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Nel trattamento delle acque industriali, la demineralizzazione si riferisce alla rimozione dei solidi dissolti dall’acqua di alimentazione e dai flussi di processo. Se state valutando le opzioni per il trattamento e la purificazione dell’acqua, potreste chiedervi “Cos’è la demineralizzazione dell’acqua e come funziona?”

Il seguente articolo offre una semplice spiegazione di come funziona la demineralizzazione, cosa ci si può aspettare da un sistema di demineralizzazione medio e quali contaminanti vengono tipicamente rimossi dalle tecnologie di demineralizzazione.

Cos’è la demineralizzazione dell’acqua?

La demineralizzazione è un tipo di purificazione dell’acqua. Anche se può riferirsi a qualsiasi processo di trattamento che rimuove i minerali dall’acqua, il termine demineralizzazione è in genere riservato specificamente ai processi di scambio ionico (IX) utilizzati per la rimozione quasi totale dei contaminanti minerali ionici. Spesso, i termini demineralizzazione e deionizzazione sono usati in modo intercambiabile.

La demineralizzazione IX utilizza sia resine a scambio cationico che anionico, a volte anche nella stessa colonna o letto. Dopo la demineralizzazione, l’acqua trattata avrà un alto livello di purezza paragonabile all’acqua distillata, ma in genere a un costo molto più basso.

Cosa è incluso in un sistema di demineralizzazione di base?

Il design e i componenti specifici di un sistema di demineralizzazione IX possono variare da un’applicazione all’altra in base alle condizioni di processo e alla composizione del flusso da trattare. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi di demineralizzazione includerà i seguenti componenti:

• Una o più colonne IX
• Sistema di dosaggio del rigenerante
• Vasche di stoccaggio dell’alimentazione chimica
• PLC, valvole di controllo e tubazioni
• resine IX

C’è una certa flessibilità nella configurazione di un sistema di demineralizzazione per soddisfare in modo ottimale varie condizioni di processo e obiettivi di purezza. Nel progettare un sistema di demineralizzazione, si dovrebbe tenere conto della variabilità dell’acqua di alimentazione, del livello di purezza necessario, dell’ingombro del sistema, della tolleranza per la perdita di ioni (in particolare sodio e silice) e dei requisiti di alimentazione chimica, tra gli altri fattori.

Come funziona la demineralizzazione?

Come abbiamo detto, la demineralizzazione si riferisce in genere alla rimozione di solidi minerali disciolti attraverso un processo IX. Ma prima di approfondire come funziona la demineralizzazione, esamineremo i principi di base di una reazione IX.

In presenza di acqua, i minerali e i sali si dissociano nei loro ioni costituenti. Questi solidi disciolti sono costituiti da ioni a carica negativa, detti anioni, e da ioni a carica positiva, detti cationi, ognuno dei quali è attratto da controioni (o ioni di carica opposta). All’interno di una colonna IX è presente una resina che consiste in perline di plastica a cui è stato legato un gruppo funzionale ionico. Questi gruppi funzionali trattengono debolmente gli ioni di carica opposta attraverso un’attrazione elettrostatica reciproca. Durante un ciclo IX attivo, un’acqua con ioni disciolti viene introdotta nella resina. Gli ioni in soluzione si scambieranno di posto con gli ioni sulle perle di resina, aggrappandosi ai gruppi funzionali della resina anche quando la soluzione risultante viene drenata. IX accade quando uno ione ha maggiore affinità per il gruppo funzionale rispetto allo ione già presente. I contaminanti ionici specifici presenti detteranno se sono necessari tipi di resina anionica e/o cationica.

In una tipica reazione IX, lo scambio di ioni risulta semplicemente nella sostituzione degli ioni contaminanti con altri ioni meno discutibili. In un sistema di addolcimento al sodio IX, per esempio, l’obiettivo è quello di rimuovere gli ioni di durezza (ad esempio Ca2+ o Mg2+) dalla soluzione sostituendoli con ioni di sodio (Na+). Come risultato, la soluzione trattata avrà poca o nessuna durezza, ma conterrà una maggiore concentrazione di ioni di sodio.

