In questo capitolo vogliamo mostrare il comportamento del calcare quando abbiamo una piccola quantità di Zinco nell’acqua.
Poichè molte spiegazioni hanno a che fare con la chimica stessa, avvertiamo che il calcare, nelle sue varie forme, non è altro che Carbonato di Calcio, cioè CaCO3.
Iniziamo con il parlare anche delle fasi iniziali della creazione del Carbonato di Calcio e dei fattori generali che influenzano queste fasi, in quanto la loro definizione ci aiuterà a comprendere meglio il rapporto con lo Zinco:
- Chiamiamo “periodo di induzione”, il tempo che passa dalla creazione della prima molecola di Carbonato di Calcio alla formazione dei primi nuclei.
- Successivamente avremo la “nucleazione” che è la crescita di tutti questi minuscoli nuclei, per poi avere quanto segue.
- La “crescita del cristallo” quando sta già cominciando ad avere dimensioni maggiori.
Queste tre fasi sono molto importanti in quanto definiscono la resistenza e la durezza di ogni strato. Pertanto, a seconda delle condizioni iniziali in cui si trova l’acqua, avremo un risultato o l’altro.
Successivamente, elenchiamo i parametri che influenzano questa creazione, in ordine di importanza:
1) Contenuto di Calcio: è il parametro più importante di tutti, quindi più alto è il contenuto di Calcio più ci sono incrostazioni.
Tuttavia, la quantità finale di Carbonato di Calcio che avremo sarà limitata dalla quantità di Bicarbonati, la molecola con cui il Calcio è precedentemente legato. Quindi, maggiore è la durezza temporanea (e non la durezza totale, per ulteriori informazioni vedere il blog), maggiore è il livello di saturazione e maggiore è la quantità di incrostazioni.
Ca2+ + 2HCO3– <=> CaCO3 + CO2 + H2O
2) pH: l’effetto del pH è più significativo della temperatura. Sperimentalmente, è stato dimostrato (1) che un aumento di pH da 7 a 8 genera una scala cinque volte superiore a una variazione di temperatura di 70 °C in campioni di uguale durezza.
D’altro canto, le soluzioni altamente alcaline sono più inclini alla formazione di cristalli di aragonite rispetto alla calcite (2).
3) Temperatura: maggiore è la temperatura, maggiore è il rilascio di CO2 e quindi si creeranno più incrostazioni a causa dello squilibrio nella reazione precedente. Più alta è la temperatura, più breve è il periodo di induzione.
Quindi, se abbiamo una bassa temperatura avremo bisogno o di un alto pH o di un alto contenuto di Calcio (o entrambi allo stesso tempo) affinché precipiti il CaCO3.
Ma la temperatura è importante anche per altri motivi: normalmente la prima fase di cristallizzazione inizierà con l’aragonite, soprattutto ad alte temperature, per poi ricristallizzarsi e formare calcite.
Per cui, troviamo che sotto i 50 ºC – 60 ºC la calcite è il cristallo più stabile termodinamicamente. Al di sopra di questo limite l’aragonite sarà il cristallo che si forma e nello stesso margine potranno essere presenti i due cristalli (3).
In questo modo, è stato dimostrato che, nelle caldaie con test di breve durata e ad alta temperatura si possono trovare depositi di aragonite nelle resistenze (4).
4) Velocità dell’acqua: è stato dimostrato che le incrostazioni si riducono mentre la portata dell’acqua si riduce (5). La logica di quanto sopra può essere trovata anche nella convinzione che più velocemente passa l’acqua, maggiore è il contenuto di Calcio.
5) Qualità dell’acqua: la presenza di impurità organiche e inorganiche può influenzare significativamente il processo di crescita dei cristalli (6).
Le impurità contenenti gli ioni Fe2+, Mg2+, Ni2+, Co2+, Zn2+, Cu2+ favoriscono la formazione di aragonite quando le condizioni sono favorevoli alla calcite. Si registra inoltre un aumento del periodo di induzione.
Le impurità con Mn2+, Cd2+, Sr2+, Pb2+ e Ba2+ favoriscono la presenza di calcite.
