Il processo di rimozione del ferro dalle acque: reazione e diagramma di Pourbaix
Le elevate concentrazioni di ferro nelle acque possono causare una serie di problemi, pertanto è essenziale 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 terrestri varia con la profondità, con massima presenza nel nucleo, costituito probabilmente da una lega di ferro e nichel, e un calo fino al 4,75% nella crosta terrestre.
Il ferro si trova nel terreno a basse concentrazioni e nelle acque sotterranee, presentandosi nella forma solubile Fe^2+ o Fe(OH)^+ e sotto forma di Fe^3+ o come idrossido di ferro (III) scarsamente solubile. La presenza del ferro nelle acque può anche avere origine industriale, in particolare dall’industria mineraria o siderurgica. Sebbene il ferro non presenti in genere un pericolo per la salute umana o per l’ambiente, livelli eccessivi possono essere dannosi, conferendo all’acqua una colorazione scura e un gusto metallico rendendola sgradevole per il consumo. Inoltre, 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. Questi batteri accelerano la reazione che avviene naturalmente tra ossigeno e ioni Fe^2+ presenti nell’acqua o sulla superficie di tubazioni metalliche, catturando l’energia rilasciata dal processo di ossidazione e utilizzandola per il proprio metabolismo.
La reazione che avviene è la seguente:
4 Fe(OH)_2 + 2H_2O + O_2 → 4 Fe(OH)_3
In acqua aerata, avviene un’ossidazione dello ione ferro (II) a ferro (III) che precipita come idrossido di ferro (III). 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.
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. 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 Fe^2+ per via chimico-fisica si ottiene aumentando il potenziale redox dell’acqua per ossidazione grazie all’ossigeno presente nell’aria. In caso di acqua acida, il trattamento di ventilazione deve essere unito a una correzione del pH in modo che lo ione Fe^2+ sia ossidato a Fe^3+ che precipita come idrossido di ferro (III). La precipitazione per ossidazione chimica può essere ottenuta anche usando agenti ossidanti forti quali il diossido di cloro ClO_2, l’ozono O_3 o il permanganato di potassio KMnO_4.
Sono in commercio filtri deferrizzatori costituiti da un serbatoio contenente il minerale pirolusite costituito da biossido di manganese MnO_2. L’acqua da trattare è saturata di ossigeno e successivamente attraversa il letto filtrante dove subisce l’ossidazione del ferro. Esso precipita sul letto filtrante che ha la proprietà catalizzatrice nei riguardi dell’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.