L’ACQUA E LE SUE
CARATTERISTICHE
Prof. Mazza Carlo
PROPRIETA’ DELL’ H2O
• La struttura di molecola di acqua è caratterizzata da due legami
covalenti H-O che formano tra loro un angolo di 105˚ e da due
doppietti elettronici liberi presenti sull’ossigeno.
• Per differenza di elettronegatività dei due elementi gli elettroni sono
spostati verso l’ossigeno, per cui i baricentri delle cariche positive e
negative non coincidono.
• Mostra il carattere dipolo permanente,da cui derivano le sue
proprietà di solvente di composti ionici e covalenti polari.
PROPRIETA’ DELL’ H2O
• Si presenta come molecola singola solo allo stato di vapore,negli
altri stadi si presenta come un insieme di molecole unite da legame
a idrogeno (H2O)x .
• La temperatura di 100˚ è definita come il punto di ebollizione alla
pressione di 1 atmosfera.
PROPRIETA’ DELL’ H2O
• La temperatura alla quale la fase solida e quella liquida si equilibrano, alla
•
pressione di 760 mm Hg, corrisponde allo zero della scala centigrada
(Celsius).
Altre scala per misurare la temperatura dell’acqua è la scala Fahrenheit che
ha la seguente formula di conversione:
Y=32+1.8x
• L’unità di massa è il grammo che corrisponde a 1 cm³ di liquido alla
•
temperatura di 4˚C.
Il prodotto ionico dell’acqua a temperatura costante è:
OH * H   k


W
 10
14
Ciò significa che l’acqua pura alla è neutra in quanto
OH   H   10


7
PH  7
PROPRIETA’ DELL’ H2O
• L’H2O è uno dei maggiori solventi conosciuti per la maggior parte di
sostanze, solide, liquide e gassose per il suo “dipolo”.
• In particolare è solvente di sali ed in genere a composti a carattere
ionico.
PROPRIETA’ DELL’ H2O
• La solubilità di tale sostanza, cioè la quantità massima di sostanza che si
•
•
•
può trovare in soluzione.
Quando il prodotto non si scioglie più vuol dire che la soluzione è satura .
Può essere espressa in moli o in grammi di soluto in 1l di soluzione o in
grammi di soluto in 1000 gr di solvente.
La temperatura può influenzare la solubilità di una determinata sostanza.
PROPRIETA’ DELL’ H2O
• Ogni acqua è influenzata dal ciclo biologico che essa compie.
• Ad esempio nelle zone industriali i gas che assorbono l’acqua
piovana possono dare problemi di inquinamento della fonte.
• Essa infiltrandosi nel terreno può catturare elementi nel terreno:
es. un acqua a contatto con un terreno gessoso sarà ricca di calcio
e solfato
CaSO4 * 2H 2O
• La presenza di CO2 nell’acqua può portare una maggiore
solubilizzazione del CaCO3,MgCO3,CaCO3*MgCO3(dolomite) e altri
carbonati.
• Le acque acide per la presenza dell’acido carbonico possono alterare
le caratteristiche del terreno con cui vengono a contatto,es.
decalcificazione dei terreni calcarei.
CICLO DELL’ACQUA
PROPRIETA’ DELL’ H2O
Le sostanze contenute nell’acqua possono essere di tre tipi:
• Materiali sospesi:non si dissolvono in essa e eliminati per
filtrazione;possono essere solidi (es. detriti vegetali e minerali)o
liquidi(es. sostanze oleose);in ogni caso sono sempre visibili almeno
al microscopio.
• Sostanze in sospensione colloidale:piccole dimensioni come piccole
molecole visibili al microscopio elettronico;possono essere di natura
organica(es. acidi umici) o inorganica (es. silice colloidale).
• Le sostanze disciolte:di natura gassosa(CO2,O2,NH3,), o di natura
colloidale(anioni e cationi).
DETERMINAZIONI PRINCIPALI
DELL’ACQUA
• PH:concentrazione degli ioni H+,si analizza con il piaccametro; il
valore oscilla tra 6,5 e 8;se tale valore è minore di 6 l’acqua è ricca
di anidride carbonica o è acqua di miniera, se supera come valore di
PH 8 c’è un inquinamento della stessa.
