Le pompe chimiche Savino Barbera sono costruite in materiali termoplastici (PP, PVC, PVDF, PE-HD) e sono per questo utilizzabili in tutti quei processi o impianti industriali dove la resistenza alla corrosione riveste un'importanza fondamentale. L'articolo qui presentato ha il solo scopo di illustrare alcune delle caratteristiche chimico-fisiche del fenomeno della corrosione, problema che può essere risolto con l'utilizzo di pompe chimiche in plastica.

AGGRESSIVITÀ E CORROSIVITÀ DELLE ACQUE NATURALI

La valutazione della capacità incrostante o corrosiva di un'acqua naturale costituisce un grosso problema nella chimica delle acque. I metodi per sapere se un'acqua ha tendenza a dissolvere o a depositare carbonato di calcio sono di due tipi: i metodi sperimentali ed i metodi di calcolo, a partire dall'analisi chimica dell'acqua, utilizzando grafici, modelli ed indici. Nel presente lavoro vengono presentati i principali indici utilizzati per stabilire l'aggressività e la corrosività di un'acqua.
Acque corrosive
Uno dei principali problemi connessi alla chimica delle acque consiste nella valutazione della capacità, incrostante o corrosiva, di un'acqua naturale. Per sapere se un'acqua ha tendenza a dissolvere o a depositare carbonato di calcio oltre ai metodi sperimentali (prova del marmo, test di aggressività dinamica, ecc.), numerosi autori, partendo dallo studio del sistemaCaCO3CO2-H2O, hanno sviluppato metodi di calcolo a partire dall'analisi chimica dell'acqua, utilizzando grafici, modelli ed indici. L'esistenza di numerosi metodi mostra che nessuno di questi si è rivelato del tutto soddisfacente sia per i limiti specifici sia per il fatto che questi metodi:

Il sistemaCaCO3CO2-H2O, come si può osservare nella Figura 1, è costituito da tre fasi: una fase gassosa (atmosfera), in cui il ruolo dominante è svolto dalla CO2; una fase liquida, in cui si svolgono tutte le reazioni chimiche; ed una fase solida, costituita dai depositi in corso di formazione quando l'acqua ha caratteristiche incrostanti. Un sistema è completamente definito se sono note tutte le grandezze che lo caratterizzano. Il sistemaCaCO3CO2-H2Oè un sistema definito da sei equazioni con sei incognite; si è in presenza di un sistema bivariante che non ha soluzione unica ma una serie di soluzioni che possono essere rappresentate graficamente in un piano cartesiano esprimendo tutte le grandezze in funzione di una sola variabile. In generale si può scrivere una relazione del tipo: y = f(x).
Figura 1 - Rappresentazione
Figura 1: Rappresentazione schematica delle interazioni tra le fasi del sistemaCaCO3CO2-H2O


Nella scelta della variabile x e della funzione y e delle approssimazioni introdotte nei calcoli, stanno le differenze dei metodi sviluppati dai diversi autori. Nella tabella 1 vengono riepilogate le sei incognite e le sei equazioni che caratterizzano il sistemaCaCO3CO2-H2O. I metodi per stabilire il comportamento di un'acqua in rapporto al carbonato di calcio, ma anche nei confronti di materiali metallici, sono di due tipi: i metodi sperimentali (prova del marmo, test di aggressività dinamica, ecc.) e i metodi di calcolo a partire dall'analisi chimica dell'acqua (indici, curve, grafici, modelli, ecc.). Tra i metodi sperimentali quello più noto è la prova del marmo, mentre tra i metodi di calcolo quello più usato è l'indice di Langelier (IL) [1]. Nella normativa italiana è stato adottato l'indice di aggressività (IA) per la valutazione dell'aggressività delle acque sulle tubazioni di cemento armato (Circolare Ministeriale, 1 luglio 1986, n° 42). Una descrizione di questi metodi è stata effettuata in altra sede [2], [3]. Esiste una certa confusione ed ambiguità nel definire l'aggressività di un'acqua, in quanto molte volte si utilizza il termine corrosione. Per molti autori i due vocaboli sono sinonimi e stanno ad indicare l'azione dell'acqua su materiali di differente natura: i metalli (Fe, Pb, Cu), acciai, calcestruzzi, cementi, malte, ecc. Più correttamente un'acqua si dice "corrosiva" quando in presenza o in assenza di ossigeno attacca i materiali metallici, in particolare il ferro, provocando il noto fenomeno dell'"acqua rossa" nella rete di distribuzione. Si tratta di un processo essenzialmente elettrochimico. Invece un'acqua è "aggressiva" quando in presenza di anidride carbonica attacca i materiali lapidei (calcare, cementi, ecc.). Il processo, essenzialmente chimico, è dovuto agli ioniH+provenienti dallaCO2presente nell'acqua. Il controllo di questo fenomeno viene esercitato dal pH e dallaCO2libera.
Riepilogo
Tabella 1: riepilogo delle incognite e delle equazioni corrispondenti all'equilibrio del sistema


