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Demineralizzazione

Appunti di Tecnologia di chimica applicata sulla demineralizzazione basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del prof. Paolini dell’università degli Studi La Sapienza - Uniroma1, Facoltà di Ingegneria, Corso di laurea in ingegneria chimica. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Tecnologie di chimica applicata docente Prof. A. Paolini

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DEMINERALIZZAZIONE:

La demineralizzazione è un processo chimico di trattamento dell’acqua che consente l’eliminazione totale o parziale degli elettroliti

presenti in essa. Il trattamento può essere condotto tramite due metodi: lo SCAMBIO IONICO con l’opportuno utilizzo di resine

scambiatrici cationiche in forma idrogenionica, seguite da resine anioniche in forma ossidrilica. Questo trattamento consente

l’eliminazione totale degli elettroliti presenti nell’acqua, perciò essa viene detta DEIONIZZATA. Il secondo metodo attraverso il quale può

essere condotto il processo di demineralizzazione è la DISTILLAZIONE, attraverso l’ebollizione dell’acqua e la condensazione del

vapore prodotto, l’acqua ottenuta viene detta DISTILLATA, ed essa può contenere sostanze volatili che inizialmente presenti nell’acqua

da trattare, vengono trasportati anche nel vapore, a seguito del fenomeno del trascinamento. La scelta dell’opportuno metodo di

trattamento è dettata dal grado di mineralizzazione dell’acqua da trattare: la distillazione è più conveniente nel caso di acque fortemente

mineralizzate (elevata salinità e durezza), lo scambio ionico attraverso l’utilizzo di resine scambiatrici si predilige nel caso di acque con

moderata mineralizzazione. Esistono in natura diversi materiali dotati di buone capacità di scambio ionico quali le Zeoliti, minerali di

costituiti da alluminosilicati idrati di uno o più elementi alcalini, essi vengono rinvenuti sottoforma di aggregati o masse terrose nelle

cavità di rocce eruttive o giacimenti metalliferi idrotermali. Strutturalmente sono tectosilicati nei quali i tetraedri di SiO4 e AlO4, uniti al

vertice da un atomo di ossigeno, delimitano degli spazi occupati dai cationi e da acqua di idratazione. Grazie a questa tipologia di

struttura le zeoliti hanno la naturale capacità di scambio cationico, ed esse possono essere utilizzate nel trattamento di addolcimento

delle acque, una volta che vengano ridotte le dimensioni granulometriche mediante macinazione. Non possono essere impiegate invece

per il trattamento di demineralizzazione, perché durante la fase di scambio cationico si producono delle soluzioni di acidi forti che

deteriorano fortemente il materiale. Le Zeoliti possono essere prodotte anche artificialmente a partire da Silice, Allumina e Soda Solvay,

in commercio dette permutiti, trovano impiego nell’addolcimento delle acque (rimozione delle concentrazioni di magnesio e calcio). Per

la demineralizzazione vengono utilizzate invece delle resine scambiatrici sintetiche, materiali polimerici di sintesi costituiti da

macromolecole in catena di polistirolo, lungo le quali vengono fissati i gruppi funzionali ionizzabili. Le catene sono collegate fra di loro

attraverso legami covalenti trasversali di divinilbenzene, conferendo alla struttura una forma reticolata. La matrice organica rende la

resina insolubile in acqua, ma i gruppi funzionali ionizzabili, essendo solubili, esplicano la loro proprietà di scambio, la reticolazione

conferisce una resistenza strutturale necessaria per l’impiego pratico della resina. L’assorbimento dell’acqua da parte della resina

(umidità) fa sì che essa subisca un rigonfiamento, cioè quindi aumenti di volume, tanto maggiormente quando è minore il grado di

reticolazione della resina (L’espansione avviene in fase di servizio e la contrazione in fase di rigenerazione della resina), preferibilmente

di intermedia misura, per il raggiungimento dell’ottimale compromesso tra caratteristiche meccaniche e proprietà di scambio, in quanto i

pori devono consentire il passaggio degli ioni verso l’interno della resina per raggiungere i siti attivi di scambio. La struttura granulare

della resina deve essere formata da granuli di media ( 0,4-1mm ) grandezza sferoidali, preferiti ai granuli irregolari perché questi ultimi,

anche se conferirebbero maggior porosità del letto e minor perdita di carico, risultano essere difficilmente compattabili e quindi

occupano maggior volume per unità di peso, perciò per un dato volume di letto, si ricava un minore quantitativo di resina, in questo

modo la fase di servizio sarebbe più volte interrotta a causa della frequenza di rigenerazione.

Le resine scambiatrici vengono classificate in base ai gruppi funzionali ionizzabili che le caratterizzano, definite cationiche nel caso in

cui siano costituite da un reticolo strutturale portante di cariche negative e da cationi legati alle catene, esse hanno proprietà di scambio

unicamente di tipo cationico. La massa volumica è di 1,2 g/cm3, e densità apparenti di letto di 0,8 g/cm3. Le anioniche costituite da una

struttura portante di cariche positive e anioni di carica quindi negativa contenuti nei gruppi funzionali, quest’ultime aventi proprietà di

scambio unicamente anioniche. La massa volumica è di 1,1 g/cm3, e la densità apparente di 0,7 g/cm3.

