% di tutte le resine a scambio ionico vendute negli Stati Uniti sono usate per l'addolcimento dell'acqua, la maggior parte per uso residenziale. Oltre all'addolcimento residenziale, c'è un enorme business che circonda le zeoliti inorganiche, principalmente come additivi ai detergenti per il bucato e per la rimozione dell'ammoniaca dai pannolini usa e getta. Quelli di noi che si guadagnano da vivere vendendo addolcitori potrebbero non rendersi conto che il mercato delle zeoliti inorganiche è circa 10 volte più grande di quello delle resine sintetiche a scambio ionico.

L'addolcimento dell'acqua rimane uno dei migliori strumenti per la rimozione dei contaminanti primari dall'acqua potabile e continuerà ad essere ampiamente utilizzato per purificare l'acqua nel prossimo futuro. Le resine di addolcimento ordinarie rimuovono il radio, lo stronzio e altri contaminanti radioattivi. Rimuovono i contaminanti inorganici potenzialmente dannosi come il bario, così come il piombo e altri metalli pesanti. Quando sono usati in combinazione con altri tipi di mezzi di scambio ionico, i sistemi di trattamento dell'acqua che includono gli addolcitori possono rimuovere quasi tutti i contaminanti inorganici discutibili - anche se possono essere necessarie ulteriori precauzioni da parte del progettista o del consulente per assicurare che le diverse resine (cationiche e anioniche) funzionino correttamente l'una con l'altra e che il rischio di "scarico" di un particolare contaminante a causa dell'affinità o selettività della resina sia significativamente ridotto. L'addolcimento è uno dei metodi meno costosi per purificare l'acqua, e fornisce un più alto grado di protezione contro le tracce di questi contaminanti inorganici rispetto alla maggior parte degli altri metodi di trattamento disponibili.

Sviluppi recenti

Anche se la chimica di base non è cambiata per molti anni, i produttori di addolcitori sono sempre alla ricerca di un modo migliore per costruire una nuova trappola per topi. L'introduzione della tecnologia di rigenerazione in controcorrente è uno di questi progressi. Gli addolcitori in controcorrente possono funzionare a dosi di sale molto basse, migliorando significativamente l'efficienza del sale. Tali progetti permettono all'industria dell'addolcimento di prosperare in alcune aree dove le restrizioni legislative potrebbero altrimenti proibirne l'uso. Le restrizioni allo scarico hanno anche portato a sviluppi come gli schemi di recupero della salamoia e un'impennata nei servizi di addolcitori a scambio portatili.

Altri miglioramenti recenti includono cambiamenti nelle caratteristiche fisiche della resina (come perline più piccole, nuclei inerti e porosità discreta), cambiamenti nella percentuale relativa di vari ingredienti usati per fare la resina (come reticolazione ridotta e solfonazione parziale), o cambiamenti nel metodo di rigenerazione (come letti imballati e altre tecniche di rigenerazione controcorrente). Poiché l'addolcimento è comunque un processo chimico intrinsecamente efficiente, questi sviluppi offrono modesti miglioramenti nell'uso del sale e/o nella perdita di durezza. Spesso trascurato è lo sviluppo di algoritmi di "rigenerazione a richiesta" reso possibile dalla rivoluzione microelettronica. Anche se questo non è un miglioramento nell'addolcimento di per sé, ha il potenziale di migliorare significativamente l'efficienza dell'addolcimento monitorando e controllando accuratamente il funzionamento dell'addolcitore.

Conclusione

Nel complesso, il futuro dell'addolcimento dell'acqua sembra luminoso. Nonostante le preoccupazioni per lo scarico di sale nell'ambiente in alcune aree, l'addolcimento gode di un'efficienza chimica molto alta e produce un volume di rifiuti o un flusso medio di acque reflue molto inferiore rispetto alla RO e ad altri processi a membrana. Gli addolcitori sono facilmente trasportabili e si prestano bene a un'industria orientata ai servizi con sistemi di rigenerazione centralizzati e alla rinfusa. Si prevede che una percentuale crescente di addolcitori residenziali sarà rigenerata fuori sede, perché i sistemi di rigenerazione alla rinfusa possono essere progettati con un'efficienza ancora maggiore - e con poco o nessun scarico di liquidi. Dato che i proprietari di case chiedono acqua di migliore qualità, gli addolcitori continueranno a far parte di sistemi di trattamento dell'acqua più grandi e completi. Nell'arena industriale, gli addolcitori troveranno un uso crescente come pre-trattamento per altri processi come l'elettrodeionizzazione. L'addolcimento continuerà a crescere nei mercati di nicchia per la rimozione di contaminanti indesiderabili o potenzialmente dannosi dall'acqua potabile.

 

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