Mentre questo è accettabile per molte applicazioni, alcuni processi richiedono una rimozione quasi totale dei solidi dissolti. È qui che entra in gioco la demineralizzazione. Nella demineralizzazione, i cationi nell’acqua di alimentazione vengono scambiati con ioni idrogeno (H+) e i cationi vengono scambiati con ioni idrossile (OH-). Il risultato è l’acqua: H+ + OH-OH → H2O. In generale, i sistemi di demineralizzazione IX sono disponibili in configurazioni a due letti o a letti misti, come specificato di seguito.

Base doppia IX

Gli scambiatori a due letti o a doppio letto utilizzano due o più letti o colonne di resina IX per trattare un flusso, ciascuno contenente un tipo specifico di resina IX. Nella demineralizzazione a due letti, un flusso viene prima trattato con una resina a cationi acidi forti (SAC) che cattura i cationi dissolti e rilascia ioni idrogeno (H+) in scambio. La soluzione di acido minerale risultante viene poi indirizzata al letto di resina anionica a base forte (SBA). Questa seconda fase sequestra i contaminanti anionici mentre rilascia ioni idrossido (OH-), che si combinano con gli ioni idrogeno esistenti (H+) per formare acqua. Il flusso risultante è basso in TDS e ha un pH quasi neutro. Mentre gli scambiatori a due letti sono efficaci per la demineralizzazione, la perdita di sodio può influenzare la qualità della loro uscita, specialmente per flussi con alti TDS e/o basso pH.

Scambiatori a letto misto IX

Gli scambiatori a letto misto offrono una qualità dell’acqua superiore rispetto ai sistemi a due letti. Gli scambiatori di ioni a letto misto contengono una miscela di diverse resine IX alloggiate in una singola colonna IX. Quando un flusso viene introdotto nell’unità, le reazioni di scambio cationico e anionico avvengono simultaneamente all’interno dell’unità, il che ha l’effetto di risolvere i problemi di perdita di sodio che possono compromettere la qualità dell’acqua prodotta da un sistema IX a letto doppio. Mentre gli scambiatori a letto misto producono acqua di qualità superiore, richiedono anche un processo di rigenerazione della resina più complesso. Inoltre, le unità a letto misto sono più suscettibili al fouling della resina e/o a un funzionamento inferiore del sistema a causa delle fluttuazioni del contenuto del flusso, e sono quindi tipicamente utilizzate a valle di altre misure di trattamento.

Quali contaminanti rimuove la demineralizzazione?

La demineralizzazione si traduce generalmente in una rimozione quasi completa dei minerali, ed è quindi tipicamente riservata alle applicazioni che richiedono un livello più elevato di purezza dell’acqua, come l’acqua di alimentazione o di reintegro per le caldaie ad alta pressione, l’acqua di risciacquo per le industrie alimentari e delle bevande, o i flussi di processo utilizzati nella produzione elettronica, per esempio. Per le applicazioni di acqua dolce, la demineralizzazione può essere una buona alternativa alla distillazione, in quanto è in grado di produrre acqua di qualità simile all’acqua distillata, ma attraverso un processo di scambio ionico più conveniente.

Di seguito abbiamo delineato i contaminanti più comuni trattati dai demineralizzatori:

Cationi

Le resine cationiche in un sistema di demineralizzazione scambiano cationi, o contaminanti con carica positiva. I contaminanti cationici comuni includono:

• Calcio (Ca2+)
• Ferro (Fe3+)
• Magnesio (Mg2+)
• Manganese (Mn2+)
• Potassio (K+)
• Sodio (Na+)

Anioni

Le resine anioniche in un sistema di demineralizzazione scambiano anioni, o contaminanti che hanno una carica negativa. I contaminanti anionici comuni includono:

• Alcalinità (CO32-, HCO3-)
• Cloruro (Cl-)
• Nitrato (NO3-)
• Solfati (SO42-)
• Silice (SiO2)

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