• Torbidità:dovuta a particelle finissime in sospensione o in
dispersione cellulari come argilla, limo, sostanze organiche,
microrganismi,ecc. Viene misurata dalla attenuazione della luce
trasmessa in un colorimetro fotoelettrico, oppure dall’intensità della
luce dispersa(effetto Tyndall)ad angolo retto rispetto al raggio
incidente(nefelometria). Una scala di torbidità è basata sulle
proprietà ottiche di sospensioni acquose standard di silice
insolubile(sotto forma di farina fossile); l’unità della scala
corrisponde a 1 mg di SiO2 in sospensione in 1l di acqua distillata.
Le misure sono essenziali nel controllo dei processi di
flocculazione,sedimentazione e filtrazione delle acque.
DETERMINAZIONI PRINCIPALI
DELL’ACQUA
• Solidi totali disciolti(residuo fisso):è ciò che rimane dopo
evaporazione a 105˚di acqua limpida,corrisponde al contenuto
salino;va fatto anche a 180˚ per il riconoscere la natura di alcuni
sali;se si riscalda fino a 550˚ si vede un temporaneo annerimento
del residuo dovuta alla presenza di eventuale sostanza organica.
• Conducibilità elettrica:la conducibilità è l’inverso della resistenza e si
misura in Siemens;aumenta con l’aumentare del numero di ioni
presenti, il valore è di 0,05 microsiemens per cm -1.
• Gas disciolti:il più importante è la CO2 libera,che si determina
mediante titolazione con NaOH,ed è fondamentale per conoscere la
corrosione delle acque in quanto si abbassa il PH che esalta il potere
corrosivo dell’ossigeno.
DETERMINAZIONI PRINCIPALI
DELL’ACQUA
• Determinazione dei cationi:per il sodio e il potassio di usa la
fotometria alla fiamma,per il calcio e il magnesio(durezza) si titola
con soluzione di etildiamminoteracetico (EDTA).
• Determinazione degli anioni:gli anioni presenti sono i cloruri,i
solfati,gli idrossidi,i carbonati si ottengono sempre per titolazione
anche se in maniera diversa.
• Determinazione della silice:si intende la quantità totale sia in forma
solubile che colloidale;si ottiene mediante titolazione con HCl con
successivo riscaldamento in stufa a 110˚. Il peso della sostanza
rimanente rappresenta il contenuto in silice.Il valore è 2 mg/l.
DUREZZA DELLE ACQUE
• Un’acqua si dice dura quando è ricca di ioni calcio e magnesio.
• Danno incrostazioni a caldaie, sistemi di refrigerazione e di
•
•
•
•
irrigazione,ecc.
Sono poco potabili.
Altri cationi conferiscono durezza come il ferro , l’alluminio, il
rame,lo zinco, il manganese.
La durezza esprime il contenuto di ioni calcio e magnesio.
La durezza dello ione carbonatico esprime la durezza
temporanea,che scompare in seguito ad ebollizione dell’acqua;
DUREZZA DELLE ACQUE
• La durezza permanente è dovute a tutti gli ioni presenti che non si
dissolvono in seguito ad ebollizione, ed è dovuta alla associazione
degli ioni calcio e magnesio con il solfito,il cloro e i nitriti.
• La durezza varia molto a seconda delle acque,ma anche nella stessa
a seconda dei periodi.
• Si esprime in g/l, in ppm o in gradi francesi,che esprimono i gr di
CaCO3 corrispondenti alla quantità di ioni calcio e magnesio presenti
in 100 l di acqua. Es. con 21˚F saranno presenti una quantità di sali
solubili di Ca e Mg pari a 21 gr in 100 l di acqua.
DETERMINAZIONE DELLA
DUREZZA
• METODO IODOMETRICO(o volumetrico):si aggiunge un
•
sapone alcalino (oleato sodico),e ad un certo punto
fanno precipitare gli ioni alcalino terrosi sotto forma di
schiuma bianca (punto finale della titolazione).Per
ottenere invece la durezza permanente si titola dopo
averla sottoposta a ebollizione.
