Rimozione del ferro dalle acque: reazione, diagramma di Pourbaix
Elevate concentrazioni di ferro nelle acque possono causare una serie di problemi e si deve procedere alla sua rimozione.
Il ferro è il metallo più abbondante all’interno della Terra costituendo il 34,6% della massa del nostro pianeta ed è il quarto elemento per abbondanza nell’intero universo. La concentrazione di ferro nei vari strati della terra varia con la profondità. Essa è massima nel nucleo che è costituito probabilmente da una lega di ferro e nichel e decresce fino al 4,75% nella crosta terrestre.
Il ferro si trova nel terreno a basse concentrazioni e nelle acque sotterranee.
Nelle acque il ferro è presente nella forma solubile Fe2+ o Fe(OH)+ , sotto forma di Fe3+ o come idrossido di ferro (III) scarsamente solubile.
La presenza del ferro nelle acque può anche avere origine industriale ed in particolar modo dall’industria mineraria o siderurgica.
In generale il ferro non presenta un pericolo per la salute umana o per l’ambiente, ma livelli eccessivi possono essere dannosi. Inoltre se è presente nell’acqua le conferisce una colorazione scura e un gusto metallico rendendola sgradevole per il consumo.
Può essere all’origine della corrosione degli scoli delle fogne a causa dello sviluppo di ferrobatteri.
I ferrobatteri sono un gruppo di microrganismi aerobi che ottengono carbonio dal biossido di carbonio e ricavano l’energia per il proprio organismo dall’ossidazione per via enzimatica del ferro dallo stato di ossidazione + 2 allo stato di ossidazione +3. Tali batteri accelerano la reazione che avviene naturalmente tra ossigeno e ioni Fe2+ presenti nell’acqua o sulla superficie di tubazioni metalliche catturando l’energia rilasciata dal processo di ossidazione e utilizzandola per il proprio metabolismo.
Reazione
La reazione che avviene è:
4 Fe(OH)2 + 2 H2O + O2 → 4 Fe(OH)3
In acqua aerata il potenziale redox dell’acqua è tale che avviene una ossidazione dello ione ferro (II) a ferro (III) che precipita come idrossido di ferro (III). Pertanto avviene una rimozione naturale del ferro disciolto:
4 Fe2+ + 3 O2 → 2 Fe2O3
Fe2O3 + 3 H2O → 2 Fe(OH)3
La formazione dell’idrossido insolubile comporta la possibilità di intasamenti delle tubazioni oltre che all’inquinamento di resine a scambio ionico usate per l’addolcimento delle acque.
Diagramma di Pourbaix
La forma in cui si trova il ferro disciolto in acqua dipende dal pH e dal potenziale come mostrato dal diagramma di Pourbaix il cui sono rappresentate le possibili condizioni stabili del sistema e può essere utilizzato per predire la forma in cui si trova il materiale metallico.
Di solito le acque sotterranee hanno un basso contenuto di ossigeno, quindi un basso potenziale redox e un pH basso ( 5,5-6,5 ).
Le acque sotterranee sono naturalmente anaerobiche e il ferro rimane in soluzione pertanto è necessaria la sua rimozione.
La rimozione dello ione Fe2+ per via chimico-fisica si ottiene aumentando il potenziale redox dell’acqua per ossidazione grazie all’ossigeno presente nell’aria e ciò avviene per semplice ventilazione.
In caso di acqua acida il trattamento di ventilazione deve essere unito a una correzione del pH in modo che lo ione Fe2+ sia ossidato a Fe3+ che precipita come idrossido di ferro (III). Il precipitato è poi separato dall’acqua per filtrazione su sabbia o per decantazione.
La precipitazione per ossidazione chimica può essere ottenuta anche usando ossidanti forti quali il diossido di cloro ClO2, l’ozono O3 o il permanganato di potassio KMnO4.
Sono in commercio filtri deferrizzatori costituiti da un serbatoio contenenti il minerale pirolusite costituito da biossido di manganese MnO2.
L’acqua da trattare è saturata di ossigeno e successivamente attraversa il letto filtrante e subisce l’ossidazione del ferro. Esso precipita sul letto filtrante che ha la proprietà catalizzatrice nei riguardi nell’azione ossidativa.
Un altro tipo di filtro deferrizzante è costituito da zeolite al manganese che catalizza l’ossidazione del ferro e provvede alla filtrazione del precipitato formato.
