Come misurare il residuo fisso dell’acqua

Non tutti lo sanno, ma esistono due modi semplici per misurare il cosiddetto “residuo fisso” dell’acqua, ad esempio, del rubinetto, di un pozzo o di una bottiglia di minerale: l’uso di un misuratore digitale di residuo fisso (o TDS), o di un metodo fai-da-te.

Il residuo fisso è un importantissimo parametro utilizzato per classificare le acque minerali e le acque potabili, ed indica la quantità totale di sostanze chimiche disciolte nell’acqua, che viene solitamente espressa in mg/l.

In pratica, le acque potabili e/o minerali si classificano in: acque minimamente mineralizzate o ipominerale (residuo fisso inferiore a 50 mg/l); acque oligominerali o leggermente mineralizzate (residuo fisso compreso fra 50 e 500 mg/l); acque minerali o mediominerali (residuo fisso compreso tra 500 e 1.500 mg/l); acque ipermineralizzate o ricche di sali minerali (residuo fisso superiore a 1.500 mg/l).

Perché è importante conoscerlo

In generale, un’acqua minimamente mineralizzata riduce la quantità di sali minerali utili all’organismo; un’acqua oligominerale mantiene la quantità di sali utili all’organismo; un’acqua medio minerale apporta sali minerali utili all’organismo; un’acqua ipermineralizzata apporta una forte quantità di sali minerali. Perciò, conoscere il residuo fisso dell’acqua che si beve è davvero importante.

Il residuo fisso è direttamente correlato alla purezza dell’acqua e alla qualità dei sistemi di purificazione dell’acqua, dunque è molto utile conoscerlo in maniera affidabile e indipendente. Naturalmente, nel caso di un’acqua minerale misura il grado di purezza o di mineralizzazione dell’acqua, mentre nel caso dell’acqua di rubinetto fornita dall’acquedotto dà qualche indicazione anche sul livello di purificazione.

Inoltre, se misuriamo il residuo fisso dell’acqua che esce dal rubinetto e poi decidiamo di adottare un sistema di filtrazione dell’acqua domestico, possiamo cercare di valutare la sua efficacia misurando il residuo fisso anche dell’acqua a valle dei nostri filtri, ad esempio utilizzando un semplice misuratore di residuo fisso oppure adottando il metodo di misura “fai da te” che illustreremo.

La misura del residuo fisso è fondamentale per verificare l’efficienza, ad esempio, di un sistema domestico di purificazione dell’acqua ad osmosi inversa come quelli proposti qui.

L’acqua può anche raccogliere metalli come piombo o il rame mentre viaggia attraverso i tubi usati per distribuire l’acqua ai consumatori. Si noti che l’efficacia dei sistemi di purificazione dell’acqua nella rimozione del residuo fisso si ridurrà nel tempo, pertanto è altamente raccomandato monitorare anche la qualità di un filtro o membrana e di sostituirli sempre quando è necessario.

Anche i migliori sistemi di purificazione dell’acqua sul mercato richiedono il monitoraggio del residuo fisso per garantire che i filtri e/o le membrane rimuovano efficacemente particelle e sostanze indesiderate dall’acqua. Più l’acqua che beviamo è pura, più è alta la sua capacità di raccogliere dal nostro corpo le sostanze chimiche che assorbiamo dall’aria e dal cibo, ripulendoci.

Composizione e livelli sospetti

Il residuo fisso si riferisce a tutti i minerali, sali, metalli, cationi o anioni disciolti in un dato volume di acqua, compresi quelli presenti in acqua diversa dalla molecola di acqua pura (H₂0) ed i solidi sospesi (cioè particelle o sostanze che non sono né disciolte né stabili nell’acqua, come ad es. la segatura di legno o la limatura di ferro). Talvolta, esso è espresso anche in parti per milione (ppm).

Il residuo fisso proviene anche da materiali inorganici come rocce e aria, che possono contenere bicarbonato di calcio, azoto, ferro, fosforo, zolfo e altri minerali. Molti di questi materiali formano sali, che sono composti contenenti sia un metallo che un non metallo. I sali di solito si dissolvono nell’acqua formando ioni. Gli ioni sono particelle che hanno una carica positiva o negativa.

Nel caso di acque di superficie – o, più in generale, di acque solitamente non potabili – una parte del residuo fisso può provenire da fonti organiche come foglie, limo, plancton, rifiuti industriali e liquami. Altre fonti di residuo fisso provengono dal deflusso dalle aree urbane, dai sali usati su strade e marciapiedi durante l’inverno e dai fertilizzanti e pesticidi usati nei giardini e nelle fattorie.

Se stiamo valutando un’acqua diversa da quella minerale o da quella dell’acquedotto – come ad es. quella di acque superficiali o di un pozzo – allora sarà utile sapere che l’Agenzia per la Protezione dell’Ambiente (EPA) statunitense consiglia un livello massimo di residuo fisso pari a 500 mg/l, equivalenti a 500 ppm.

I livelli di residuo fisso ideali e non per l’acqua di rubinetto.

