Tecnologie per l'ottenimento di acqua dolce: evaporazione, osmosi inversa, scambio ionico | Appunti di Ingegneria Civile

1° LEZIONE 02/10

FENOMENI DI TRASFERIMENTO DI MASSE IN AMBITO LIQUIDO e SOLIDO. In ambito tecnologico c’è

la necessità di trasferire composti chimici da una fase all’altra. FASE: parte del sistema che

presenta proprietà più o meno omogenee. Salinità massima per l’acqua destinata al consumo

umano è di 0,5gxl. L’acqua del rubinetto ha una salinità di 300-400 ppm(parti per milione). Il Mare

è il ricettacolo ultimo di tutte le acque di ricaduta al suolo o acque meteoriche che sciolgono tutto

ciò che incontrano sul suolo. Salinità delle acque di mare è di 35 gxl. La tecnologia, più banale, per

ottenere dell’acqua dolce dall’acqua di mare è l’evaporazione (tecnologia termica). Altri processi

sono: l’osmosi inversa che utilizza en. Meccanica, lo scambio ionico che fa uso di en. Chimica

(processo di trasferimento di massa nel quale si utilizzano materiali classici porosi, granulari,

sferette attraverso cui si fa filtrare l’acqua. L’acqua passa attraverso dei grossi cilindri verticali

chiamati colonne e quindi, questa percolando arriva al fondo con un basso contenuto

salino…mentre, il sale sarà trattenuto sulle resine del materiale plastico poroso. Si parla di en.

Chimica poiché il composto chimico presente nei materiali reagisce con gli ioni presenti

nell’acqua). Il carbone attivo è utile per la trasformazione da una fase all’altra (filtro delle

sigarette). Le acque di fiume sono inquinate cioè sono torbide ed hanno carica batterica

(biologicamente attiva). Per eliminare la carica batteria si ricorre all’uso del cloro. Il riferimento

normativo fornito dalla Comunità Europea e da cui noi partiremo è il TESTO UNICO AMBIENTE

“T.U. 152/06” da cui discendono tutte le tecnologie che noi applicheremo e che riguarda tutto ciò

che concerne l’ambiente: acqua, aria, suolo, valutazione di impatti ambientale, danno ambientale,

tecnologie di depurazione, rifiuti, atmosfere, ecc. Parleremo di: trattamenti primari, secondari e

terziari; rimozione specifica di composti nutrienti e cioè composti a base di azoto e fosforo che

derivano dal nostro metabolismo (noi mangiamo principalmente carbonio, azoto e fosforo…poco

ossigeno e zolfo). Un impianto di depurazione completa il processo degradativo della sostanza

organica. Nei processi di depurazione il carbonio va via dall’impianto sotto forma di anidride

carbonica ed arriva in atmosfera. Tutto il carico di carbonio contenuto nei nostri residui metabolici

arriva in atmosfera. Questo è il motivo per cui gli impianti di depurazione contribuiscono

all’effetto serra. Siamo macchine inefficienti poiché, di quello che ingeriamo, solo il 30%

metabolizziamo mentre, il rimanente 70% viene eliminato sotto forma di residui metabolici. L’

azoto ed il fosforo sono idrosolubili e cioè restano in acqua e, sebbene vengano ossidati, l’azoto

resta in acqua come nitrato o ammoniaca mentre, il fosforo come ione ortofosfato. Scaricando nel

corpo idrico recipiente (corpo che riceve i reflui trattati) questo azoto e fosforo si inducono dei

fenomeni di inquinamento. Ovvero, l’acqua depurata dell’impianto gia’ pulita, priva di residui

metabolici, limpida contiene ancora delle sostanze o composti chimici (azoto e fosforo) che

favoriscono la proliferazione di biomasse vegetali. L’azoto ed il fosforo sono dei fertilizzanti per lo

sviluppo abnorme di alghe. Quindi, se io scaricassi quest’acqua nel corpo idrico ricettore indurrei

la formazione di foreste sottomarine e col passare degli anni, con la morte della vegetazione, si

innescherebbero processi di decomposizione. La decomposizione finchè avviene in presenza di

ossigeno in acqua non si crea particolari problemi ma, dal momento in cui l’ossigeno presente nel

corpo idrico si consuma andiamo incontro ad anossia. Un corpo idrico per essere in buone

condizioni tropiche deve avere una concentrazione di ossigeno non inferiore al 4,5 ppm (parti per

ml); ovviamente se le parti sono 8,9 ben venga. Se nel corpo idrico non c’è piu ossigeno, si forma

un corpo marcescente, una palude ed i primi a morire sono i pesci. Le paludi hanno un cattivo

