Il rapporto tra alcalinità e pH nei sistemi di acqua demineralizzata è completamente diverso da quello dei corpi idrici convenzionali. I sistemi di acqua demineralizzata (scambio ionico, osmosi inversa + letto misto/EDI) mirano a rimuovere quasi tutti gli ioni dall'acqua e naturalmente anche l'alcalinità, come anione (bicarbonato, carbonato, ecc.), viene rimossa.
1. L'alcalinità viene separata fisicamente, ma rimangono i gas acidi.
Nello scambiatore cationico (letto cationico), l'alcalinità originaria del bicarbonato presente nell'acqua reagisce con H⁺ sulla resina, convertendosi in anidride carbonica (CO₂). A questo punto:
L'alcalinità scende quasi a zero (il bicarbonato viene trattenuto dalla resina, H⁺ viene scambiato) e il pH scende intorno a 4,3-5,5.
L'effluente a questo punto è acqua acida contenente CO₂, ma la sua acidità deriva dai gas disciolti, non dagli anioni acidi forti. La torre di decarbonizzazione (separatore di carbonio) serve proprio a rimuovere questa CO₂. 1. La rimozione di CO₂ fa sì che il pH salga rapidamente sopra 6, ma l'alcalinità rimane zero. Ciò indica che in un sistema di acqua demineralizzata, senza alcalinità, il valore del pH è completamente controllato dalla CO₂.
2. Il pH dell'acqua pura ideale è influenzato dall'atmosfera.
Dopo aver attraversato un letto misto o un sistema EDI, la conduttività dell'acqua è estremamente bassa (< 0.1µS/cm), theoretically resulting in a pH of 7.00. However, if you measure the pH in an open beaker, you will often find it fluctuating between 5.6 and 6.8, inexplicably becoming acidic.
Ciò non è dovuto alla qualità dell’acqua al di sotto degli standard, ma proprio perché l’alcalinità è pari a zero. Senza il tampone di alcalinità, l'acqua pura assorbirebbe istantaneamente tracce di CO₂ dall'aria, generando acido carbonico, provocando un forte calo del pH. Nell'ingegneria pratica vengono utilizzate la sigillatura con azoto e altre misure.
Questa fluttuazione del pH richiede solo una minima quantità di CO₂ (pochi milligrammi per litro), non avendo quasi alcun impatto sul carico ionico dell’intero sistema, ma il pHmetro mostra comunque l’acidità. In questo scenario, pH e alcalinità non hanno alcuna relazione classica di equilibrio dell'acido carbonico; Il pH riflette solo la quantità di CO₂ che l'acqua ha appena assorbito dall'aria.
3. Misurare l'alcalinità non ha senso e misurare il pH è difficile.
Nel trattamento convenzionale dell'acqua questi due parametri si verificano reciprocamente. Nell'acqua demineralizzata:
L'alcalinità cambia da indicatore di controllo a "indicatore di impurità". Una volta rilevata una quantità significativa di alcalinità del bicarbonato, ciò indica un guasto del letto di scambio anionico, una perdita del letto misto o una riduzione delle prestazioni EDI, segnalando un problema del sistema. Nell'acqua demineralizzata che funziona normalmente, l'alcalinità totale dovrebbe essere prossima allo 0.
La misurazione del pH rappresenta una sfida tecnica significativa. I normali misuratori di pH mostrano una risposta dell'elettrodo estremamente lenta e un potenziale di giunzione liquida instabile nell'acqua pura a bassa-conduttività, causando una drastica deviazione delle letture.
Il valore del pH letto in questa situazione potrebbe non rappresentare la vera attività degli ioni idrogeno né essere utilizzabile per guidare il dosaggio chimico a causa della mancanza di alcalinità per mantenere l'equilibrio. A livello industriale, il controllo del pH nell'acqua demineralizzata spesso non si basa sulle letture assolute dei pHmetri offline o online, ma si ottiene aggiungendo ammoniaca in proporzione alla conduttività e alla portata specifiche.
4. Per prevenire la corrosione, è necessario stabilire artificialmente un debole rapporto di alcalinità.
Il pH dell'acqua di alimentazione della caldaia o dell'acqua ad-purezza elevata utilizzata per la pulizia dei trucioli deve essere regolato su 8,8-9,3 per prevenire la corrosione dell'acciaio. Poiché l'acqua pura non ha alcalinità, l'aggiunta di una goccia di alcali fa aumentare il pH a 10; l'introduzione di una piccola quantità di CO₂ fa sì che il pH scenda nuovamente a 6.
Pertanto, un'alcalinità molto debole deve essere stabilita artificialmente utilizzando agenti alcalinizzanti volatili (come ammoniaca o morfolina):
Quando viene aggiunta l'ammoniaca, si combina con l'acqua per formare idrossido di ammonio, fornendo una piccola quantità di alcalinità dell'idrossido e stabilizzando il pH su un'alcalinità debole.
Questa alcalinità non è l'alcalinità del carbonato, ma piuttosto la debole alcalinità apportata dagli idrossidi. Il suo ruolo è quello di fornire un piccolo centro tampone, impedendo che il pH fluttui notevolmente con la CO₂.
A questo punto, pH e alcalinità vengono ri-collegati. Dato un valore di pH target (ad esempio 9,0), è necessario calcolare la corrispondente concentrazione di ammoniaca da mantenere e questa debole alcalinità viene indirettamente bloccata utilizzando la conduttività (conduttività specifica). In breve, si tratta di utilizzare tracce di alcalinità misurate con precisione per controllare con precisione il pH a livelli tampone estremamente bassi.