Sali di calcio comuni nelle soluzioni acquose e tecnologie per la loro rimozione e purificazione
I composti del calcio si sciolgono o si dissociano nell'acqua in base alla loro natura chimica. Nei flussi acquosi diluiti, il calcio è presente principalmente sotto forma di ioni calcio disciolti (Ca2+) e delle relative specie acquose, non come molecole di sale intatte. Il calcio è presente naturalmente nell'acqua e viene introdotto anche dai processi industriali e dai prodotti chimici per il trattamento delle acque.
Devi gestire la durezza, le incrostazioni calcaree o una salamoia ricca di calcio? Il trattamento appropriato dipende dall'analisi completa dell'acqua, comprendente calcio, magnesio, alcalinità, solfati, pH, temperatura e recupero d'acqua desiderato. La sola concentrazione di calcio non determina se si formeranno incrostazioni.
Composti comuni del calcio e dove si trovano
| Composto del calcio | Formula | Applicazione tipica / settore / ambito di utilizzo | Flussi acquosi tipici in cui si trova |
|---|---|---|---|
| Bicarbonato di calcio (specie carbonatiche disciolte) | Ca(HCO3)2 | Comunemente usato come abbreviazione per indicare calcio e bicarbonato presenti insieme nella chimica delle acque naturali; normalmente non viene manipolato come sale secco isolato e stabile. | Acque sotterranee e superficiali che hanno disciolto anidride carbonica e sono entrate in contatto con calcare o altre rocce carbonatiche; acque con durezza carbonatica. |
| Carbonato di calcio (calcite, creta, calcare) | CaCO3 | Materiali da costruzione, lavorazione dei minerali, neutralizzazione e trattamento delle acque con calce; è anche un comune deposito incrostante. | Acque sotterranee e di processo a contatto con minerali carbonatici; solidi precipitati nei processi di addolcimento, neutralizzazione e formazione di incrostazioni. |
| Solfato di calcio (gesso / anidrite) | CaSO4·2H2O / CaSO4 | Produzione di gesso, attività mineraria, cemento e lavorazione dei minerali; sale potenzialmente incrostante nei processi di concentrazione. | Acque sotterranee a contatto con gesso, acque di drenaggio minerario, acque reflue industriali, salamoie derivate dall'acqua di mare e concentrati di membrana. |
| Cloruro di calcio | CaCl2 | Antighiaccio, abbattimento delle polveri, attività petrolifere e del gas, trasformazione alimentare e produzione chimica. | Acque di dilavamento dei sali stradali, salamoie dei giacimenti petroliferi, acque di processo e flussi in cui il cloruro di calcio è usato come prodotto chimico di trattamento o di processo. |
| Nitrato di calcio | Ca(NO3)2 | Produzione e impiego di fertilizzanti, additivi per calcestruzzo e determinati processi chimici. | Acque di drenaggio agricolo, acque di dilavamento legate ai fertilizzanti e acque di processo industriali. |
| Fluoruro di calcio (fluorite) | CaF2 | Estrazione e lavorazione della fluorite e trattamento dei fluoruri mediante precipitazione. | Acque sotterranee contenenti fluoruri e acque provenienti da miniere o dalla lavorazione dei minerali; può anche presentarsi come precipitato di trattamento. |
| Idrossido di calcio (calce idrata) | Ca(OH)2 | Regolazione del pH delle acque e delle acque reflue, addolcimento con calce e neutralizzazione. | Flussi trattati con calce; il trattamento può formare solidi di carbonato di calcio o di idrossidi metallici che devono essere separati. |
| Fosfati di calcio | CaHPO4, Ca3(PO4)2 e fasi correlate | Rimozione e recupero dei fosfati, produzione di fertilizzanti e trattamento biologico o chimico. | Acque reflue contenenti fosfati e fanghi di trattamento; la precipitazione dipende dal pH e dalle concentrazioni di calcio e fosfati. |
| Ipoclorito di calcio | Ca(OCl)2 | Disinfezione dell'acqua potabile, delle piscine e delle acque di processo. | Acqua durante e dopo il dosaggio di ipoclorito; il calcio risultante può contribuire alla durezza o alla formazione di depositi in alcuni sistemi. |
Solubilità e chimica del calcio
La solubilità dei composti del calcio varia notevolmente. Il cloruro di calcio e il nitrato di calcio sono facilmente solubili, mentre il carbonato di calcio, il fluoruro di calcio e molti minerali di fosfato di calcio sono poco solubili in condizioni ordinarie. Il solfato di calcio ha una solubilità limitata che varia con la temperatura e la composizione della soluzione. Si tratta di confronti generali, non di limiti fissi per le acque di processo reali.
Nelle acque naturali, l'anidride carbonica può favorire la dissoluzione dei minerali carbonatici, producendo calcio e bicarbonato in soluzione. Variazioni di pH, temperatura, pressione o anidride carbonica disciolta possono spostare questo equilibrio e causare la precipitazione del carbonato di calcio. La concentrazione di un flusso d'acqua può anche avvicinare il solfato di calcio o altri minerali alla saturazione. Nelle salamoie, la forza ionica e le interazioni tra gli ioni influenzano le attività rilevanti, quindi i soli valori di solubilità in acqua pura non bastano a prevedere la formazione di incrostazioni.