Metodo complessimetrico all’EDTA:molto più preciso di
quello iodometrico,e più immediato.
CARATTERISTICHE DELLE ACQUE
NATURALI
FONTI
ACQUE DEL SOTTOSUOLO :
•
•
•
•
derivano dalle acque meteoriche,che percolando nel terreno
si trattengono negli strati impermeabili; possono venire in
superficie sia attraverso fenditure di rocce,sia attraverso
perforazioni :pozzi(ordinari o artesiani).
Non sono limpide e sono influenzate dalla proprietà del terreno
con cui vengono a contatto.
Hanno un PH basso per il fatto che contengono CO2 in soluzione,
che a contatto con l’aria evapora;se aumentasse il PH
creerebbero depositi calcarei.
2+
2+
Anche la presenza di ioni Fe e Mn crea problemi in quanto a
contatto con l’atmosfera tali acque si intorbidiscono e lasciano
depositare ossidi idrati del ferro e del manganese.
CARATTERISTICHE DELLE ACQUE
NATURALI
FONTI
ACQUE DI FIUME
• Sono torbide.
• Sulle sue proprietà influiscono la natura geologica del bacino,il
regime del corso d’acqua,gli apporti meteorici,ecc.
• Esempio un’acqua povera di sali proveniente dallo scioglimento di
neve e ghiaccio su rocce silicee può dare un’acqua ricca di sali ma
solo alla foce per gli apporti degli affluenti.
Mentre lungo un fiume alimentato da acque di sorgenti con elevata
durezza temporanea danno acque alla foce meno durezza in quanto
depositano CaCO3 per perdita di CO2.
• Il contenuto salino nelle acque fluviali è compreso tra 50 e
1000ppm, in Italia tra 150 e 300ppm.
CARATTERISTICHE DELLE ACQUE
NATURALI
FONTI
ACQUE DI LAGO
• Sono caratterizzate da sedimenti solidi provenienti da affluenti.
• Sono meno torbide delle acque fluviali ma hanno più sostanza
organica.
• Il contenuto salino è uguale a quello dei fiumi se si tratta di bacini
aperti,cioè se hanno emissari in grado di assicurare un adeguato
ricambio.
• l processi biologici di fotosintesi connessi con lo sviluppo delle
alghe,influiscono sul contenute dei sali,in quanto consumano CO2 e
liberano O,facendo sedimentare il CaCO3,a favore di una minor
durezza.
• I laghi salati sono quelli in cui affluiscono sorgenti d’acqua salata,i
quali formano strati salini nel fondo (Mar Morto 220.000 ppm).
CARATTERISTICHE DELLE ACQUE
NATURALI
FONTI
ACQUE DI MARE
• Elevato contenuto salino(35g/kg o 35000ppm).
• I mari con scarsa evaporazione e grandi affluenti hanno scarsa
salinità;es. il mar Mediterraneo è meno salato dell’atlantico in
quanto in Africa il caldo favorisce l’evaporazione; il mar Rosso è il
più salato.
• In generale la salinità in prossimità delle coste è minore.
• Quattro cationi Na+ , Mg 2+,Ca 2+,K+ e quattro anioni Cl- ,SO3,
4
HCO 3-,Br - sono responsabile del 99% della salinità marina.
• Il PH varia moltissimo a seconda della salinità e della
temperatura,ma non supera mai i 8 come PH.
PRINCIPALI CONTAMINANTI
MICROBIOLOGICI
• Possono essere batteri, funghi e virus .
PRINCIPALI
CONTAMINANTI ORGANICI
• Sono sostanze che contengono il carbonio,prodotte in natura o dalla
attività umana (sono alla base della chimica della plastica, del
legno, della carta, del petrolio e derivati, dei solventi delle
vernici).