Quando i livelli di residuo fisso superano i 1000 mg/l, generalmente l’acqua non di sorgente è considerata inadatta al consumo umano. Un alto livello di residuo fisso è un indicatore di potenziali preoccupazioni e indica la necessità di ulteriori indagini. Molto spesso, alti livelli di residuo fisso sono causati dalla presenza di potassio, cloruri e sodio. Questi ioni hanno effetti piccoli o nulli sul breve termine, ma anche ioni tossici (arsenico, piombo, cadmio, nitrati e altri) potrebbero essere dissolti nell’acqua.

I metodi di misurazione più usati

I professionisti misurano di solito il residuo fisso come residuo perfettamente secco a 180 °C, facendo evaporare in una capsula di platino, precedentemente tarata, una quantità nota di acqua. Per determinare correttamente il residuo fisso, dopo l’evaporazione si riscalda la capsula a 100 °C fino a peso costante e poi si riscalda di nuovo a 180 °C, sempre fino a peso costante.

Il metodo appena descritto è il metodo gravimetrico per la misura del residuo fisso. Esso è il più preciso e comporta l’evaporazione del solvente liquido e la misurazione della massa dei residui rimasti. Questo metodo è generalmente il migliore, anche se richiede molto tempo. Se i sali inorganici comprendono la grande maggioranza del residuo fisso, il metodo gravimetrico è appropriato.

L’altro principale metodo di misurazione del residuo fisso sfrutta la conducibilità elettrica. Infatti, in generale, la concentrazione del residuo fisso è la somma degli ioni cationici (caricati positivamente) e degli anioni (caricati negativamente) nell’acqua. Pertanto, la conduttività elettrica dell’acqua è direttamente correlata alla concentrazione di sostanze ionizzate disciolte nell’acqua.

Gli ioni delle sostanze disciolte nell’acqua danno a quest’ultima la capacità di condurre una corrente elettrica, che può essere misurata usando un tester convenzionale oppure un misuratore di residuo fisso. Se correlata con le misurazioni di laboratorio del residuo fisso, la conducibilità fornisce un valore approssimativo per il residuo fisso, solitamente con un’accuratezza del 10%.

Si può “scoprire” la relazione lineare fra conducibilità elettrica e residuo fisso anche riportando i rispettivi valori tratti dalle etichette di varie acque minerali con diverso grado di mineralizzazione, come abbiamo fatto scegliendo “a caso” quelle mostrate in tabella e riportando poi i relativi valori su un grafico. Come si vede, i vari punti giacciono tutti in prossimità di una retta interpolante.

Una serie di acque minerali italiane scelte a caso nel relativo database.

Il relativo grafico mostra una chiara relazione fra conducibilità elettrica e residuo fisso.

L’acqua pura ha praticamente una conducibilità pari a zero. Infatti, la sua conducibilità è di solito circa 100 volte il totale dei cationi o degli anioni espressi come equivalenti. Il residuo fisso viene calcolato moltiplicando la conducibilità misurata per un determinato coefficiente. In genere, maggiore è il livello di conducibilità, e maggiore è il coefficiente da usare per determinare il residuo fisso.

La relazione tra il residuo fisso (RF) e la conducibilità elettrica (CE) specifica delle acque sotterranee può dunque essere approssimata dalla seguente equazione: RD = k EC, dove il residuo fisso è espresso in mg/l e la conducibilità elettrica in microsiemens per centimetro (μS/cm) a 25 °C. Il fattore di correlazione k varia tra 0,55 e 0,8 e dipende solo leggermente dal livello di conducibilità dell’acqua.

Il misuratore elettronico di residuo fisso

Un misuratore di residuo fisso (o, in inglese, “TDS meter”, da Total Dissolved Solids) è un apparecchio low-cost per la misurazione di questo parametro che si basa, dunque, sulla conducibilità elettrica dell’acqua. I solidi ionizzati disciolti, come sali e minerali, aumentano infatti la conducibilità di una soluzione.

Un esempio di misuratore di residuo fisso (o TDS meter) acquistabile su Internet qui.

I solidi organici disciolti (come ad es. lo zucchero) e le particelle solide microscopiche (come ad es. i colloidi), non influiscono in modo significativo sulla conducibilità di una soluzione e non vengono presi in considerazione dal misuratore di residuo fisso. Per questo, il modo più accurato per misurare tutto il residuo presente in acqua è il metodo gravimetrico illustrato in precedenza.

In pratica, è possibile stimare la quantità di residuo fisso determinando la conducibilità elettrica dell’acqua facendo passare una piccola corrente attraverso di essa. In modo simile a quanto succede usando un ohm-metro e, misurando la tensione e la corrente risultante, viene calcolata la conducibilità.

Il residuo fisso viene calcolato dall’apparecchio molto semplicemente, moltiplicando la conducibilità elettrica per un coefficiente che va da 0,5 a 1,0, a seconda dei livelli di conducibilità elettrica. Molti misuratori di residuo fisso visualizzano il livello di residuo fisso in parti per milione (ppm): 1 ppm indica 1 milligrammo di solidi disciolti per kg di acqua (in pratica, è pari a 1 mg/l).