La durezza calcica è comunemente espressa in milligrammi per litro come carbonato di calcio (mg/L come CaCO3). Si tratta di una convenzione per esprimere la durezza in termini equivalenti, non significa che tutto il calcio disciolto sia presente come carbonato di calcio. Il calcolatore della formazione di incrostazioni e della solubilità del carbonato di calcio e il calcolatore della formazione di incrostazioni e della solubilità del solfato di calcio forniscono confronti illustrativi; non sostituiscono un'analisi completa dell'acqua né un modello di processo convalidato.
Soluzioni per la separazione, la purificazione e la concentrazione
Lenntech può valutare le opzioni di trattamento per acque contenenti composti del calcio. Il processo appropriato dipende dalla composizione dell'acqua, dalla qualità richiesta, dall'obiettivo di recupero, dal potenziale di incrostazione e dalla gestione dei residui. Le opzioni seguenti sono possibili approcci; nessuna tecnologia è adatta a tutti i flussi.
| Problema di trattamento delle acque | Possibile processo di trattamento | Note per la scelta |
|---|---|---|
| Durezza dell'acqua municipale, di servizio o di processo | Addolcimento con calce o scambio ionico | Il trattamento con calce può far precipitare il carbonato di calcio; lo scambio ionico nel ciclo sodico scambia calcio e magnesio con sodio e produce una salamoia di rigenerazione. |
| Calcio e altri ioni disciolti nell'acqua di alimentazione | Nanofiltrazione (NF), osmosi inversa (RO) o elettrodialisi reversibile (EDR) | La NF spesso riduce preferenzialmente gli ioni bivalenti, mentre RO ed EDR hanno caratteristiche di separazione diverse. Il recupero è limitato dalla saturazione, dal pretrattamento, dalle condizioni operative e dalla gestione del concentrato. |
| Rischio di incrostazioni di carbonato di calcio o solfato di calcio | Analisi dell'acqua e valutazione del rischio di incrostazioni, seguite, ove opportuno, da addolcimento, regolazione del pH o dell'alcalinità, dosaggio di antincrostanti oppure da una strategia operativa con un recupero inferiore | Il metodo di controllo appropriato dipende dalla fase minerale e dalla composizione chimica del flusso. Un indice di incrostazione, da solo, non costituisce una valutazione progettuale completa. |
| Precipitati contenenti calcio o flussi ricchi di fosfati | Precipitazione selettiva seguita dalla separazione dei solidi; la cristallizzazione può essere valutata quando il recupero è opportuno | Per il flusso specifico occorre valutare la chimica della precipitazione, le caratteristiche dei fanghi, le concentrazioni residue e la qualità del prodotto. |
| Salamoia concentrata o flussi residui | Ulteriore concentrazione mediante membrane oppure opzioni di scarico zero di liquidi (ZLD) e cristallizzazione | Il fabbisogno energetico, il controllo delle incrostazioni, la scelta dei materiali e la qualità e la gestione dei solidi recuperati incidono sulla fattibilità. |
Impatto operativo e requisiti
Il calcio disciolto contribuisce alla durezza dell'acqua. A seconda dell'alcalinità, del pH, della temperatura e degli altri ioni, il calcio può contribuire alla formazione di depositi in tubazioni, scambiatori di calore, caldaie e sistemi a membrana. La durezza può inoltre influire sul consumo di sapone e sui requisiti dell'acqua di processo. Il calcio è un nutriente essenziale e l'acqua potabile può contribuire all'apporto alimentare; i requisiti applicabili dipendono dalla giurisdizione e dall'uso previsto.
Per l'irrigazione e il riutilizzo industriale, il calcio va considerato insieme alla salinità, al sodio, al magnesio e all'applicazione prevista. Nei sistemi di trattamento, la rimozione del calcio può richiedere attenzione al controllo della corrosione, alla stabilizzazione, alla gestione del concentrato o dei fanghi e agli effetti del trattamento su altri parametri di qualità dell'acqua.
Sviluppo di una soluzione di trattamento
Un'analisi rappresentativa dell'acqua aiuta a individuare le specie del calcio, i rischi di incrostazione e i percorsi di trattamento idonei. Ove opportuno, prove di laboratorio e una validazione su scala pilota possono valutare le prestazioni in condizioni operative rappresentative prima di scegliere un progetto su scala reale. La valutazione di fattibilità del processo di Lenntech descrive questo approccio alla valutazione.
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Per discutere della composizione di una specifica acqua o salamoia, contatta Lenntech all'indirizzo info@lenntech.com.
Fonti e ulteriori letture
- U.S. Geological Survey: Durezza dell'acqua.
- U.S. Geological Survey: Costituenti e proprietà delle acque sotterranee.
- U.S. Geological Survey: Solubilità di calcite, aragonite e vaterite in soluzioni di CO₂–H₂O.
- PubChem: Cloruro di calcio.
- PubChem: Solfato di calcio.
- Organizzazione mondiale della sanità: Durezza dell'acqua potabile.