Le resine fortemente acide, dette anche resine idrogenioni che forti contengono nella struttura dei gruppi funzionali derivati da un acido

forte, il solfonico, ed il loro grado di ionizzazione eguaglia quello di un acido forte, e ciò permette di ionizzare totalmente l’idrogeno, che

tende facilmente al rilascio in soluzione e allo scambio con un altro catione. Questa tipologia di resine è operativa in un largo intervallo

di pH, si rammenta che un acido forte possiede un basso pKa, che corrisponde ad un elevato valore della costante termodinamica di

dissociazione dell’acido. Le resine debolmente acide, dette anche resine idrogenioni che deboli, contengono in struttura dei gruppi

funzionali derivati da un acido debole, comunemente in forma fenolica o carbossilica. Il grado di ionizzazione è pari a quello di un acido

debole, perciò, incapace di ionizzare totalmente lo ione uscente, sarà operativa solamente in un intervallo di pH limitato, in questo caso

per un pH maggiore di 7, utilizzabili unicamente per lo scambio di cationi. Le resine fortemente basiche, anche dette ossidriliche forti,

contengono in struttura dei gruppi funzionali della tipologia ammonio quaternario del tipo I e II. Queste resine sono impiegate per lo

scambio di anioni in un intervallo ampio di pH. Le resine debolmente basiche, anche dette ossidriliche deboli, contengono gruppi

funzionali del tipo amminico primario, secondario o terziario. Utilizzate in un intervallo ristretto di pH, cioè per pH<7.

Termodinamica dello scambio ionico. Considerando un’operazione di scambio ionico di tipo discontinuo, sospendendo sotto

agitazione una resina idrogenionica in un reattore discontinuo contenente una soluzione acquosa di un sale neutro o basico, si

−¿ ¿

+¿ +Cl

¿

+¿+H ¿

: Na

−¿ ¿

↔ R

−¿

considerano le seguenti reazioni di scambio ionico: ¿

+¿ +Cl ¿

Na

+¿+ ¿

: H

−¿ ¿

1.R

H CO

+¿+ 2 3

¿

: Na

−¿ ¿

↔ R

−¿ ¿

HCO

+¿+ 3

¿

H

+¿+ ¿

: Na

−¿ ¿

↔ R

−¿ ¿

HCO

+¿+ 3

¿

Na

+¿+ ¿

: H

−¿ ¿

2.R

Le due reazioni di scambio ionico rappresentano lo scambio avvenuto tra una quantità di ioni H+ con una quantità equivalente di ioni

Na+, di conseguenza la resina si trasforma dalla forma idrogenionica alla forma sodica. Le due reazioni sono entrambe di tipo

reversibile e lo scambio ionico sarà rilevante solo se l’acido formato risulta di forza minore dell’acido presente sulla resina, se fosse

altrimenti la reazione di scambio non sarà possibile perché l’acido forte formato sposterà la reazione quasi totalmente verso sinistra. Da

ciò deriva il fatto che per una resina idrogenionica debole è possibile unicamente scindere un sale basico, e non un sale neutro, mentre

una resina idrogenionica/ossidrilica forte è in grado di scindere entrambi i Sali. Le resine ossidriliche forti sono in grado di scindere sia i

Sali neutri che basici e di fissare gli acidi forti e deboli:

+¿ ¿

Na

−¿+ ¿

H

−¿+O ¿

+ ¿:Cl ¿

↔ R

−¿ ¿

+¿+Cl ¿

Na

−¿+ ¿

1.R+:O H

−¿ ¿

+¿+OH ❑

¿

Na

−¿+ ¿

HCO

+ ¿: 3

¿

↔ R

−¿ ¿

+¿+HCO 3

¿

Na

−¿+ ¿

H

+ ¿:O ¿

2.R ❑

H2O

−¿+ ¿

:Cl

+¿ ¿

↔ R

−¿ ¿

+¿+Cl ¿

H

−¿+ ¿

OH

+¿ ¿

3.R

Le resine debolmente basiche invece non sono in grado di convertire i Sali neutri e basici, ma solo rimuovere gli acidi forti per

adsorbimento. ↔ R−NH : HCl

−¿ 2

¿

+ ¿+Cl

4. ¿

R−NH H

+

2

L’affinità chimica di una resina per un dato ione viene definita come la tendenza della resina a scambiare lo ione presente nel gruppo

funzionale ionizzabile con lo ione presente in soluzione. A parità di concentrazione equivalente dei due ioni, la resina avrà tendenza a

scambiare il proprio ione, se possiede maggior affinità con lo ione in soluzione. L’affinità chimica della resina crescerà all’aumentare

della carica elettrica dello ione in soluzione, e a parità di carica elettrica all’aumentare del numero atomico dello ione e al diminuire del

raggio dello ione idratato. Se la concentrazione dei vari ioni non fosse equivalente allora cade la validità delle regole sopraelencate.

Viene detto Coefficiente di selettività della resina la costante di equilibrio della reazione di scambio ionico espressa in attività, essa non

è propriamente una costante di equilibrio perché non dipende unicamente dalla temperatura, ma da anche altre condizioni sperimentali.

Questa costante viene espressa indicando al pedice lo ione presente originariamente sulla resina e all’apice lo ione da rimuovere in

acqua. Per un coefficiente di selettività della resina maggiore di uno la resina avrà maggior affinità con lo ione presente in acqu, al

contrario l’affinità sarà rivolta verso lo ione già presente in catena, senza alcun vantaggio per il processo stesso. Le resine idrogenioni


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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria chimica
SSD:
A.A.: 2016-2017

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher valentina.murana.900 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Tecnologie di chimica applicata e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università La Sapienza - Uniroma1 o del prof Paolini Antonio Evangelista.

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