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FENOMENI DI TRASFERIMENTO DI MASSE IN AMBITO LIQUIDO e SOLIDO. In ambito tecnologico c’è la necessità di trasferire composti chimici da una fase all’altra. FASE: parte del sistema che presenta proprietà più o meno omogenee. Salinità massima per l’acqua destinata al consumo umano è di 0,5gxl. L’acqua del rubinetto ha una salinità di 300-400 ppm(parti per milione). Il Mare è il ricettacolo ultimo di tutte le acque di ricaduta al suolo o acque meteoriche che sciolgono tutto ciò che incontrano sul suolo. Salinità delle acque di mare è di 35 gxl. La tecnologia, più banale, per ottenere dell’acqua dolce dall’acqua di mare è l’evaporazione (tecnologia termica). Altri processi sono: l’osmosi inversa che utilizza en. Meccanica, lo scambio ionico che fa uso di en. Chimica (processo di trasferimento di massa nel quale si utilizzano materiali classici porosi, granulari, sferette attraverso cui si fa filtrare l’acqua. L’acqua passa attraverso dei grossi cilindri verticali chiamati colonne e quindi, questa percolando arriva al fondo con un basso contenuto salino…mentre, il sale sarà trattenuto sulle resine del materiale plastico poroso. Si parla di en. Chimica poiché il composto chimico presente nei materiali reagisce con gli ioni presenti nell’acqua). Il carbone attivo è utile per la trasformazione da una fase all’altra (filtro delle sigarette). Le acque di fiume sono inquinate cioè sono torbide ed hanno carica batterica (biologicamente attiva). Per eliminare la carica batteria si ricorre all’uso del cloro. Il riferimento normativo fornito dalla Comunità Europea e da cui noi partiremo è il TESTO UNICO AMBIENTE “T.U. 152/06” da cui discendono tutte le tecnologie che noi applicheremo e che riguarda tutto ciò che concerne l’ambiente: acqua, aria, suolo, valutazione di impatti ambientale, danno ambientale, tecnologie di depurazione, rifiuti, atmosfere, ecc. Parleremo di: trattamenti primari, secondari e terziari; rimozione specifica di composti nutrienti e cioè composti a base di azoto e fosforo che derivano dal nostro metabolismo (noi mangiamo principalmente carbonio, azoto e fosforo…poco ossigeno e zolfo). Un impianto di depurazione completa il processo degradativo della sostanza organica. Nei processi di depurazione il carbonio va via dall’impianto sotto forma di anidride carbonica ed arriva in atmosfera. Tutto il carico di carbonio contenuto nei nostri residui metabolici arriva in atmosfera. Questo è il motivo per cui gli impianti di depurazione contribuiscono all’effetto serra. Siamo macchine inefficienti poiché, di quello che ingeriamo, solo il 30% metabolizziamo mentre, il rimanente 70% viene eliminato sotto forma di residui metabolici. L’ azoto ed il fosforo sono idrosolubili e cioè restano in acqua e, sebbene vengano ossidati, l’azoto resta in acqua come nitrato o ammoniaca mentre, il fosforo come ione ortofosfato. Scaricando nel corpo idrico recipiente (corpo che riceve i reflui trattati) questo azoto e fosforo si inducono dei fenomeni di inquinamento. Ovvero, l’acqua depurata dell’impianto gia’ pulita, priva di residui metabolici, limpida contiene ancora delle sostanze o composti chimici (azoto e fosforo) che favoriscono la proliferazione di biomasse vegetali. L’azoto ed il fosforo sono dei fertilizzanti per lo sviluppo abnorme di alghe. Quindi, se io scaricassi quest’acqua nel corpo idrico ricettore indurrei la formazione di foreste sottomarine e col passare degli anni, con la morte della vegetazione, si innescherebbero processi di decomposizione. La decomposizione finchè avviene in presenza di ossigeno in acqua non si crea particolari problemi ma, dal momento in cui l’ossigeno presente nel corpo idrico si consuma andiamo incontro ad anossia. Un corpo idrico per essere in buone condizioni tropiche deve avere una concentrazione di ossigeno non inferiore al 4,5 ppm (parti per ml); ovviamente se le parti sono 8,9 ben venga. Se nel corpo idrico non c’è piu ossigeno, si forma un corpo marcescente, una palude ed i primi a morire sono i pesci. Le paludi hanno un cattivo

