Salinizzazione degli acquiferi costieri – riassunto

Per introdurre l’argomento, iniziamo a parlare di “scambio ionico”, che abbiamo già accennato nei capitoli precedenti. È inserito tra i processi d’alterazione delle rocce, anche se non provoca un’alterazione nel senso di disgregazione del minerale, ma riguarda una serie di fenomeni d’interazione tra acque naturali e rocce.
Come suggerisce il nome, esso consiste nello scambio di ioni, ed è un fenomeno che avviene nell’interfaccia tra solido e liquido (riguarda soprattutto le acque sotterranee). Tutte le superfici dei solidi si differenziano dalle loro parti interne; avremo atomi che hanno legami occupati verso l’interno e liberi verso l’esterno. Questa particolare condizione fa si che la superficie dei solidi spesso carica e molto più attiva di quella interna.
Quindi, in corrispondenza della superficie, si creano punti a carica non neutra che tendono ad attrarre ioni con carica opposta.
E’ importante introdurre il concetto di “adsorbimento”, ovvero quel processo d’interfaccia (tra solido ed acqua a contatto) che porta alla formazione di una specie di guscio di ioni di carica opposta rispetto a quelli della superficie del solido. Questi ioni sono tenuti insieme da legami di natura elettrostatica (dipolo – dipolo, dipolo indotto …), quindi legami deboli (perché i legami forti si creano nell’absorbimento, ovvero il fenomeno che riguarda la parte interna del solido). Il fatto che si tratti di legami deboli fa si che si realizzino facilmente, ma che altrettanto facilmente si rompano; infatti questo guscio di ioni che circonda il granulo può scambiarsi, cioè modificare la sua composizione per effetto di scambi di ioni con l’acqua a contatto.
Una volta che il granulo si è circondato di ioni, perché avviene questo scambio ionico con l’acqua?
Perché va pensato come un processo all’equilibrio; cioè, se il guscio è composta da ioni tutti uguali (ad esempio, Na⁺), Na con la superficie forma un legame debole. Se nell’acqua nel frattempo arriva uno ione che ha caratteristiche più favorevoli alla realizzazione di un legame con la superficie più forte di quello che si forma con Na (ad esempio, come può avvenire con il Ca²⁺, per via della carica bivalente, del raggio atomico più adatto …), Na viene ceduto e Ca viene preso.
Nella prima figura la superficie del solido è satura di ioni Na, che sono stati adsorbiti; l’acqua ha un’alta concentrazione di Ca. Come si vede nelle figure seguenti, il calcio entra a contatto con la superficie al posto del sodio, perché quest’ultimo è monovalente mentre il primo è bivalente (ricordiamoci che per gli scambi ionici conta molto la quantità di carica).
Questo processo va avanti finché non si stabilisce un equilibrio.
Lo scambio ionico si innescherà nuovamente quando, dopo che ho stabilito un equilibrio, arriverà un’acqua diversa che va a scombussolare l’equilibrio precedentemente stabilito; il sistema, quindi, si rimetterà a scambiare ioni fino al ristabilimento di un nuovo equilibrio. Ovviamente, più superficie specifica c’è più ioni possono essere scambiati.
I principali fattori che controllano tipo e capacità di scambio sono:
– superficie specifica: granuli più fini adsorbono di più;
– mineralogia: i granuli dei depositi all’interno dei quali si possono formare acquiferi posso essere costituiti da minerali diversi (ogni minerale ha una tendenza a formare un guscio di ioni adsorbiti);
– contenuto di materia organica: più è grande il contenuto di materia organica, più è alta la capacità di adsorbimento;
– contenuto di ossidi ed idrossidi: ad esempio, Fe ed Mn adsorbono moltissimo;
– pH: in presenza di un pH acido (grande quantità di ioni H⁺), c’è più adsorbimento.

Adesso facciamo un po’ di nomenclatura …
Capacità di scambio cationico (CEC): è la quantità totale di ioni che un certo materiale è in grado di scambiare, e si esprime in [m.eq/Kg]. È costante perché corrisponde alla quantità di carica disponibile nel complesso di scambio;
Cationi totali scambiati: è variabile perché dipende dalla natura monovalente o polivalente dei cationi scambiabili. Si esprime in [m.moli/Kg];
Complesso di scambio: è l’insieme di ioni adsorbiti in grado di scambiarsi con gli ioni dell’acqua a contatto.