L’opinione generale è che la presenza di particelle nella precipitazione del Carbonato di Calcio indebolisca la struttura dell’incrostazione (7). È stato inoltre dimostrato che, a causa della presenza di alcune impurità nell’acqua, l’aragonite può essere stabilizzata e ritardare la nucleazione del Carbonato di Calcio a temperatura ambiente (8).
Infine, vorremmo richiamare l’attenzione sulle acque naturali e sintetiche che vengono normalmente utilizzate nei laboratori di sperimentazione, in quanto le differenze tra i due generano differenze molto marcate. Le acque naturali sono più resistenti alle precipitazioni del Carbonato di Calcio e possiamo constatare che, a parità di durezza e ad una temperatura di 70 ºC, le incrostazioni nell’acqua naturale sono fino al 40 % inferiori.
6) Materiale nelle tubazioni: la forza dell’adesione delle incrostazioni a ogni tipo di materiale dipende dal grado di rugosità di quella superficie. Possiamo citare, dalla maggiore a minore rugosità: Rame, Alluminio, Acciaio zincato, Ottone, Acciaio inox… (9).
Prima di iniziare a parlare dello Zinco, la prima cosa da notare è che, quest’ultimo è il miglior minerale tra tutti quelli naturalmente presenti in acqua per evitare incrostazioni. È stato anche dimostrato che la sua dissoluzione elettrolitica e il fatto di avere il Rame come catodo ha un risultato molto migliore rispetto a una dissoluzione chimica (10).
Questi sarebbero gli effetti:
A) Periodo di induzione
Lo Zinco lo ritarda ancora di più se è in rapporto alla quantità di Calcio presente nell’acqua. Questo effetto comincia ad essere notato sopra lo 0,06×10-3 Zn/Ca (11), cioè se abbiamo 100 mg/l di Calcio abbiamo bisogno di almeno 0.006 mg/l di Zinco per vedere qualsiasi effetto.
Anche la precipitazione del Carbonato di Calcio inizia con un pH più elevato in presenza di Zinco.
Prima di passare alla nucleazione non si può ignorare un altro fenomeno che è quello dell’inibizione, cioè la presenza di blocchi di Zinco e la creazione di Carbonato di Calcio. E’stata registrata una inibizione fino al 80 % in condizioni di alto contenuto di Zinco e temperature intorno ai 40 °C (12).
B) Nucleazione:
Poiché lo Zinco precipita preferenzialmente sotto forma di Carbonato di Zinco (circa il 40 % del totale) e questo cristallo è molto simile alla calcite, blocca la crescita e fa precipitare il Carbonato di Calcio sotto forma di aragonite.
C) Crescita del cristallo:
Lo Zinco rallenta la crescita dei cristalli.
E’ da notare che, a seconda del rapporto Zn/Ca, questo sarà il tasso di conversione dei cristalli di calcite in aragonite. Non dimenticate che nel risultato finale sia dell’inibizione percentuale che della conversione dei cristalli, i parametri chimici discussi sopra aiuteranno o peggioreranno il risultato finale.
Per riassumere quanto sopra, possiamo dire che un’acqua naturale, conforme alla legislazione e quindi definita potabile, con una durezza totale fino a 45 °f e per temperature intorno a 80 °C, avrà degli inibitori elettrolitici del calcare di Zinco con i seguenti risultati:
- Inibizione della formazione di depositi calcarei intorno al 20 % – 30 %.
- Degli altri 80 % – 70 % di depositi calcarei formatisi, il cristallo che si creerà sarà principalmente aragonite (circa 80 % – 90 %), un cristallo non incrostante che viene trascinato e inviato dalla corrente stessa allo scarico.
Questi risultati possono essere migliorati in quanto avremo un contenuto di Calcio più basso, un pH basso, una temperatura bassa e/o di breve durata, basse portate d’acqua e una elevata conducibilità o presenza di minerali.
(1) Dawson, 1990
(2) Kitamura et al., 2002
(3) Coetzee et al., 2006
(4) Andritsos et al., 1997
(5) Müller-Steinhagen, 2000
(6) Gabrielli et al., 1999
(7) Andritsos e Karabelas, 2.003
(8) Söhnel e Mullin, 1982
(9) Keysar et al., 1994
(10) MacAdam e Parsons 2004
(11) Coetzee et al., 1996
(12) Meyer 1984