• Quelle effettivamente disponibili sul mercato sono circa
100.000 di cui circa 8000 tossiche e 200 ritenute
cancerogene e sospette cancerogene; solo per 2100
prodotti sono stati individuati i rispettivi valori limite di
tossicità. Ovviamente questi prodotti organici non sono tutti
presenti contemporaneamente nell'ambiente: l'eventuale
presenza in una zona è legato all'esistenza di industrie di
produzione o all'utilizzo locale di singoli prodotti o classi di
prodotti.
PRINCIPALI
CONTAMINANTI ORGANICI
Tra i contaminanti organici si riscontrano più frequentemente:
• Trielina, tetracloroetilene e composti organoalogenati in genere; i
•
primi due sono prodotti in uso nelle lavanderie e in industrie
metalmeccaniche; nelle acque si possono incontrare anche altri
solventi (1,2 dicloropropano, metilcloroformio, ecc.) comunemente
usati per lo sgrassaggio dei pezzi meccanici.
Aloformi (derivati alogenati del metano); fra questi si trova il
cloroformio ed altri composti simili. La presenza di aloformi nelle
acque potabili (di acquedotto) non è da collegarsi con i fenomeni
di inquinamento del territorio: nella maggior parte dei casi queste
sostanze si formano durante alcuni processi di potabilizzazione per
reazione chimica del cloro, impiegato come disinfettante, con
sostanze organiche naturali di origine vegetale sempre presenti
nelle acque di approvvigionamento a livello di pochi mg/L.
CONTAMINANTI INORGANICI
• Lo ione ammonio (NH4+) deriva principalmente delle
deiezioni umane o animali dove è contenuto assieme
all'urea risultante dal metabolismo delle proteine. La sua
presenza nelle acque, specialmente in quelle sotterranee, è
dovuta in alcuni casi a cause geologiche quali ad esempio la
degradazione di materiale in via di fossilizzazione (resti di
piante, giacimenti di torba, ecc.). Queste acque, con ione
ammonio che può raggiungere valori elevati (5 - 10
mg/litro) ma pure dal un punto di vista microbiologico,
possono essere considerate potabili se non ci sono
alterazioni di altri parametri. Al contrario la sua presenza
associata ad analisi microbiologiche sfavorevoli costituisce
un sicuro indice di inquinamento da scarichi fognari o
zootecnici. L'Organizzazione Mondiale della Sanità e la
legislazione vigente in altre nazioni non fissano alcun limite
per questa sostanza nelle acque potabili in virtù della sua
possibile origine "naturale" e della sua trascurabile tossicità.
In Italia invece la legge ha introdotto un valore limite pur
classificando lo ione ammonio fra le "sostanze
indesiderabili" e non fra le "sostanze tossiche".
• Idrocarburi; sono componenti delle benzine e degli oli lubrificanti; il
versamento di queste sostanze nel suolo può determinare gravi
inquinamenti delle acque.
PRINCIPALI
CONTAMINANTI
INORGANICI
• Nitriti e nitrati invece possono essere prodotti in natura
da processi ossidativi dello ione ammonio oppure da
fenomeni conseguenti all'impiego dei fertilizzanti azotati
in agricoltura. Lo ione nitrato è infatti presente come
componente di sali molto solubili impiegati come
fertilizzanti, pertanto può passare velocemente nelle
acque sotterranee per dilavamento del suolo agricolo.
Esistono comunque trattamenti di potabilizzazione,
tecnologicamente avanzati e piuttosto complessi, che
permettono di ridurre la concentrazione di nitriti e nitrati
fino alla loro totale eliminazione.
PRINCIPALI
CONTAMINANTI
INORGANICI
• Un'acqua con queste caratteristiche non presenta
rischi sanitari, ma ha caratteristiche
indesiderabili: uno sgradevole sapore metallico,
possibilità di dar luogo a fenomeni di corrosione
delle tubature e di macchiare la biancheria
durante il lavaggio. Gli acquedotti che attingono
acque ricche di ferro e/o manganese dispongono
di adeguati impianti per la rimozione di questi
metalli.
