Sali comuni contenenti carbonio nelle soluzioni acquose e loro trattamento
I composti contenenti carbonio sono comuni nell'acqua, ma la loro forma dipende dal pH e dagli altri ioni disciolti. Nell'acqua, i sali solubili di carbonato e bicarbonato si dissociano in ioni; i carbonati poco solubili possono essere presenti come minerali o incrostazioni precipitate, anziché come molecole di sale disciolte.
Distinzione importante: «Carbonio nell'acqua» può riferirsi al carbonio inorganico (CO2, bicarbonato e carbonato) oppure al carbonio organico (come DOC e TOC). Questa pagina si concentra sui comuni composti carbonatici e bicarbonatici; non descrive l'intera gamma del carbonio organico presente nell'acqua.
Sali e composti comuni contenenti carbonio nei sistemi acquosi
| Composto carbonatico o bicarbonatico | Formula | Applicazione / settore / impiego tipico | Flussi acquosi in cui si trova tipicamente |
|---|---|---|---|
| Carbonato di calcio (calcite, aragonite, calcare) | CaCO3 | Edilizia e lavorazione dei minerali; addolcimento con calce e neutralizzazione; minerale comune nelle incrostazioni. | Acque sotterranee e acque di processo a contatto con rocce carbonatiche; fanghi di addolcimento, acque della lavorazione dei minerali e depositi incrostanti di carbonato. |
| Bicarbonato di calcio (calcio e bicarbonato in soluzione acquosa) | Ca2+ + 2HCO3− (spesso scritto Ca(HCO3)2) | È una rappresentazione utile della durezza carbonatica nella chimica delle acque naturali; il bicarbonato di calcio non è in genere un sale stabile isolato che si possa trattare come prodotto secco. | Acque sotterranee e superficiali in cui l'acqua contenente CO2 ha disciolto calcare o altri minerali carbonatici. |
| Carbonato di magnesio (magnesite e fasi correlate) | MgCO3 | Lavorazione dei minerali, materiali refrattari e produzione di prodotti chimici speciali. | Acque contenenti minerali carbonatici e flussi della lavorazione dei minerali; il magnesio disciolto è spesso accompagnato da bicarbonato, mentre la presenza di fasi solide di carbonato di magnesio dipende dalle condizioni. |
| Bicarbonato di sodio | NaHCO3 | Produzione alimentare e chimica, tamponamento e alcune applicazioni nel trattamento delle acque. | Acque naturali con alcalinità bicarbonatica, flussi di dosaggio e di risciacquo e acque di processo concentrate. |
| Carbonato di sodio (soda Solvay) | Na2CO3 | Produzione di vetro e detergenti, regolazione del pH e addolcimento dell'acqua. | Soluzioni di processo e acque reflue in cui si utilizza la soda Solvay; concentrati e flussi di lavaggio. |
| Bicarbonato di potassio e carbonato di potassio | KHCO3, K2CO3 | Applicazioni alimentari, nei fertilizzanti, nei prodotti chimici speciali e nel controllo del pH. | Acque di processo e di lavaggio pertinenti, in cui si utilizzano queste sostanze chimiche; le concentrazioni dipendono dal dosaggio e dalla successiva diluizione o dal recupero. |
| Bicarbonato di ammonio e carbonato di ammonio | NH4HCO3, (NH4)2CO3 | Processi alimentari, di produzione di fertilizzanti e processi chimici. | Acque di processo e acque reflue associate all'uso di sali di ammonio; la speciazione dell'ammoniaca/ammonio e dei carbonati varia con il pH e la temperatura. |
| Carbonato di ferro(II) (siderite) | FeCO3 | Giacimenti minerari contenenti ferro e sistemi geochimici; può formare depositi in ambienti riducenti. | Alcune acque sotterranee riducenti e acque minerarie o di processo in cui il ferro disciolto e la chimica dei carbonati consentono la precipitazione. |
Solubilità e speciazione dipendono dalla chimica dell'acqua
I sali solubili, come il bicarbonato di sodio, si dissociano in ioni nell'acqua. Le espressioni «bicarbonato di calcio» e «bicarbonato di magnesio» descrivono comunemente associazioni in soluzione acquosa di ioni metallici e bicarbonato; non devono essere scambiate per molecole stabili e non dissociate in una soluzione diluita. I minerali carbonatici come la calcite e la siderite hanno una solubilità limitata e la loro formazione dipende da pH, temperatura, pressione, forza ionica e concentrazioni degli ioni pertinenti.
Al variare del pH, cambia l'equilibrio tra CO2 disciolta, bicarbonato e carbonato. Il carbonato di calcio o di magnesio può precipitare quando l'acqua diventa sovrasatura. Nelle salamoie concentrate, le attività e le interazioni tra gli ioni differiscono da quelle nelle soluzioni diluite in acqua pura; pertanto, le semplici tabelle di solubilità non bastano da sole a prevedere la precipitazione o la formazione di incrostazioni in un impianto in esercizio.
Possibili soluzioni di trattamento
Il processo appropriato dipende dall'obiettivo: rimuovere gli ioni disciolti, controllare l'alcalinità o le incrostazioni, ridurre il carbonio organico oppure recuperare e gestire un concentrato. Le soluzioni riportate di seguito sono esempi da valutare, non raccomandazioni universalmente valide.
| Obiettivo del trattamento dell'acqua | Tecnologie possibili | Fattori importanti per la scelta |
|---|---|---|
| Ridurre la durezza o controllare la precipitazione del carbonato di calcio | Addolcimento con calce, regolazione del pH e dell'alcalinità, precipitazione e separazione dei solidi | Durezza, alcalinità, pH, temperatura, gestione dei fanghi e concentrazione residua desiderata. |
| Ridurre gli ioni carbonato/bicarbonato disciolti e i sali disciolti complessivi | Osmosi inversa (RO), nanofiltrazione (NF) oppure elettrodialisi (ED/EDR) | La separazione mediante membrane dipende dalle specie presenti, dalla composizione chimica dell'acqua in ingresso, dal pretrattamento, dal recupero e dalla gestione del concentrato. La separazione mediante NF varia in funzione dello ione e della membrana; verificarne le prestazioni rispetto all'obiettivo di trattamento. |
| Gestire l'anidride carbonica libera disciolta | Aerazione o degasaggio, talvolta combinati con la regolazione del pH o con un trattamento successivo | Trasferimento di gas, alcalinità, pH, temperatura e qualità finale dell'acqua richiesta. |
| Ridurre determinati composti organici o la materia organica biodegradabile | Trattamento biologico o adsorbimento su carbone attivo | Il carbone attivo agisce sui composti organici adsorbibili, non sugli ioni bicarbonato o carbonato; le prestazioni dipendono dalla sostanza bersaglio e dalle sostanze concorrenti. |
| Concentrare o gestire un residuo contenente carbonati | Concentrazione mediante membrane, precipitazione/cristallizzazione e, quando giustificato, scarico zero di liquidi (ZLD) | Controllo delle incrostazioni, consumo energetico, purezza dei sali, gestione dei residui e bilancio idrico complessivo. |
Per approfondire: carbonio nell'acqua, alcalinità e acqua, carbonato e bicarbonato nell'acqua di irrigazione, e adsorbimento su carbone attivo.
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