Praticamente, l’effetto immediato del contatto è l’innesto di processi di scambio ionico che procedono fino al raggiungimento della condizione d’equilibrio. La reazione di scambio ionico è:

AX + B⁺ = BX + A⁺

Se A = Na, AX corrisponde al sodio adsorbito su un complesso di scambio di un materiale X.
Tale reazione chimica è sottoposta ad una costante d’equilibrio (che dipende dai fattori visti precedentemente, ovvero mineralogia, pH …) :

K_eq = [BX] x [A⁺] / [AX] x [B⁺] in genere: K_eq ≠ 1
ovvero:
[A⁺] e [B⁺]= concentrazione del sodio/potassio in acqua
[BX] e [A⁺]= concentrazione del potassio/sodio nel complesso di scambio

La sostanziale differenza è che in questo caso il solido compare nella costante d’equilibrio, quando normalmente ciò non si verifica; non possiamo attribuirgli concentrazione pari ad “1” perché ho un complesso di scambio dinamico. Esiste in natura la possibilità che arrivi dell’acqua molto diversa rispetto a quella che si era accumulata tra i pori della roccia del sedimento?
Certamente, soprattutto nelle “aree costiere”. Andiamo quindi a descrivere tali processi in questo tipo di ambienti; avvengono due processi: quello di salinizzazione (processo per il quale un acquifero costiero aumenta progressivamente il contenuto di sali disciolti per effetto di un’ingressione marina verso terra) ed addolcimento (un acquifero originariamente occupato da acque salmastre viene progressivamente occupato da acque dolci continentali).
I processi di salinizzazione sono sì molto frequenti lungo le coste (dato che l’ingressione marina è il fenomeno più importante in questo campo), ma tali processi avvengono anche per l’entrata in gioco di acque connate o fossili.
Per un quadro più generale della situazione, elenchiamo i processi di salinizzazione delle acque:
– ingressione marina;
– drenaggio e mescolamento con acque ad elevata salinità (connate, fossili, geotermiche);
– progressiva mineralizzazione indotta da una prolungata interazione acqua/roccia;
– processi evaporativi con conseguente concentrazione dei sali disciolti;
– lisciviazione di rocce costituite da minerali ad elevata solubilità (evaporiti);

Le principali cause della salinizzazione degli acquiferi costieri sono:
1) cambiamenti climatici: innalzamento del livello del mare medio ed aumento dell’intensità delle precipitazioni. Infatti, all’aumentare del livello del mare, si ha uno spostamento dell’interfaccia verso terra. Conseguentemente, in un tempo 1 il pozzo aspirava acqua dolce, e in un tempo 2 potrei progressivamente iniziare ad aspirare acqua salata.

2) eccessivi emungimenti;
3) diffusa impermeabilizzazione del suolo (per colpa dell’urbanizzazione);
Tutte queste cause fanno sì che gli acquiferi costieri tendano a diminuire la componente diluita nell’acqua aumentando quella salata.

I principali processi geochimici in atto durante i processi di salinizzazione ed addolcimento sono:
– mescolamento conservativo: i componenti presenti in soluzione alla fine hanno una concentrazione che è il risultato del mescolamento;
– scambi ionici;
– dissoluzioni e precipitazioni;
– processi redox;
parliamo pi attentamente del mescolamento conservativo …
Mescolamento conservativo binario (acqua marina + acqua dolce):

Cm = (Xsw x Csw) + (Xf x Cf)
Xsw + Xf = 1
dove:
Cm = concentrazione di un elemento qualsiasi nell’acqua che si è mescolata;
Xsw = frazione di acqua di mare che ha prodotto il mescolamento;
Csw = concentrazione dello stesso elemento nell’acqua di mare;
Cf = concentrazione dello stesso elemento in acqua dolce;
Xf = frazione d’acqua dolce che si è mescolata.

Queste due equazioni costituiscono il sistema del bilancio di massa; ma quante variabili ci sono?
Cm, Csw e Cf le posso misurare, Xsw ed Xf le devo calcolare invece:

Cm = (Xsw x Csw) + [(1 – Xsw) x Cf]

ma Cm è comunque difficile da calcolare, perché a quale ione mi riferisco? I cationi li escludiamo perché effettuano scambio ionico; HCO₃^– non lo tengo in considerazione perché potrebbe precipitare o dissolversi. Quindi tra i sette ioni fondamentali rimangono Cl^– e SO₄^2-, ma quest’ultimi possono consumarsi trasformandosi in H₂SO₄ ; in conclusione, Cm lo calcolo utilizzando il cloro. Quindi  Cf = 0 (dato che in acqua di mare ho 21000 mg/L di Cl, in quella continentale 10 o massimo 15 …); possiamo dunque ottenere:

Cm = Xsw x Csw  Xsw = Cm / Csw
C_mis – C_calc = C_react :

 se C_react = 0 il valore di Na è esattamente quello che mi aspetto; il sodio si comporta come il cloro (assenza di scambio ionico).
 se C_react > 0 ho più sodio di quello che dovrei avere (stando a quello che ho calcolato). Che potrebbe essere successo? È entrato sodio da qualche parte … e da dove potrebbe venire? Dalle “interazioni veloci” con le rocce; accade quasi sempre negli acquiferi costieri grazie agli scambi ionici”. Se ho più sodio di quello che dovrei avere, si sta verificando un addolcimento.
 se C_react < 0 ho meno sodio di quello che dovrei avere (stando a quello che ho calcolato). Questa volta cosa potrebbe essere successo? L’acqua di mare si sta sa linizzando, cedendo Ca e prendendo Na, al contrario del caso precedente.