PRINCIPALI
CONTAMINANTI
INORGANICI
• Le caratteristiche organolettiche (colore, odore, sapore e torbidità)
dell'acqua potabile possono essere alterate da sostanze di origine
naturale. Le acque sotterranee sono generalmente povere
d'ossigeno e riescono a tenere disciolte, mostrandosi limpide, il ferro
e il manganese nella forma "ridotta" (ione "ferroso" e "manganoso")
anche a concentrazioni superiori ai valori limite. Un'acqua
sotterranea che contiene ferro e manganese in quantità elevate
quando viene portata in superficie si trasforma in breve tempo (da
pochi minuti a qualche ora) in una soluzione torbida e giallastra
dall'aspetto poco invitante. In pratica il contatto con l'ossigeno
atmosferico trasforma la forma ionica di questi materiali da "ridotta"
a "ossidata" (ione "ferrico" e "manganico") e dà luogo a prodotti
poco solubili. Si ha così la separazione per precipitazione di
fanghiglie colorate dal giallo-ruggine al nero.
PRINCIPALI
CONTAMINANTI
INORGANICI
• Un'altra sostanza d'origine naturale che frequentemente altera la
qualità dell'acqua di possibile uso potabile è l'acido solfidrico (o
idrogeno solforato), un gas facilmente riconoscibile per il
caratteristico odore di uova marce. Questa sostanza è ritenuta a
torto un indice di scarsa qualità dell'acqua potabile: ci sono acque
sotterranee contenenti acido solfidrico assolutamente pure da un
punto di vista microbiologico, ed è noto da molti secoli l'impiego
terapeutico delle acque sulfuree anche come bevande. La normativa
delle acque potabili prevede che questa sostanza non sia presente
nelle comuni acque potabili perchè l'odore dell'acqua è sgradevole e
perchè è comunque sconsigliabile l'assunzione per lunghi periodi.
L'acido solfidrico è facilmente eliminabile per ossigenazione.
PRINCIPALI
CONTAMINANTI
INORGANICI
• La torbidità è un fattore che influenza
frequentemente la qualità dell'acqua potabile:
valori elevati possono essere dovuti a presenza di
materiale argilloso oppure a idrossidi di ferro o
alluminio, sostanze, queste ultime, usate nel
processo di potabilizzazione delle acque
superficiali e che possono erroneamente finire
nella rete acquedottistica. Talvolta fenomeni di
corrosione delle tubature danno luogo ad acque
"rosse" per presenza di idrossido di ferro.
PRINCIPALI
CONTAMINANTI
INORGANICI
• I metalli pesanti possono essere presenti in natura o derivare da
attività umane. Mentre nel primo caso si trovano nelle rocce quasi
sempre sotto forma di composti pochissimo solubili (ossidi, solfuri,
ecc.), così che le acque circolanti solo raramente risultano
contaminate da questi metalli, i metalli pesanti rilasciati
nell'ambiente dalle attività umane non sono sempre in forma
innocua. I metalli pesanti, data la loro tossicità, hanno una soglia di
concentrazione ammessa molto bassa, generalmente dell'ordine dei
microgrammi (milionesimi di grammo) per litro. Un metallo è tanto
più tossico quanto più basso è il suo valore limite: talvolta è
sufficiente una quantità piccolissima di un qualsiasi metallo pesante
per rendere un'acqua non idonea all'uso potabile: ad es. sono
sufficienti 5 milligrammi di cadmio per contaminare 1 metro cubo di
acqua; fanno eccezione il rame e lo zinco che per la loro minore
tossicità hanno valori limite più alti.
FILTRAZIONE
• E' l'operazione che si effettua per rimuovere dall'acqua le sostanze
solide in essa presenti, per mezzo di un materiale poroso come la
sabbia silicea, l’antracite,la barite,la magnetite o il calcare.
FILTRAZIONE
CHIARIFICAZIONE
(SEDIMENTAZIONE)
• Eliminazione della torbidità mediante filtrazione, sedimentazione,
flocculazione, o coaugulazione.
• La sedimentazione è la depositazione spontanea di particelle solide
in un liquido,senza l’intervento di forze esterne.