odore perché in esse si innescano processi di decomposizione delle sostanze organiche in condizioni anaerobiche. È importante che la sostanza organica venga decomposta in presenza di ossigeno. La Terra è definita pianeta azzurro data la rilevante caratteristica di essere dominata dalla presenza d’acqua. Tutte le depressioni sono riempite d’acqua. I pianeti si trovano rispetto alla propria stella in un rapporto di massa, di gravitazioni, di condizioni fisiche e chimiche tali da sostentare la vita. In un sistema planetario solo ad una certa distanza dalla stella più prossima si istaurano condizioni idonee alla presenza di una forma di vita. Se la terra fosse un 20% più prossima al sole tutto sarebbe evaporato(come lo è su Mercurio) o viceversa appena un 10% più lontano tutto sarebbe congelato. La Terra si trova in un rapporto gravitazionale col Sole, con la massa giusta ed alla giusta distanza tale da consentire che l’acqua si trovi nelle sue tre forme simultaneamente. L’acqua non è presente solo sulla Terra ma, anche su Saturno, ecc. Anche su Marte un tempo scorreva qualcosa di fluido poiché si sono formati dei solchi..non è certo sia stata acqua ma, è certo che un liquido fluiva. I tre stati dell’acqua sono: ghiaccio, vapor d’acqua ed acqua liquida. Il parente più prossimo dell’acqua è l’ossigeno (ottavo gruppo), a seguire(immediatamente sotto) c’è lo zolfo (H 2 S è un gas maleodorante molte volte utilizzato nelle fialette ed avente odore di uova marce). Gli elementi appartenenti allo stesso gruppo danno vita a composti con proprietà molto simili. L’H 2 S a temperatura ambiente, in condizioni standard e cioè 298K →25°C o 101.300 Pa, è un gas e bolle ad almeno 14°C. Quindi, al di sotto di 14°C l’H 2 S è un liquido. L’acqua è un liquido che bolle a 373k→100°C poiché le sue singole molecole non sono libere. Un composto per essere gassoso deve essere caratterizzato da molecole svincolate l’une dall’altre o se ci sono, relazioni tra le molecole stesse, sono dovute a forze elettrostatiche debolissime. Se da un composto chimico sottraggo energia, le molecole si svincolano, tendono a perdere energia, a compattarsi ed avvicinarsi sempre più. La temperatura è un indice termico o indice del contenuto energetico delle molecole. LA TEMPERATURA è UN INDICE DELL’ENERGIA CINETICA MEDIA POSSEDUTA DALLE MOLECOLE ( Ec =0,5 k (costante di Boltzmannn) x T (temp. assoluta della molecola)) per cui è la misura della quantità di energia posseduta dalla materia. Parliamo di un sistema costituito da un insieme di unità strutturali svincolate. Quindi, se io raffreddassi sino ad arrivare allo 0 assoluto (fino a -273,16k a cui, in realtà, nessuno mai è arrivato ma si è giunti a valori molto prossimi) e riducessi l’en. Cinetica media di queste molecole avrei la totale scomparsa della materia e la completa trasformazione in energia. Se partissi dallo 0 assoluto, l’en. Cinetica aumenterebbe ed arriverebbe a valori stratosferici (livello plasmatico del Sole). Il plasma è uno stato di aggregazione della materia ad elevatissimo contenuto energetico. Ma, prima di passare al livello plasmatico massimo e minimo passeremo da uno stato solido. Lo stato solido è lo stato a cui compete la minima energia, le molecole del composto sono vincolate a formare dei cristalli (solido ha struttura ordinata), ci sono legami chimici intramolecolari. Man mano che io scaldo aumentano le energie vibrazionali, il reticolo cristallino viene continuamente sollecitato dal contenuto energetico ovvero dalla temp, le molecole cominciano ad agitarsi e si agiteranno fino al punto in cui le oscillazioni a livello del reticolo romperanno l’equilibrio. Le molecole crollano(occupano un volume più piccolo) e pur restando a contatto tra loro non saranno più ordinate. Questo porta alla formazione di un liquido che non avrà più equilibrio strutturale ed assumerà la forma del recipiente che lo contiene(le molecole sono in continuo movimento). L’acqua, la benzina e l’olio sono dei liquidi più o meno viscosi. Questo vuol dire che l’attrito interno

