Tecnologia dei materiali e chimica applicata - Acque, Esercizi di Tecnologia Dei Materiali E Chimica Applicata
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Argomenti trattati: acque naturali,acque meteoriche,acque superficiali,acque sotterranee,analisi delle acque,residuo fisso,durezza,decomposizione dei carbonati,calcolo della durezza,metodo Boutron-Boudet,metodo dei compl...
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ACQUE 1

Le acque naturali non sono chimicamente pure, ma sono costituite da soluzioni, diluite, di sostanze diverse, solide, liquide, gassose.

meteoriche

superficiali (correnti e di bacino)

sotterraneeAcque naturali

acque meteoriche sono le più pure.. Alta percentuale di anidride carbonica

acque superficiali. Azionesolubilizzante azione di CO2 disciolta in acque meteoriche.

acque meteoriche penetrano nel terreno e costituiscono le acque sotterranee

ACQUE 2

ACQUE METEORICHE

Sono le più pure. Derivano da un processo ciclico di evaporazione,

condensazione e precipitazione. Raccolgono in soluzione o in sospensione i

costituenti del pulviscolo Il quantitativo totale di gas disciolti varia con il

variare della temperatura. A temperatura ambiente esso corrisponde a circa 20 cm3 complessivi per litro di acqua.

N.B. elevata percentuale di anidride carbonica importante nei confronti delle reazioni con il terreno.

In prossimità di zone industriali o densamente abitatepossono contenere disciolti anche altri gas quali solfuro di idrogeno, anidride solforosa, idrogeno, ammoniaca, ecc

ACQUE SUPERFICIALI

Scorrendo sul terreno le acque meteoriche danno origine alle acque superficiali.

Azione solubilizzante sul terreno

ACQUE 3

Azione dell'anidride carbonica Combinata sotto forma di acido carbonico H2CO3 esercita una lenta azione solubilizzatrice su alcuni minerali (carbonati di Ca e Mg).

CaCO3 + H2O + CO2 <==> Ca(HCO3)2 o insolubile solubile MgCO3 + H2O + CO2 <==> Mg(HCO3)2 insolubile solubile

Esempio in soluzione: Ca2+; CO32-; H+; OH- equilbri: (H2O <==> H+ + OH-)

H+ + CO32- <==> HCO3- H2O + CO2 (<==> H2CO3 ) <==> H+ + HCO3-

sommo e aggiungo Ca2+ :

CaCO3 + H2O + CO2 <==> Ca(HCO3)2

ACQUE 4

Le acque meteoriche penetrano nel terreno e costituiscono le acque sotterranee.

ACQUE SOTTERRANEE

Si raccolgono formando delle falde, da cui si hanno le sorgenti o le acque di pozzo

Sono in genere più ricche di sostanze disciolte per il maggior tempo di contatto con i costituenti e all'aumento della pressione e della temperatura che favorisce i fenomeni di solubilizzazione.

ACQUE 5

ANALISI DELLE ACQUE

Per giudicare se un'acqua è adatta ad un determinato impiego occorre conoscere la natura e la quantità delle sostanze disciolte e sospese.

determinazione di sostanze in sospensione (per filtrazione su filtro tarato)

analisi quantitativa delle sostanze disciolte (SiO2, Al3+, Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+, K+, Na+, Cl-

analisi dei gas disciolti (eseguita di raro)

residuo fisso

durezza

ACQUE 6

RESIDUO FISSO

Ciò che rimane dopo evaporazione dell'acqua

sostanze organiche e inorganiche disciolte.

DETERMINAZIONE

Introduzione di una quantità nota di acqua in capsula di platino

evaporazione 105 e a 180 °C.

La differenza fra i due valori corrisponde alla perdita dell'acqua di cristallizzazione di taluni sali

ACQUE 7

DUREZZA

Indica la quantità di sali solubili di calcio e magnesio presenti in un’acqua.

¤ Ca e Mg possono dare origine a inconvenienti gravi:

Nelle lavanderie e nelle industrie tessile e tintorie sono usati saponi che a contatto con acque dure danno precipitazione di stearati, palmitati e oleati di calcio e magnesio.

