Sali di boro comuni nelle soluzioni acquose e tecnologie per la loro rimozione e purificazione
Nelle acque naturali e industriali il boro viene misurato come boro totale, ma la sua forma disciolta varia in funzione del pH e della chimica dell'acqua. L'acido borico e le specie borato sono le principali forme presenti in soluzione acquosa; i minerali borati e i sali contenenti boro possono costituire fonti di boro nelle acque sotterranee, nelle acque di processo e nelle salamoie concentrate.
Devi gestire concentrazioni elevate di boro in una risorsa idrica, in un flusso di processo o in una salamoia? La scelta del trattamento dipende dalla speciazione del boro, dalla salinità, dalla qualità dell'acqua richiesta e dalle modalità di gestione del concentrato o dei reflui di rigenerazione.
Sali e forme comuni del boro nell'acqua
La tabella distingue i composti utilizzati o presenti come solidi dalle specie disciolte misurate nell'acqua. Un risultato di laboratorio è normalmente espresso come boro (B); non dimostra la presenza nel campione di uno specifico sale integro.
| Composto o forma del boro | Formula | Applicazione / settore / impiego tipico | Flussi acquosi tipici in cui si trova | Solubilità e comportamento nell'acqua |
|---|---|---|---|---|
| Acido borico | H3BO3 oppure B(OH)3 | Vetro, ceramica, prodotti chimici e composti del boro. | Acqua di mare, acque sotterranee influenzate da formazioni geologiche contenenti borati, acque geotermiche e acque di processo industriali. | Solubile in acqua; circa il 4,72% p/p a 20 °C secondo la scheda informativa citata. La solubilità aumenta con la temperatura. Nella maggior parte delle acque dolci a pH prossimo alla neutralità è la principale forma disciolta. |
| Tetraborato di sodio decaidrato (borace) | Na2B4O7·10H2O | Produzione di vetro e smalti, prodotti per la pulizia e lavorazione dei borati. | Acque di ruscellamento o di processo in prossimità di giacimenti di borati, nelle attività di manipolazione del borace e nella pulizia o produzione industriale. | Solubile in acqua; circa il 4,71% p/p a 20 °C secondo la scheda informativa citata. La forma idrata e la temperatura influiscono sul valore. Il borace disciolto apporta sodio e specie legate ai borati. |
| Altri idrati del tetraborato di sodio | Na2B4O7·5H2O; Na2B4O7 | Prodotti industriali a base di borati, vetro, detergenti e produzione di sostanze chimiche. | Acque di risciacquo dei processi, soluzioni ottenute dalla dissoluzione dei prodotti e salamoie ricche di borati. | Solubile, con solubilità dipendente dalla temperatura e dallo stato di idratazione; i valori non devono essere confrontati senza specificare la forma solida e il criterio di misura. |
| Metaborato di sodio (forme idrate) | NaBO2·nH2O | Produzione di sostanze chimiche speciali e formulazioni alcaline per la pulizia. | Acque di lavaggio industriali e soluzioni di lavorazione dei borati. | Facilmente solubile; la speciazione in soluzione acquosa dipende dalla concentrazione, dal pH e dalla temperatura. |
| Tetraborato di potassio (forme idrate) | K2B4O7·nH2O | Vetri speciali, ceramica e impieghi di laboratorio o chimici. | Soluzioni ottenute dalla dissoluzione dei prodotti e flussi di produzioni specializzate; meno comuni rispetto ai borati di sodio. | Solubile; per fornire un valore quantitativo occorre specificare l'idrato e la temperatura. |
| Colemanite e ulexite (minerali borati naturali) | Ca2B6O11·5H2O; NaCaB5O6(OH)6·5H2O | Minerali borati naturali estratti per la produzione di prodotti a base di boro. | Acque sotterranee, acque di drenaggio e percolati a contatto con giacimenti di borati, scavi minerari o sterili di miniera. | La dissoluzione dei minerali è più lenta e limitata rispetto a quella dei borati di sodio solubili; la velocità dipende dal pH, dalla temperatura, dalle dimensioni delle particelle e dalla composizione dell'acqua. |
| Ioni borato in soluzione | Principalmente B(OH)4− a pH più elevato | Specie in soluzione acquosa, non un sale secco distinto. | Acque sotterranee alcaline, acque di processo industriali e salamoie concentrate. | Disciolti. La loro proporzione rispetto all'acido borico neutro aumenta al crescere del pH; anche la speciazione apparente dipende dalla salinità. |
Nota sulla formula: L'ulexite è comunemente rappresentata come NaCaB5O6(OH)6·5H2O (equivalente a NaCaB5O9·8H2O). Usare la formula del minerale, senza affermare che l'ulexite rimanga in soluzione come molecola intatta.
