La calce svolge un ruolo chimico fondamentale, multifunzionale, economico ed efficiente nel trattamento delle acque reflue industriali, e la sua funzione si estende ben oltre il semplice aggiustamento dell'acido-base. Il suo valore fondamentale risiede nella conversione degli inquinanti disciolti nell'acqua in solidi insolubili attraverso una serie di processi chimici e fisici, ottenendo così la separazione e la purificazione.
1. Regolazione del pH e reazione di precipitazione
I componenti principali della calce sono l'ossido di calcio (CaO) o l'idrossido di calcio (Ca(OH)₂), che forma un ambiente fortemente alcalino quando disciolto in acqua. Questa è la base di tutte le sue funzioni.
Può neutralizzare rapidamente le acque reflue acide riportandole a condizioni neutre o alcaline, creando le condizioni necessarie per il successivo trattamento e la precipitazione dei metalli.
In condizioni alcaline, può reagire con vari ioni metallici nell'acqua per formare idrossidi insolubili in acqua o precipitati salini. Per esempio:
Rimozione di metalli pesanti (come rame, nichel, zinco, cromo): Cu²⁺ + Ca(OH)₂ → Cu(OH)₂↓ + Ca²⁺
Rimozione del fosforo: reazione con ortofosfato per formare precipitato di idrossiapatite: 5Ca²⁺ + 3PO₄³⁻ + OH⁻ → Ca₅(PO₄)₃(OH)↓
Rimozione del fluoruro: Formazione di precipitato di fluoruro di calcio: Ca²⁺ + 2F⁻ → CaF₂↓
2. Coagulazione-effetto sinergico coagulante
La calce non solo fornisce un ambiente alcalino, ma gli ioni calcio (Ca²⁺) che produce e il precipitato stesso hanno un effetto sinergico fisico-chimico:
Il Ca²⁺ può comprimere il doppio strato elettrico di particelle colloidali nelle acque reflue, riducendone la stabilità e promuovendo la coagulazione colloidale.
I microsolubili di idrossido di calcio generati e i loro fiocchi, durante la formazione e la sedimentazione, agiscono come una rete sottile, incapsulando meccanicamente, adsorbendo e spazzando via le particelle fini sospese, i pigmenti organici e alcune sostanze colloidali nell'acqua, facendoli depositare insieme. Questo processo migliora significativamente l'efficienza di rimozione della torbidità e del colore.
3. Capacità di trattamento avanzato per inquinanti specifici
In alcuni scenari di acque reflue industriali, la calce gioca un ruolo cruciale:
Demulsificazione e rimozione dell'olio: per le acque reflue oleose ed emulsionate, un ambiente a pH elevato può interrompere l'interfaccia stabile delle goccioline di olio emulsionate, promuovendo la demulsificazione e la separazione dell'olio.
Saponificazione: può saponificare gli acidi grassi e altre sostanze organiche nelle acque reflue, generando saponi di calcio insolubili, che sono più facili da rimuovere.
Solidificazione chimica: per le acque reflue contenenti solfuri, arseniati, ecc., può generare precipitati di sali di calcio più stabili, riducendone la tossicità e la migrazione.
4. Rimozione della durezza
La calce è più efficace nel rimuovere la "durezza carbonatica" (cioè la durezza del calcio e del magnesio legata agli ioni bicarbonato). La reazione principale è la "precipitazione alcalinizzante del bicarbonato":
Rimozione della durezza del calcio: Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ → 2CaCO₃↓ + 2H₂O
Questa reazione è cruciale: gli ioni calcio introdotti dall'esterno (dalla calce) reagiscono con il bicarbonato di calcio nell'acqua per formare un precipitato di carbonato di calcio. Teoricamente, la rimozione di 1 molecola di bicarbonato di calcio richiede 1 molecola di calce e produce 2 molecole di precipitato di carbonato di calcio.
Rimozione della durezza del magnesio: Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + 2CaCO₃↓ + 2H₂O
La rimozione del magnesio richiede un pH più elevato (solitamente superiore a 10,5) perché l'idrossido di magnesio ha una solubilità inferiore. La calce converte prima il carbonato di magnesio in precipitato di idrossido di magnesio, convertendo contemporaneamente gli ioni bicarbonato associati in precipitato di carbonato di calcio.
Nelle applicazioni che richiedono un profondo addolcimento delle acque reflue (rimuovendo contemporaneamente sia la durezza carbonatica che quella non-carbonatica), viene comunemente utilizzato il "processo a base di calce-soda".
Calce (Ca(OH)₂): rimuove la durezza carbonatica (come descritto sopra).
Soda (Na₂CO₃): rimuove la durezza non-carbonatica. Per esempio:
CaCl₂ + Na₂CO₃ → CaCO₃↓ + 2NaCl
MgSO₄ + Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂↓ + CaCO₃↓ + Na₂SO₄
Questo processo combinato può ridurre la durezza totale a un livello basso con un pH adeguato.