I danni più gravi si verificano nella alimentazione di caldaie, ove si ha la formazione di precipitati insolubili per decomposizione dei carbonati.

Con l'aumento della temperatura le lamiere metalliche incrostate delle pareti della caldaia si deformano per il diverso coefficiente di dilatazione termica del metallo e delle incrostazioni. in casi estremi può esplodere la caldaia

ACQUE 8

Sali che danno durezza permanente es CaSO4

graduale aumento di concentrazione e precipitazione sulle pareti della caldaia.

incrostazioni molto dure ed aderenti

bassa conducibilità termica

consumo di combustibile.

DECOMPOSIZIONE DEI CARBONATI PER EFFETTO TERMICO

Sali che danno durezza temporanea

Ca(HCO3)2 --> CaCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 --> Mg(OH)2 + 2 CO2

pochissimo solubili

ACQUE 9

Con il termine durezza di un'acqua si intende appunto il quantitativo di sali di calcio e magnesio in essa disciolti.

La durezza si misura solitamente in gradi francesi.

Si dice che un'acqua ha un grado francese di durezza quando la quantità di sali di calcio e magnesio contenuta in 100 litri di acqua corrisponde stechiometricamente ad 1 grammo (0.01 moli) di carbonato di calcio.

DEFINIZIONE

Esempio: Acqua con 150 g di CaSO4 per m3 (1000 litri)

15 g in 100 litri

1 mole CaSO4 = 1 mole CaCO3

essendo PM CaSO4 =136 ; PM CaCO3 = 100

si ha: 136 : 100 = 15 : x x = 11 durezza in gradi francesi.

ACQUE 10

Si può esprimere la durezza in parti per milione di carbonato di calcio (ppm)

ppm= grammi di CaCO3 per m3 (1000 l).

1 grado fr. <--> (1g/100l) CaCO3 <--> 10 ppm CaCO3 <--> 10 g/1000 l CaCO3

La durezza viene tradizionalmente distinta in:

durezza temporanea --> dovuta ai carbonati acidi (MgHCO3, CaHCO3 )

durezza permanente --> dovuta a tutti gli altri sali solubili di calcio e magnesio.

ACQUE 11

DUREZZA TEMPORANEA Si elimina a temperature prossime a quella di ebollizione con decomposizione HCO3-

2HCO3- --> CO32-+ H2O + CO2

CaCO3 insolubile

Mg (HCO3)2 da’ idrolisi : Mg (HCO3)2 --> Mg(OH)2 + 2 CO2 insolubile

equilibri in presenza di Mg3+ e CO32- : Mg2+ + 2 OH- <===> Mg(OH)2 CO32- + 2 H+ <===> H2CO3 2 H2O <===> 2 H+ + 2 OH- -------------------------------------------- Mg2+ + CO32- + 2 H2O <===> Mg(OH)2 + H2CO3

DUREZZA PERMANENTE durezza permanente è quella parte della durezza totale che rimane quando la durezza temporanea è stata eliminata.

ACQUE 12

Siano noti i sali disciolti nell'acqua. In 1 m3 ci sono: NaCl = 200 g; K2SO4 = 120 g; CaC12 = 100 g; MgSO4 = 60 g; Ca(HCO3)2 = 250 g. Calcolare la durezza:

Si esprimano in grammi per 100 litri. 1 mole CaC12, MgSO4 e Ca(HCO3)2 = 1 mole di CaCO3 (PM. = 100) PMCaC12=111; MgSO4=120.4 e Ca(HCO3)2=162. CaCl2: 111 : 100 = 10 : X X = 9.0 MgSO4 : 120.4 : 100 = 6: Y Y = 5.0 Ca(HCO3)2 : 162 : 100 = 25 : Z Z = 15.4 durezza permanente: 9.0 + 5.0 = 14 °f durezza temporanea: 15.4 °f

CALCOLO DELLA DUREZZA

1 ° f = 0.01 moli di CaCO3 in 100 litri di acqua: CaCl2: 10 g / 111 g. mol-1 = 0.09 mol MgSO4 : 60 g/ 120.4 g.mol-1 = 0.05 mol

0.09 +0.05 = 0.14 mol ; 0.14 mol/ 0.01 mol/ °f = 14 °f Dp

Ca(HCO3) : 25 g / 162 g.mol-1 = 0.154 mol 0.154 mol / 0.01 mol/ °f = 15.4 °f Dt

ACQUE 13

Analisi dell'acqua in parti per milione: SiO2 = 20. Al+ + + = 1, Ca++ = 90 ; Mg++ = 25; Na+ = 18; K+ = 6; Cl- = 18; SO42-= 53; HCO3- = 255.