Perché il pH è importante per la rimozione del boro
L'acido borico è un acido debole. A pH prossimo alla neutralità, il boro disciolto è prevalentemente presente come specie neutra B(OH)3; lo ione borato a carica negativa B(OH)4− diventa più rilevante quando il pH si avvicina a circa 9,2 e supera tale valore nell'acqua dolce. La salinità e la forza ionica possono spostare la transizione apparente. Poiché molte analisi riportano il boro totale come B, la progettazione del trattamento deve considerare il pH e la composizione complessiva dell'acqua, anziché presumere la presenza di un unico sale.
Opzioni di rimozione, separazione e recupero
| Obiettivo | Tecnologia possibile | Note per la scelta |
|---|---|---|
| Ridurre il boro nell'acqua potabile o di processo | Osmosi inversa (RO) | L'acido borico neutro viene generalmente trattenuto con minore efficacia rispetto al borato carico. Il tipo di membrana, il pH, la salinità e il recupero influiscono sulle prestazioni. Un secondo passaggio con pH regolato o una membrana selezionata per trattenere il boro possono migliorare la rimozione; effettuare prove sull'effettiva acqua di alimentazione. |
| Affinare l'acqua per raggiungere un basso tenore di boro | Scambio ionico o adsorbimento selettivi per il boro | Materiali specifici possono catturare il boro, ma la capacità e la selettività dipendono dalla composizione dell'acqua. La rigenerazione produce un flusso residuo che richiede una gestione adeguata. |
| Rimuovere il boro da salamoia concentrata o recuperare un prodotto a base di boro | Adsorbimento selettivo o scambio ionico; estrazione con solvente; precipitazione o cristallizzazione | Si tratta di possibili approcci, non di soluzioni universali. La fattibilità dipende dai sali concorrenti, dalla concentrazione di boro, dalle specifiche del prodotto, dall'impiego di reagenti e dalla gestione dei residui. Possono essere opportune prove pilota o di laboratorio. |
| Ridurre il contenuto complessivo di sali disciolti | Elettrodialisi (ED) o un sistema di scarico liquido zero (ZLD) | Questi processi gestiscono la concentrazione ionica o le salamoie, ma non costituiscono automaticamente fasi di rimozione selettiva del boro. Occorre valutare la speciazione del boro e l'obiettivo previsto per il prodotto o lo scarico. |
Coagulazione, sedimentazione, filtrazione e clorazione convenzionali di norma non rimuovono il boro disciolto in misura significativa. Selezionare un processo sulla base di un'analisi rappresentativa che includa boro totale, pH, TDS, ioni principali, alcalinità, silice, temperatura e portata. Nella progettazione complessiva, considerare la destinazione del concentrato dell'osmosi inversa, dei materiali esausti o delle soluzioni di rigenerazione.
Parliamo di una sfida nel trattamento dell'acqua
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Fonti e approfondimenti
- OMS: boro — presenza e prestazioni dei trattamenti
- Health Canada: boro — considerazioni analitiche e relative al trattamento
- USGS: chimica e presenza del boro nelle acque naturali
- National Pesticide Information Center: scheda tecnica sull'acido borico
- Kim et al. (2023): recupero del boro da salamoie di laghi salati, acqua di mare e acque reflue — una rassegna