Acque naturali "aggressive"
Le acque naturali, a seconda della natura delle rocce o dei terreni che attraversano, si arricchiscono di specie chimiche, che determinano la loro composizione chimica.
Le acque aggressive possiedono, in generale, un basso contenuto salino, bassa alcalinità ed un eccesso di anidride carbonica libera, che viene chiamata aggressiva, mentre un'acqua può essere corrosiva anche in assenza diCO2. Nella tabella viene riportata la composizione chimica di alcune acque naturali aggressive e corrosive. Si tratta di acque di sorgente, di lago o di invaso artificiale, ma anche di pozzo.
aggressività dell'acqua in un bacino idroelettrico
Figura 3: rappresentazione dell'aggressività dell'acqua di un bacino utilizzato a scopo idroelettrico


Nella tabella viene riportata, per ciascuna acqua, la composizione chimica (Ca2+, Mg2+, Na+, K+,HCO3-, Cl-, SO42-, NO3-) ed i principali parametri fisici, chimici e chimico-fisici (temperatura, alcalinità, durezza, conduttività elettrolitica).
L'anidride carbonica totaleCtè espressa dalla relazione:
CO2T = CT = [H2CO3*] + [HCO3-] + [CO32-]
in cui
[H2CO3*] = CO2libera + [H2CO3]
e viene calcolata dalla misura dell'alcalinità (Alk) e dal pH. A parità dei valori delle costanti K1' e K2', alla temperatura dell'acqua, attraverso la forza ionica µ, si calcolano le costanti K1' e K2'. La formula per il calcolo è la seguente:
Prima formula
dove Alk è l'alcalinità dell'acqua espressa in [meq/l];KW', K1', K2'sono le costanti stechiometriche alla temperatura dell'acqua; [H+] è la concentrazione degli ioniH+, corrispondente a 10-pH. Vengono, inoltre, riportati gli indici più importanti per stabilire l'aggressività e la corrosione, che sono l'indice di Langelier (IL):

Indice di Langelier
essendopHsat = pK2 – pKSO – log(Ca2+) – log(HCO3-) - log(fm) – log(fb) – log(fm) –log(fb)
dovepHsat border=è il pH all'equilibrio corrispondente alla concentrazione degli ioniCa2+eHCO3-espresse in moli/l;K2, KSOsono i valori delle costanti termodinamiche della seconda dissociazione dell'acido carbonico e del prodotto di solubilità del carbonato di calcio; (Ca2+), (HCO3-) sono le attività degli ioniCa2+eHCO3-;fmè il coefficiente di attività degli ioni monovalenti;fbè il coefficiente di attività degli ioni bivalenti. L'indice di intensità tampone (IT), calcolato secondo la seguente espressione (approssimata) è:
Indice intensità tampone
in cuiKa, 4,3è la capacità neutralizzante acida (Cna) a pH 4,3 (alcalinità al metilarancio) espressa in moli/l; Kb, 4,2 è la capacità neutralizzante basica (Cnb) a pH 8,2 (alcalinità allafenolftaleina) espressa in moli/l. La tendenza ad essere aggressiva si osserva da un indice di Langelier fortemente negativo (inferiore a -0,5), mentre la tendenza dell'acqua ad essere corrosiva viene indicata con l'indicedi Ryznar o con l'indice dell'intensità tampone (IT). Con valori dell'indice di Ryznar tra 6 e 7 si ha corrosività minima, tra 7 e 7,5 la corrosività risulta leggera, mentre per valori superiori a 7,5 essa diventa significativa, come mostrato in figura. Per l'intensità tampone valori inferiori a 0,5 mmoli/l indicano acqua corrosiva, come nel caso dei pozzi di Trieste (0,31 mmoli/l) o del pozzo di Boltiere (0,15mmoli/l). Dalla tabella emerge chiaramente come l'indice di Langelier non sia sufficiente a stabilire se un'acqua, oltre ad essere aggressiva, risulta anche corrosiva.
Origine dell'acqua: P=pozzo, L=lago, S=sorgente, I=invaso artificiale.
Aggressività e corrosività di un'acqua in funzione dell'indice Ryznar [2]
Figura 2: aggressività e corrosività di un'acqua in funzione dell'indice Ryznar [2]