1 ppm = 1 g/m3 dividendo per 10 i grammi per 100 litri.

PA Ca = 40 1 mole Ca = 1 mole CaCO3

PM CaCO3 = 100, 40 : 100 = 9 : X X = 22.5 durezza calcica Dca = 22.5 °f (9g / 40g.mol-1 = 0.225 mol ; 0.225 mol / 0.01 mol/°f = 22.5°f DCa).

PA Mg = 24,3 1 mole Mg = 1 mole CaCO3

24.3 : 100 = 2.5 : Y durezza magnesiaca Dmg: 10.3 °f (2.5g / 24.3 g.mol-1 = 0.103 mol; 0.103 mol / 0.01mol/°f = 10.3°f DMg).

durezza totale 22,5 + 10,3 = 32,8 °f

ESEMPIO 2

°f

ACQUE 14

legata a Ca(HCO3)2 e Mg(HCO3)2.

1 mole Ca(HCO3)2 = 1 mole CaCO3 1 mole Mg(HCO3)2 = 1 mole CaCO3

Ca(HCO3)2 --> CaCO3 + CO2 + H2O

1 ogni mole Ca(HCO3)2 contiene 2 HCO3- PM HCO3- = 61. per 2 gruppi HCO3- = 122 100 : 61 . 2 = 25.5 : Z Z = 20.9

durezza temporanea Dtp = 20.9 °f ( 25.5g / 122 g/mol = 0.209 mol ; 0.209mol / 0.01mol/°f = 20.9 °f Dtp).

La durezza permanente si ricava per differenza: 32,8 - 20,9 = 11,9 °f Dp.

Calcolo della durezza temporanea

ACQUE 15

Determinazione sperimentale della durezza

l - Metodo di Boutron-Boudet o della soluzione saponosa. 2 - Metodo dei complessanti.

Metodo Boutron-Boudet

Le soluzioni di sapone hanno una tensione superficiale inferiore a quella dell'acqua pura --->, volumi notevoli di schiuma. 40 cm3 di acqua sono introdotti in una boccetta e ad esso si aggiunge una soluzione acquosoalcolica a titolo noto di sapone.

2 RCOONa + CaSO4 --> (RCOO)2Ca + Na2SO4

o in forma ionica,

2 RCOO- + Ca++ --> (RCOO)2Ca

ACQUE 16

Metodo dei complessanti.

Acido etilendiamminotetraacetico (EDTA)

HOOCH2C CH2COOH N--CH2--CH2--N

HOOCH2C CH2COOH

Si usa sotto forma di sale bisodico

Si unisce ai cationi inorganici bi, tri e tetravalenti, che sostituiscono i due atomi di idrogeno acido

-OOCH2C CH2COO- N--CH2--CH2--N

HOOCH2C CH2COOH

+ Ca2+

↓ -OOCH2C CH2COO-

N--CH2--CH2--N -OOCH2C CH2COO-

Ca2+ + 2H+

ACQUE 17

ambiente leggermente basico 8< pH< 10 (NH3 o NH4Cl)

indicatore: nero di eriocromo T (con tre idrogeni acidi)

TITOLAZIONE

Mg++ + HIn-- --> MgIn- + H+ azzurro rosso vivo

EDTA2- + MgIn- --> MgEDTA2- + HIn rosso vivo azzurro

Dalla quantità di EDTA usato si può allora risalire alla quantità di Ca2+ e Mg2+ presenti nella acqua. Poichè la presenza di Mg2+ è indispensabile perchè l’indicatore reagisce solo con esso, se ne aggiunge una piccola quantità quando esso non è presente nell’acqua

