Come rimuovere il ferro dall’acqua

Il ferro è uno tra i metalli più diffusi nella crosta terrestre, di cui rappresenta circa il 5%. In ambiente riducente il ferro è presente in forma solubile, come nel caso di acque sotterranee profonde o di acque superficiali poco ossigenate. Le principali forme con cui il ferro si presenta in forma solubile in acqua sono: - ione ferroso - Fe2+ - solfato ferroso - FeSO4 - bicarbonato ferroso - Fe(HCO3)2 In ambienti ossidanti invece il ferro si trova principalmente in forma di idrossidi di grandi dimensioni, che precipitano.

Problemi legati ad elevate concentrazioni di ferro nell'acqua

Il ferro è un elemento essenziale per l’organismo umano (es. formazione dell’emoglobina) e l’assunzione giornaliera raccomandata è di 10 mg[1]. Il ferro si può trovare naturalmente nelle fonti d’acqua; in genere la sua concentrazione non supera gli 0,3 mg/L, ma può essere più elevata nell’acqua trattata e distribuita, come conseguenza del suo impiego come coagulante in ambito acquedottistico o se avviene il rilascio, per corrosione, dalle tubature dei sistemi di distribuzione. Nelle acque destinate al consumo umano la concentrazione limite pari a 0,2 mg/L è dovuta essenzialmente alla capacità che il ferro ha di alterare le caratteristiche organolettiche dell’acqua (colore e sapore) e non a motivi sanitari. Per questo ed altri motivi, quando presente, il ferro viene generalmente rimosso dall’acqua. Anche nell’industria dell’imbottigliamento dell’acqua minerale naturale è prevista una procedura per rimuovere il ferro dall'acqua, tramite ossidazione per aerazione o insufflazione di aria arricchita di ozono e successiva filtrazione degli idrossidi. Tra i principali problemi causati da elevate concentrazioni di ferro (e manganese) nell’acqua: - alterazione delle caratteristiche organolettiche (colore e gusto), - durante il lavaggio il bucato si può macchiare di giallo (e di nero per il manganese), - a lungo termine si può intaccare e macchiare lo smalto dei denti, - sono elementi assolutamente indesiderabili nell’industria dell’imbottigliamento, nelle lavanderie, per le lavorazioni  in cartiera, nell’industria conciaria e per la produzione del ghiaccio, - il ferro nelle reti di distribuzione causa l’acqua rossa che può rendere difficile la lettura dei contatori, inoltre favorisce la proliferazione dei ferrobatteri che hanno la capacità di trasformare i composti solubili del ferro in ossidi insolubili, determinandone la precipitazione e l’accumulo nel biofilm. I processi per rimuovere il ferro dall'acqua, e del manganese che è un elemento che si trova spesso associato al ferro nelle acque superficiali e soprattutto in quelle profonde, sono molteplici e possono sfruttare il principio dell’ossidazione chimica, l’ossidazione biologica o l’utilizzo di mezzi filtranti specifici. Questi trattamenti vengono normalmente applicati a livello industriale e non al punto d’uso.

Ossidazione chimica

Il ferro può essere rimosso mediante ossidazione con l’ossigeno, anche a pressione atmosferica, secondo la seguente reazione:

4Fe²⁺ + 0₂ + 10H₂0 → 4Fe(OH)₃ + 8H⁺

Lo ione ferroso (Fe2+), che rappresenta le acque sotterranee la specie dominante del ferro, viene ossidato a ione ferrico (Fe3+) che forma gli idrossidi insolubili facilmente rimovibili mediante precipitazione o filtrazione. In alternativa all’ossigeno possono essere impiegati con grande efficacia ossidanti quali il cloro, il biossido di cloro (ClO2) e il permanganato di potassio (KMnO4). Un processo molto diffuso in ambito acquedottistico consiste nell’applicazione di permanganato prima della filtrazione su sabbia. Anche l’ozono (O3) è in grado di ossidare rapidamente il ferro, ma a causa degli elevati costi operativi non viene generalmente impiegato per questo uso specifico esclusivo. [1] LARN Limiti di Assunzione di Riferimento di Nutrienti ed energia per la popolazione italiana - Edizione 2012

L’utilizzo di permanganato di potassio, oltre al ferro ed al manganese, consente di rimuovere anche sapori e odori dall’acqua, alghe e microorganismi. Il dosaggio dipende dalla qualità dell’acqua da trattare, in genere un’efficace ossidazione dei contaminanti richiede un dosaggio di 10mg di KMnO₄ per litro d’acqua. Il permanganato di potassio che in forma solida, può essere solubilizzato in acqua e dosato per gravità o con pompa dosatrice. L’acqua così trattata assume un colore violaceo, che poi scompare a seguito della reazione del prodotto con i vari inquinanti nelle successive fasi del trattamento.

