La coagulazione è un passaggio cruciale nel trattamento delle acque industriali. Influisce direttamente sull'efficienza di rimozione del particolato sospeso e delle impurità colloidali nell'acqua e influenza anche la stabilità e l'economia dei processi successivi come la filtrazione, l'addolcimento e la desalinizzazione. Tuttavia, l'effetto coagulante non è determinato esclusivamente dal dosaggio del reagente, ma è influenzato da una combinazione di fattori tra cui le condizioni idrauliche, la temperatura dell'acqua, il valore del pH, la durezza dell'acqua e l'alcalinità. Questo articolo analizza sistematicamente i fattori che influenzano l'efficienza della coagulazione sia dalla pratica ingegneristica che dal punto di vista teorico e utilizza equazioni di reazione chimica e formule di calcolo per aiutare i lettori ad acquisire una comprensione più profonda di questo processo fondamentale.
I. L'influenza delle condizioni idrauliche sull'efficienza della coagulazione
L'essenza del processo di coagulazione è l'incontro e la reazione dei reagenti con le particelle di impurità presenti nell'acqua, formando infine fiocchi più grandi e più stabili. Se le condizioni idrauliche sono insufficienti, i reagenti non possono mescolarsi completamente con l'acqua, con conseguente bassa efficienza di reazione; tuttavia, se le condizioni idrauliche sono troppo forti, i fiocchi già formati verranno disgregati. Pertanto, l'intensità dell'agitazione deve essere controllata entro un intervallo ragionevole. Un indicatore idraulico comunemente utilizzato è il valore G del gradiente di intensità di miscelazione, calcolato come segue.
Nella formula: G è il gradiente di intensità della miscelazione, s⁻¹; è la densità apparente dell'acqua, N/m³ o kg/m³; h è la perdita di carico nell'apparecchiatura di coagulazione, m; μ è la viscosità dinamica dell'acqua, Pa·s o N·s/m³; T è il tempo medio di permanenza dell'acqua che scorre attraverso l'apparecchiatura, s.
Nel funzionamento effettivo, l'intervallo di valori G adatto per la fase di miscelazione è solitamente compreso tra 600 e 1000 s⁻¹; l'intervallo di valori G adatto per la fase di flocculazione è solitamente compreso tra 20 e 70 s⁻¹.
II. L'influenza della temperatura dell'acqua sull'efficienza della coagulazione
La temperatura dell’acqua è un altro fattore chiave che influenza l’efficienza della coagulazione. Quando la temperatura diminuisce, la viscosità dell'acqua aumenta, la possibilità di collisione tra le particelle diminuisce e la velocità di formazione dei fiocchi rallenta notevolmente; allo stesso tempo, la bassa temperatura inibisce anche la reazione di idrolisi dei reagenti, portando ad una diminuzione dell'efficienza della coagulazione. Quando la temperatura dell'acqua è superiore a 15 gradi, la reazione di idrolisi accelera, la crescita dei fiocchi è rapida e la sedimentazione è buona. Quando la temperatura dell'acqua è inferiore a 10 gradi, l'idrolisi dell'agente è difficile, la forza legante tra le particelle è debole, i fiocchi sono allentati e la sedimentazione è difficile. Quando la temperatura dell'acqua è inferiore a 5 gradi, il dosaggio del coagulante deve essere aumentato in modo significativo e anche la regolazione dell'alcalinità è necessaria per garantire l'effetto.
Pertanto, nel funzionamento invernale, è spesso necessario adottare misure come l'aumento del dosaggio dell'agente e l'aumento dell'intensità dell'agitazione per compensare gli effetti negativi della bassa temperatura.
III. L'influenza del valore del pH sull'effetto della coagulazione
La reazione di idrolisi dei coagulanti in acqua è strettamente correlata al valore del pH della soluzione. Prendendo come esempio i sali di alluminio e i sali di ferro, i loro prodotti di idrolisi e gli stati di precipitazione cambieranno in modo significativo con diversi valori di pH.
1. Reazione coagulante del sale di alluminio
In condizioni di pH adeguate, i sali di alluminio possono formare precipitato di idrossido di alluminio, come mostrato nella formula seguente.
L'effetto coagulante è ottimale quando il valore del pH dell'acqua è compreso tra 5,5 e 7,5.
2. Reazioni dei coagulanti dei sali ferrosi
L'idrolisi dei sali ferrici in acqua è complessa e coinvolge principalmente le seguenti reazioni:
L'intervallo di pH adatto è 6,0–8,0. Se il pH è inferiore a 3 i sali ferrici difficilmente possono formare fiocchi di idrossido ferrico; se il pH è superiore a 9, Fe³⁺ si trasformerà in ioni complessi più solubili, riducendo l'effetto coagulante. In condizioni di elevata alcalinità, i sali ferrici subiscono le seguenti reazioni.
Pertanto, l'effetto coagulante dei sali ferrici è ideale in condizioni neutre o leggermente alcaline.
IV. Effetti della durezza e dell'alcalinità dell'acqua
Gli ioni bicarbonato, calcio e magnesio presenti nell'acqua possono influenzare significativamente l'idrolisi dei coagulanti e la formazione dei fiocchi a causa delle seguenti reazioni collaterali.
Un'appropriata alcalinità è benefica per la reazione. Se l'alcalinità dell'acqua è troppo bassa, è necessario aggiungere ulteriore calce (CaO) o carbonato di sodio per garantire la formazione di fiocchi di idrossido sufficienti. La seguente formula può essere utilizzata per stimare il dosaggio di compensazione dell'alcalinità.
Nella formula: [CaO] è il dosaggio della calce pura (CaO), mg equivalenti/L; [a] è il dosaggio del coagulante, mg equivalenti/L; [z] è l'alcalinità dell'acqua grezza, in mg equivalenti/L; [δ] è l'alcalinità residua, solitamente considerata come 0,5–1,0 mg equivalenti/L.
Conclusione: la coagulazione non è una singola reazione chimica, ma un processo completo che coinvolge gli effetti combinati di condizioni fisiche, chimiche e idrauliche. Cambiamenti di qualsiasi fattore, dall'intensità dell'agitazione alla temperatura dell'acqua, dal pH all'alcalinità, possono portare a differenze nell'effetto finale. Pertanto, solo comprendendo a fondo questi meccanismi possiamo ottenere risultati ottimali nel trattamento delle acque adattandoci alle condizioni locali. In futuro, poiché l’industria del trattamento dell’acqua persegue il risparmio energetico, la riduzione delle emissioni e un funzionamento efficiente, il controllo raffinato del processo di coagulazione diventerà sempre più importante e la comprensione dei suoi fattori che lo influenzano diventerà una delle competenze chiave degli ingegneri.