CHIARIFICAZIONE
(SEDIMENTAZIONE)
CHIARIFICAZIONE
FLOCCULAZIONE O
COAGULAZIONE
• Per flocculazione si intende il processo di separazione di aggregati
colloidali sotto forma di flocculi che poi possono essere separati per
filtrazione o sedimentazione.
• Per coagulazione si intende l’eliminazione di sostanze mediante la
trasformazione in sostanze gelatinose,per aggiunta di sostanze
“coagulanti”.
• I colloidi delle acque naturali sono colloidi negativi come l’argilla, la
silice e le sostanze umiche.
• I reattivi usati per tali trattamenti sono:il solfato di alluminio, il
solfato ferrico, il cloruro ferrico, il solfato ferroso, l’ alluminato
sodico, ma anche bentonite e farina fossile.
CHIARIFICAZIONE
FLOCCULAZIONE O
COAGULAZIONE
• I reattori accelerati a contatti di fanghi
STERILIZZAZIONE
• Sono trattamenti spesso indispensabili per raggiungere
la potabilità dell'acqua; infatti con tali trattamenti si
eliminano, o quanto meno si contengono entro i limiti
consentiti dalle relative norme vigenti, i batteri, che
potrebbero essere causa di fenomeni patologici. La
sterilizzazione e/o la disinfezione possono essere
realizzate in vari modi, il più diffuso dei quali consiste
nell'additivazione di cloro all'acqua da disinfettare. Altri
sistemi prevedono l'irraggiamento dell'acqua con raggi
U.V. (Ultra Violetti)o l'additivazione di ozono
DISTILLAZIONE E
DEMINERALIZZAZIONE
• La distillazione si effettua facendo evaporare l'acqua e
successivamente condensandola. In questo modo si ottiene acqua
priva di sali in genere e, contemporaneamente, sterile per effetto del
calore. L'acqua distillata ha utilizzazioni particolari: farmaceutiche, di
laboratorio, industriali.
• Con la demineralizzazione si ottiene acqua priva di sali senza
l'ausilio del calore. Normalmente la demineralizzazione si effettua
per mezzo di resine a scambio ionico ottenendo acqua con residuo
salino inferiore a quello ottenuto con la distillazione; per contro
l'acqua demineralizzata non è sterile. L'acqua demineralizzata ha
innumerevoli utilizzazioni nel campo industriale (industria chimica,
farmaceutica, alimentare, impianti termici ecc.).
ADDOLCIMENTO
• L'addolcimento è il processo di rimozione dall'acqua dei sali di calcio
e magnesio che sono la causa principale di incrostazioni calcaree nei
circuiti idraulici. L'addolcimento si effettua facendo passare l'acqua
grezza su un letto di resine cationiche forti, che vengono rigenerate
con acido cloridrico ottenuto da una soluzione di salamoia.
• Durante il processo di addolcimento, il contenuto di calcio e
magnesio della resina scambiatrice aumenta dall'alto alla base del
letto di resina; la capacità operativa di scambio diminuisce
gradualmente e non appena il contenuto di calcio e magnesio
nell'acqua depurata, supera un certo limite prefissato deve essere
effettuata la rigenerazione che riporta la resina nella forma sodica.
Per effettuare la rigenerazione, la concentrazione di salamoia deve
essere di circa il 10-15%.
• Le principali fasi di funzionamento di un addolcitore sono: esercizio,
rigenerazione, lavaggio e controlavaggio.
• Addolcire l'acqua, quindi, significa rimuovere i sali incrostanti
trasformandoli nei rispettivi sali solubili.
ADDOLCIMENTO
• I reattivi usati sono l’idrossido di calcio e il carbonato sodico,
facendo precipitare il calcio e il magnesio sotto forma di bicarbonati.
• La soda elimina la durezza permanente.
• La calce elimina la durezza temporanea, il magnesio e la CO2
libera.
ADDOLCIMENTO
• Il processo può avvenire a freddo, alla normale temperatura
dell’acqua,o a caldo alla temperatura di ebollizione.
IMPIANTI DI ADDOLCIMENTO
IMPIANTI DI ADDOLCIMENTO
IMPIANTI DI ADDOLCIMENTO