Nota tecnica Impianti di addolcimento – verifica del

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
W10 028 i
SVGW
SSIGE
SSIGA
SGWA
Edizione giugno 2015
IN FOR M A ZION E
Titelbild erkblatt „Überprüfung des Natriumgehalts“ Nota Mtecnica
Impianti di addolcimento – verifica del
C
C
Ca 3
m SSIGA, Grütlistrasse 44, casella postale 2110, 8027 Zurigo
Telefono 044 288 33 33, Fax 044 202 16 33, www.ssiga.ch
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
W10 028 i
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SSIGE
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Edizione giugno 2015
IN FOR M A ZION E
Titelbild erkblatt „Überprüfung des Natriumgehalts“ Nota Mtecnica
Impianti di addolcimento – verifica del
C
C
Ca 3
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Edizione giugno 2015
Riproduzione vietata
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([email protected])
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Telefono 044 288 33 33, Fax 044 202 16 33, www.ssiga.ch
contenuto di sodio
SOMMARIO
1Introduzione
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
8.2
8.3
Calcolo della durezza residua con la croce di miscelazione Calcolo della durezza residua tramite l’eccesso di sodio Calcolo delle parti di portata
9
9
9
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Inhaltsverzeichnis
1Introduzione
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 × 1023 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
[mol]
Massa molare
[grammi]
Calcio
Ca
1
40
Carbonio
C
1
12
Ossigeno
O
1
16
Sodio
Na
1
23
Carbonato
di calcio
CaCO3
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 CaCO3 corrispondono a 0,1 mmol/l CaCO3.
Di conseguenza: 0,1 mmol/l di carbonato di calcio corrisponde a 1 °f W10 028 i, Edizione giugno 2015
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4
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Procedimento a scambio di ioni
Negli scambiatori cationici fortemente acidi (fig. 1), gli ioni calcio (Ca2+) e magnesio (Mg2+) responsabili della durezza dell’acqua vengono sostituiti da ioni sodio (Na+).
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
Na +
-­‐ Na + -­‐ -­‐ +
Na +
scambio
-­‐ -­‐ -­‐ Na +
Na +
-­‐ -­‐ Na+
-­‐ +
Na
Na +
Na +
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).
Ca2+
Mg2+
+
Na +
Na +
-­‐ Na + -­‐ -­‐ +
Na
Na
Na +
Na +
-­‐ di-­‐ -­‐ Resina
scambio
-­‐ -­‐ -­‐ +
Na +
+
-­‐ -­‐ -­‐ Ca2+
Mg2+
Na +
+
+
Na +
Na +
Na +
Mg2+
Ca2+
+
+
Fig. 3 Scambio di ioni
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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).
Na +
Na +
Mg2+
Ca2+
Mg2+
-­‐ -­‐ -­‐ -­‐ Ca2+
-­‐ Resina di
-­‐ scambio -­‐ -­‐ -­‐ -­‐ -­‐ -­‐ Mg2+
Na +
Na +
Na +
Na +
Na +
Na +
Na +
Na +
Na +
Na +
Ca2+
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).
Na +
Na
Na +
-­‐ -­‐ -­‐ Na +
-­‐ Na + -­‐ -­‐ +
Na +
Resina di
scambio
-­‐ -­‐ -­‐ Na +
Na +
Na +
-­‐ -­‐ Na+
-­‐ +
Na
Na +
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 (Ca2+) sono necessari 2 ioni sodio (Na+),
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 Ca2+ sono necessarie 0,2 mmol/l Na+ o 4,6 mg/l Na+.
Di conseguenza: per scambiare 1 °f servono circa 4,6 mg/l Na+
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.
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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
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8.1
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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 c1 × V1 + c2 × V2 = c3 (V1 + V2), 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
Azienda dell'acqua
Contenuto di sodio
a valle dello scam-
biatore di ioni
107 mg/l
280–200 = 80 parti azienda dell'acqua
obbiettivo 200 mg/l
280 mg/l 200–107 =
93 parti addolcitore
173 parti totali
80 × 100 %
Rapporto azienda dell'acqua = 46,2 % della portata
173
Miscelazione di acqua potabile dall'azienda dell'acqua 46,2 % di 37,6 °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
8.3
= 17,4 °f
= 17,4 °f
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
Azienda dell'acqua
Durezza dell’acqua a valle dello scambia-
tore di ioni
37,6 °f
17,4 – 0
= 17,4 parti azienda dell'acqua obbiettivo 17,4 °f
0 °f 37,6 –17,4 =
20,2 parti addolcitore
37,6 parti totali
17,4 × 100 %
Rapporto azienda dell'acqua = 46,2 % della portata
37,6
20,2 x 100 %
Rapporto addolcitore
= 53,8 % della portata
37,6
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