Degradazione ed attacco dei calcestruzzi
Le acque aggressive possono degradare rapidamente i materiali a base di cemento, utilizzati nel trasporto e nella distribuzione dell'acqua, come pure nel caso di opere di calcestruzzo, quali dighe, canali, ecc. I problemi di manutenzione e di durabilità delle strutture e delle costruzioni in calcestruzzo (serbatoi, condotte, dighe, ecc.) emergono con sempre maggior frequenza e gravità, tali da richiedere interventi di rifacimento. La figura rappresenta il comportamento dell'acqua di un invaso artificiale a scopo idroelettrico, sito a quota 2.100 m slm in Alta Valtellina (SO), nei confronti del sistemaCaCO3CO2-H2O. La rappresentazione grafica è quella proposta da Legrand e Poirier nel 1976 e da Legrand e Leroy nel 1990 [5, 6], in grado di rappresentare non solo l'aggressività di un'acqua ma anche il suo grado di stabilità. Da essa risulta non solo il comportamento aggressivo dell'acqua (il punto Msi trova alla sinistra della curva di equilibrio) ma anche la sua instabilità (il punto M si trova in prossimità dell'incrocio dei due assi).

Il fenomeno dell' "acqua rossa" nelle reti di distribuzione
La corrosione delle condutture metalliche, ed il conseguente fenomeno dell'"acqua rossa" nelle reti di distribuzione, si verifica tutte le volte che l'acqua non è all'equilibrio o che non siano rispettati alcuni parametri, come quello di Ryznar e l'intensità tampone (IT). Negli studi da noi effettuati sull'aggressività delle acque e sulla miscelazione di acque di differente origine [7] è stata messa in evidenza l'importanza dell'intensità tampone, che può essere calcolata secondo la seguente espressione (approssimata). Il caso più interessante è quello relativo all'acquedotto di Trieste, già segnalato da uno degli autori [8], alimentato fino al 1993 da acque di sorgenti carsiche. La figura mostra l'andamento dell'indice di Langelier e dell'intensità tampone dell'acqua che alimenta l'acquedotto di Trieste dal 1983 al 1998.
Indici di intensità tampone e di Langelier
Figura 4: andamento dell'indice di intensità tampone (ß) e dell'indice di Langelier (IL) a 12°C dal 1983 al 1998


Come è possibile osservare dall'andamento dei valori di questi due parametri, fino al 1993, l'acquedotto alimentato con acque di sorgente carsica non ebbe problemi di corrosione (>0,05 mmole/l), che si manifestarono successivamente, a seguito della miscelazione con acque di alcuni pozzi, che provocò nella rete fenomeni di "acque rosse". Singolare è il comportamento dell'acqua del pozzo di Boltiere, che ha sempre manifestato un indice di Langelier positivo (0,31) ma un valore di intensità tampone paria 0,15 mmoli/l.

(Articolo tratto da Inquinamento, pagg. 42-46, Ottobre 2005. Autori: Paolo Berbenni, Sabrina Rossi)




BIBLIOGRAFIA
[1] W.F.Langelier,Jwwa, 1936, 28 (10), 1.500.
[2] J.W.Ryznar,Jwwa, 1944, 36 (4), 472.
[3] P.Berbenni, C.Di Toro, C.Vadrucci, "Il fenomeno delleacque aggressive e conseguenze sull'uso potabile", 2002. In Analisi dei fenomeni di alterazione della qualità delle acque potabili: tecniche di prevenzione e controllo, a cura di G. d'Antonio e F. Pirozzi, Murst, ed.Cuen, Napoli, 1999.
[4] P.Berbenni, "Le verifiche inerenti l'aggressività dell'acqua approvvigionata nei confronti delle opere cementizie". In Criteri guida per il collaudo, Andis, 2000.
[5] L.Legrand, G.Poirier, Chimie des eaux naturelles, 1976, Eyrolles, Paris.
[6] L.Legrand, P.Leroy, Prevention of corrosion and scaling in water supply system, Ellis Howood, NewYork, 1990.
[7] P.Berbenni, R.Occhi, Inquinamento, 1992, 9, 76.
[8] P.Berbenni, F.Gemiti, "Corrosion problems in drinking water distribution private plants after the change of supply fonts". In proceed. Of "Ceocor Colloquium", Vienna, 1997.



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