Mentre, se affianco una molecola d’acqua con una di acido solfidrico(legame in alto a destra) avrò una differenza di elettronegatività (in alto a destra nella scala periodica gli elementi sono più elettronegativi mentre, in basso a sinistra sono più elettropositivi cioè i primi hanno un’elevata affinità con gli elettroni mentre, i secondi perdono gli elettroni facilmente). Quindi, le molecole d’acqua essendo elettricamente squilibrate:i momenti dipolari di legame sono dei vettori che posso traslare e comporre. L’acqua ha un momento dipolare di legame ed uno molecolare (che sposta la nuvola di elettroni verso l’ossigeno e non verso l’idrogeno). Momento dipolare diverso

da 0 vuol dire che le molecole sono cariche. Molecola apolare è il metano, tra il carbonio e l’idrogeno c’è un’elettronegatività favorita verso il carbonio però la risultante dei momenti bipolari del singolo legame è nulla. La molecola di metano è una palla sferica in cui le cariche elettrostatiche sono perfettamente bilanciate (il che non è per l’acqua). Le molecole polari si sciolgono con le polari, le apolari con le apolari. La benzina(apolare) scioglie l’olio(apolare) ma, non i Sali. L’acqua(polare) scioglie i Sali. La temperatura maggiore di ebollizione si ha dove c’è maggiore interazione tra le molecole, ovvero nell’acqua (data la grossa differenza di elettronegatività tra O ed H l’acqua bolle a 100°C) mentre, l’acido solfidrico, essendo le molecole di H 2 S già a -14° svincolate l’una dall’altra, bolle a -14°C.

L’anidride carbonica reagisce con l’acqua in presenza di (hν) (con h=costante e ν=frequenza per cui: (hν) =frequenza della radiazione elettromagnetica nel campo del visibile (luce del sole)) dando luogo, grazie ad un catalizzatore che è la clorofilla presente sulle piante, ad un composto organico

complesso chiamato glucosio. Formiamo composti chimici sfruttando l’en. solare. Se prendo n molecole di glucosio ottengo la cellulosa (tessuto connettivo delle piante, è un accumulatore di energia solare). Il catalizzatore delle piante che porta alla fotosintesi è la clorofilla. La vacca mangia cellulosa e sintetizza proteine. Dove c’è vegetazione c’è ossigeno, per cui si sviluppa altro ossigeno. L’atmosfera è ossidata grazie all’ accumulo di ossigeno in atmosfera generato dalle piante. Invertendo la reazione→ residuo metabolico(proteine,vegetali, ecc.) cioè scarichiamo glucosio (zuccheri= sostanza organica complessa ad elevato contenuto energetico) lo trattiamo con l’ossigeno e ripristiamo anidride carbonica e acqua. Ho distrutto sostanza organica del nostro residuo metabolico. Non c’è più residuo metabolico. Nella cellulosa c’è energia chimica accumulata in tanti anni (esempio del ceppo nel camino che, in poco tempo, sprigiona energia termica accumulata negli anni)

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