ACQUE 18

Effetti di alcune delle sostanze che si trovano nelle acque

Inconvenienti delle acque dure:

I danni più gravi si verificano nel caso delle acque destinate alla alimentazione di caldaie per la produzione di vapore. L’ impiego di acque dure porta alla formazione di precipitati insolubili, che si possono originare attraverso due differenti meccanismi:

Nelle lavanderie e nelle industrie tessile e tintorie i saponi del tipo classico in contatto con acque dure danno luogo alla precipitazione di stearati, palmitati e oleati di calcio e magnesio con conseguente inutile consumo di sapone.

• sali che danno durezza temporanea si decompongono per il riscaldamento secondo: Ca(HCO3)2 --> CaCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 --> Mg(OH)2 + 2 CO2

sali pochissimo solubili •sali che danno durezza permanente (CaSO4), subiscono un graduale aumento di concentra- zione quando che l'acqua evapora; quindi ilsale precipita sulle pareti della caldaia (più calde). Si formano incrostazioni dure ed aderenti

ACQUE 19

Con l'aumento della temperatura le lamiere metalliche incrostate peggiorano. Insorgono de- formazioni e rigonfiamenti dovuti alla differenza di coefficiente di dilatazione termica fra parete metallica e incrostazioni. In casi estremi può portare anche all'esplosione della caldaia stessa

In caldaie operanti a pressioni elevate inconvenienti si verificano anche per la presenza di ossigeno che facilita i fenomeni di corrosione delle pareti.

# Dannosa è la silice che a temperature e pressioni elevate è un po’ solubile nel vapor d'acqua. Quando il vapore surriscaldato si raffredda, la silice forma un precipitato di tipo vetroso assai difficilmente allontanabile

Un particolare caso di corrosione dell’acciaio chia- mato fragilità caustica si ha quando:

•vi sono parti di apparati metallici sottoposti a tensioni meccaniche instaurate durante la lavorazione o l’assemblaggio •l’acqua usata ha una elevata basicità (alta concentrazione di OH-) che in genere è legata alla concentrazione degli ioni HCO3-

ACQUE 20

Fe + 2OH- ---> FeO22- + 2H Fe + OH- ---> FeO2- + 2H

Specie molto reattive H può inserirsi nel reticolo dell’acciaio ingigantendo le imperfezioni Ciò infragilisce il metallo facendovi comparire delle crepe che mettono fuori uso l’apparato.

la basicità di un’acqua è legata alla presenza di ioni HCO3-. Infatti:

•HCO3- dà idrolisi: HCO3- + H2O - --> H2CO3 + OH- •Se l'acqua viene usata per alimentare caldaie gli ioni HCO3- a caldo si trasformano in ioni CO32-

2 HCO3- --> CO32- + H2O - + CO2 I carbanioni si idrolizzano poi secondo la reazione:

CO32- + H2O <===> HCO3- + OH-

A caldo, per la continua distruzione degli ioni HCO3-, l'equilibrio si sposta a destra e si ha:

HCO3- ---> OH- + CO2 L’acqua diventa in tal modo decisamente alcalina

ACQUE 21

Le acque naturali devono essere sottoposte ad una serie di trattamenti di carattere chimico e fisico per renderle adatte ai vari impieghi cui sono destinate.

Trattamenti delle acque

Sedimentazione e coagulazione

Obiettivo: eliminazione delle sostanze solide in sospensione.

La sedimentazioneconsiste nella deposizione spontanea, per effetto della forza di gravità, delle particelle solide sospese

velocità di sedimentazione aumenta con l’aumentare delle dimensioni delle particelle, della loro densità ed anche della temperatura La sedimentazione avviene in modo continuo con vasche a flusso orizzontale o verticale. I decantatori orizzon- tali sono costituiti da lunghe vasche percorse in senso longitudinale dall'acqua con una velocità tale che il tem- po di attraversamento risulti superiore a quello neces- sario affinchè la maggior parte delle particelle sospese possano cadere sul fondo. tempo di ritenzione dell’acqua in questi decantatori è dell'ordine della decina di ore

ACQUE 22

Flusso ascendente

Decantatori flusso ascendente

l'acqua entra al centro diretta verso l'alto. Poi inverte la sua direzione e passa al di sotto del deflettore. Infine risale, fuoriuscendo nella canaletta di raccolta.