La conversione da conducibilità elettrica a residuo fisso può talvolta portare ad errori significativi, in ​​quanto il coefficiente di conversione è diverso per i diversi solidi disciolti. Ad esempio, per convertire la conducibilità elettrica dovuta al cloruro di potassio in residuo fisso, il coefficiente di conversione è 0,50-0,57. Il cloruro di sodio ha un coefficiente di conversione di 0,47-0,50.

Un doppio misuratore di residuo fisso per purificatori ad osmosi inversa. Ne potete trovare alcuni ottimi esempi a basso costo cliccando qui.

Alcuni minerali disciolti, in genere, possono richiedere anche un coefficiente di conversione di 0,85. Inoltre, il coefficiente di conversione varia con la temperatura e solo i misuratori di residuo fisso più sofisticati misurano la temperatura della soluzione e compensano il risultato per questo fattore. In compenso, quelli più economici non costano molto e possiamo testarli prima sulle acque minerali.

Un semplice metodo alternativo “fai da te”

Dato che la relazione fra conducibilità elettrica e residuo fisso è una semplice relazione lineare, possiamo misurare abbastanza facilmente il residuo fisico di un’acqua “incognita” (ad es. quella di un rubinetto, di un pozzo, o di un acqua minerale di cui “non ci fidiamo”) usando un comunissimo tester digitale – cioè un multimetro elettronico – che trovate per circa 20 euro nei negozi di bricolage oppure online qui.

Supponiamo di aspettarci che il residuo fisso dell’acqua incognita sia di circa 300 mg/l. Allora andremo in uno o più supermercati e ci procureremo, ad esempio, una bottiglia di acqua minerale con un residuo fisso simile, due bottiglie di altrettante acque minerali con un residuo fisso superiore a 300 mg/l e altre due bottiglie di altrettante acque minerali con un residuo fisso inferiore a 300 mg/l.

A questo punto, riportiamo su un foglio elettronico i valori di conducibilità elettrica e di residuo fisso di ciascuna acqua minerale, ottenendo una tabella e successivamente un grafico. In questo modo, possiamo verificare che i punti del grafico sono allineati approssimativamente su una retta. Se così non è, acquisteremo bottiglie di altre marche in aggiunta, in modo da aumentare i punti sul grafico.

Il grafico preparatorio che possiamo fare scegliendo opportunamente le acque minerali.

Per aggiungere la retta interpolante i punti su un grafico Excel, basta andare con il mouse sopra uno dei punti in questione e fare clic sul tasto destro del mouse. A quel punto apparirà un menu comprendente l’opzione “Aggiungi linea di tendenza”, che di default è una retta. Dunque, possiamo usare queste acque minerali per calibrare il nostro misuratore fai-da-te di residuo fisso.

In pratica, prenderemo una tazza o un becker e lo riempiremo con l’acqua della prima di queste bottiglie, per poi misurarne la conducibilità elettrica con il nostro tester. Il bello è che non ci interessano misurazioni di conducibilità elettriche assolute – con tutte le complicazioni legate alle unità di misura, etc. – ma solo misurazioni relative, assai facili da fare anche per uno scienziato dilettante.

Dato che la conducibilità elettrica è uguale a una corrente diviso una tensione, se applichiamo una tensione fissa fra due elettrodi – come ad es. quella fornita da una pila da 9 V nuova – ci basterà misurare la corrente che fluisce nel circuito (v. figura qui sotto), e poi ripetere la misurazione della corrente per tutte le altre acque minerali e, infine, anche per l’acqua che vogliamo analizzare. Gli elettrodi devono essere a distanza sempre uguale, meglio quindi se montati su una stessa sonda come nei pH-metri.

Schema del circuito per la misura della conducibilità elettrica dell’acqua.

Alla fine avremo una tabella con in una colonna dei valori di corrente (in mA) e in quella accanto i valori di residuo fisso riportati in etichetta. I valori di corrente sono proporzionali alla conducibilità elettrica, e questa è a sua volta proporzionale al residuo fisso. Quindi potremo di nuovo realizzare un grafico e determinare la retta interpolante i punti, come fatto in precedenza. A quel punto, ci basterà vedere che valore di residuo fisso corrisponde alla corrente misurata per il campione da analizzare.

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Riferimenti bibliografici

• Total Dissolved Solids, https://en.wikipedia.org/wiki/Total_dissolved_solids
• Determining the total dissolved solids of a solution, http://www.chemistryland.com/CHM130FieldLab/Lab2/Lab2.html
• How to test water: total dissolved solids, http://www.toxicwatersolution.com/Water-Quality-and-Water-Toxicity/How-to-Test-Water/Total-Dissolved-Solids-TDS/
• TDS meter, https://en.wikipedia.org/wiki/TDS_meter
• Database delle acque minerali, http://www.acqueinbottiglia.fondazioneamga.org/ricerca.asp