Mezzi filtranti specifici

Un’altra tecnica efficace per rimuovere il ferro dall'acqua consiste nell’impiego di particolari materiali granulari contenenti biossido di manganese (MnO₂), in grado di svolgere un’ossidazione catalitica. Si tratta generalmente di zeoliti, chiamate anche “sabbie verdi” (green sand) a causa della colorazione del minerale, scuro con riflessi verdastri, ma esistono anche altri minerali catalitici di comune impiego per la rimozione del ferro, manganese e solfuri:

- zeolite di manganese - pirolusite - alluminosilicato o calcare trattato con ossido di ferro - allumina attivata trattata con ossido di ferro

Questi minerali hanno la capacità di rimuovere, almeno parzialmente, anche altri inquinanti posto che questi possano essere adsorbiti sul minerale o sui precipitati formatesi grazie ad esso. Come avviene per l’arsenico, già presente nella forma pentavalente, nel trattamento di acque che contengono anche ferro.

Il biossido di manganese (MnO₂) agisce sia come donatore di ossigeno sia come catalizzatore dell’ossidazione. Nel tipico impiego delle sabbie verdi si prevede un dosaggio continuo di permanganato in modo che il minerale viene utilizzato per la sola funzione catalizzate, mentre l’ossidazione avviene grazie al permanganato.

3Fe²⁺ + MnO₄^- + 4H⁺ → MnO₂ + 2Fe³⁺ + 2H₂O

Durante il trattamento dell’acqua il biossido di manganese che riveste la glauconite (che è alla base della zeolite) ossida il ferro (e altri ioni) presente nell’acqua e conseguentemente tale rivestimento viene ridotto. Per questo motivo deve essere effettuata una rigenerazione della zeolite, in continuo o periodica, attraverso il permanganato di potassio.

Processo biologico

I trattamenti biologici per la rimozione del ferro e del manganese prevedono l’utilizzo di determinati batteri specifici, acidofili, in grado di ossidare biologicamente questi metalli rendendoli quindi sedimentabili e filtrabili.

La quantità di ferro ossidato cresce all’aumentare della concentrazione della biomassa, del pH e della presenza di ione ferroso (Fe²⁺), mentre diminuisce all’aumentare della concentrazione dello ione ferrico (Fe³⁺).

La reazione di biossidazione del ferro che avviene nei trattamenti biologici è la seguente:

2FeSO₄ + 1/2O₂ + H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + H₂O

I precipitati che si formano dall’ossidazione biologica sono idrossidi di ferro più compatti rispetto a quelli generati nei processi chimici, quindi maggiormente soggetti a sedimentazione.

Con questo tipo di trattamento in genere la rimozione del ferro e del manganese avviene in due stati separati. Dopo un’aerazione iniziale, necessaria per lo sviluppo dei ferrobatteri, l’acqua viene trattata in un primo stadio biologico per la rimozione del ferro, quindi subisce una seconda aerazione e/o un trattamento per l’innalzamento del pH per essere poi trattata nel secondo stadio biologico in cui avviene la rimozione del manganese.

Tra i principali vantaggi che la filtrazione biologica offre rispetto all’ossidazione chimica seguita da filtrazione: dimensioni ridotte degli impianti, minori costi di trattamento e nessun impiego di reagenti chimici. Di contro occorre valutare che la vita e la proliferazione delle varie specie microbiche in grado di ossidare il ferro sono fortemente influenzate da: pH, temperatura, ossigeno disciolto, salinità e contenuto di sostanze organiche nell’acqua da trattare.

Scambio ionico

Attraverso le resine a scambio ionico è possibile rimuovere il ferro dall’acqua. Si può utilizzare una resina a scambio cationico in base acida avente Na⁺ come ione mobile, ovvero la classica resina impiegata nei processi di addolcimento; tali resine infatti, non essendo totalmente selettive, oltre a scambiare gli ioni Ca²⁺ e Mg²⁺ agiscono anche sugli altri ioni positivi presenti nell’acqua, come appunto il ferro. Nel caso però di acque con durezza medio-alta gli ioni calcio e magnesio interferiscono con la rimozione del ferro e del manganese, riducendo la durata della resina.

Pur essendo efficace nella rimozione del ferro questa tecnologia non viene usata per lo scopo specifico in quanto la prestazione interferirebbe con l’applicazione propria della tecnologia stessa.

Filtrazione su membrana

Le membrane sono molto efficaci nella rimozione di ferro manganese, tuttavia questa soluzione tecnica non viene normalmente applicata in quanto le forme ossidate di questi metalli, anche in basse concentrazioni, generano problemi di sporcamento (fouling), riducendo drasticamente l’efficienza del processo. Tanto è vero che negli impianti ad osmosi inversa, e più in generale a membrana, che operano con acque contenenti ferro e manganese, sono previsti specifici pretrattamenti e dosaggio di antiscalanti per ridurre il rischio di intasamento repentino delle membrane stesse.

Analogamente alle resine a scambio ionico quindi anche le membrane, pur essendo efficaci nella rimozione del ferro, non vengono usate per lo scopo specifico in quanto la prestazione interferirebbe con l’applicazione propria della tecnologia stessa.

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