Nell'ultimo tratto la velocità di salita dell'acqua deve risultare inferiore a quella di precipitazione delle particelle sospese. Il tempo di permanenza è 1-2 ore. Questi trattamenti non sono sufficienti per eliminare le particelle che in parte restano sospese. Per migliorare il risultato si ricorre ai trattamenti di coagulazione, che consistono nell'aggiungere all'acqua un elettrolita (Al2(SO4)3) che neutralizzi la carica delle particelle colloidali e dia origine a sostanze insolubili fioccose

A12(SO4)3 + 3 Ca(HCO3)2 --> 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3 + 6 CO2 A12(SO4)3 + 3 Ca(OH)2 --> 3 CaSO4 + 2 Al(OH)3

ACQUE 23

Filtrazione Necessaria per le acque potabili. Consiste nel passaggio dell'acqua attraverso filtri porosi insolubili ed inattaccabili dall'acqua stessa

Le particelle sospese grossolane sono trattenute perchè di dimensioni superiori ai pori del filtro, mentre quelle più fini (particelle colloidali) vengono adsorbite dallo strato gelatinoso che si forma sulla superficie dei grani del materiale filtrante

Esistono filtri lenti e filtri rapidi

Degasazione Bisogna distinguere:

eliminazione di gas accidentalmente disciolti diversi dai comuni costituenti dell'aria;

eliminazione dell'ossigeno, per esempio acqua per alimentazione di caldaie a forte pressione. l'acqua polverizzata piove dall'alto di una torre

mentre dal basso si insuffla una corrente d aria con degasatori meccanici; l'acqua viene agitata e

polverizzata in ambienti in cui si è prodotto un vuoto almeno parziale

ACQUE 24

Demineralizzazione

Eliminazione completa delle sostanze in sospensione e dei sali che danno durezza. Si tratta di sostanze inorganiche in forma ionica,

demineralizzazione o deionizzazione

Si mette a contatto l'acqua con sostanze di natura organica insolubili capaci di scambiare atomi in esse contenuti con ioni della soluzione. Si tratta di resine scambiatricicationiche RH o anioniche ROH.

RH: cedono alla soluzione ioni H+ e asportano cationi metallici (Na+ , Ca++ , Mg++ ,...).

ROH: cedono alla soluzione ioni OH- e portano via gli altri anioni (Cl-, SO42- ...).

Le resine si possono ancora suddividere in forti e deboli. Le resine cationiche deboli possono esercitare le loro proprietà scambiatrici solo in ambiente neutro o basico, le forti anche in ambiente acido. Le resine anioniche deboli sostituiscono con ossidrilioni solo gli anioni che derivano da acidi forti, le anioniche forti sostituiscono anche gli anioni che derivano da acidi deboli

ACQUE 25

Effetto delle resine:

RH(s) + Na+(aq) <===> RNa(s) + H+(aq) 2 RH(s) + Ca+ +(aq) <===> R2Ca(s) + 2 H+(aq)

ROH(s) + Cl-(aq) <===> RCl(s) + OH-(aq) 2 ROH(s) + SO42- (aq) <===> R2SO4(s) + 2 OH-(aq)

Gli ioni metallici e gli anioni entrano a far parte della resina scomparendo così dalla soluzione.

L’impianto più semplice è costituito da 2 colonne

ioni disciolti: Na+ ; K+ ; Ca++ ; Mg++ ; Al+++; Cl- ; SO42- ; HCO3- ; SiO32-

All'uscita dalla prima colonna H+; HCO3- (H2CO3); SiO32- (H2SiO3 , SiO2 . nH2O); Cl- ; SO42

rigenerazione delle resine cationiche con una soluzione a concentrazione abbastanza elevata di ioni H+ (per es. soluzione al 4-6% di acido cloridrico)

RNa + H+ --> RH + Na+.

Ottimo, è proprio quello che cercavo!!
Ottimo
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