ion exchange with bottom sediments

Environmental Chemistry
Prof. Rita Giovannetti
[email protected]
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Kinds of Colloidal Particles
Colloids may be classified as
hydrophilic colloids,
hydrophobic colloids,
association colloids.
Tipi di particelle colloidali.
Colloidi possono essere classificati come colloidi idrofili, i colloidi idrofobi, o colloidi di
associazione.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Kinds of Colloidal Particles

Hydrophilic colloids….
consist of macromolecules, such as proteins and synthetic
polymers,
that are characterized by strong interaction with water
resulting in spontaneous formation of colloids when they are
placed in water.
Colloidi idrofili consistono generalmente di macromolecole, come proteine ​e polimeri
sintetici, che sono caratterizzate da forte interazione con l'acqua causando la formazione
spontanea di colloidi quando vengono immessi in acqua.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Kinds of Colloidal Particles

….hydrophilic colloids.
are solutions of very large molecules or ions.
Suspensions of hydrophilic colloids
are less affected by the addition of salts to water than are
suspensions of hydrophobic colloids.
i colloidi idrofili sono soluzioni di molecole molto grandi o ioni. Sospensioni di colloidi
idrofili risentono meno dell'aggiunta di sali in acqua rispetto a sospensioni dei colloidi
idrofobi.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Kinds of Colloidal Particles….

Hydrophobic colloids interact to a lesser extent with water and
are stable because of their positive or negative electrical charges.
The charged surface of the colloidal particle and the counter-ions
that surround it compose an electrical double layer, which causes
the particles to repel each other.
Colloidi idrofobi interagiscono in
misura minore con l'acqua e sono
stabili a causa della loro carica
positiva o negativa. La superficie
carica della particella colloidale e
il contro-ioni che la circondano
compongono uno doppio strato
elettrico, che porta ad una
repulsione delle particelle che si
respingono.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Kinds of Colloidal Particles….


Hydrophobic colloids are usually caused to settle from
suspension by the addition of salts.
Examples of hydrophobic colloids are clay particles, petroleum
droplets, and very small gold particles.
Colloidi idrofobi sono di
solito causati da stabilirsi
dalla sospensione con
l'aggiunta di sali.
Esempi di colloidi idrofobi
sono particelle di argilla, le
goccioline di petrolio, oro e
particelle molto piccole.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER

Association colloids consist of special aggregates of ions and
molecules called micelles.
To understand how this occurs, consider sodium stearate, a typical
soap:
Colloidi di associazione consistono di speciali aggregati di ioni e molecole
chiamate micelle.
Per capire come ciò si verifica, si può considerare lo stearato di sodio, un tipico
sapone:
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
The stearate ion has both a hydrophilic -CO2- head
and a long organophilic tail, CH3(CH2)16–.
As a result, stearate anions in water tend to form clusters
consisting of as many as 100 anions clustered together with
their hydrocarbon “tails”
on the inside of a spherical colloidal particle and their ionic
“heads” on the surface in contact with water and with Na+
counterions.
Lo ione stearato ha sia un idrofilo-CO2- in testa e una lunga coda organofila, CH3
(CH2)16 -. Come risultato, anioni stearato in acqua tendono a formare raggruppamenti
costituiti da ben 100 anioni raggruppati insieme con i loro idrocarburi "code"
all'interno di una particella sferica colloidale e la loro "testa“ionica sulla superficie a
contatto con l'acqua e con Na + controioni.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
This results in the formation
of micelles.
Micelles can be visualized
as droplets of oil about 3-4
nanometers (nm) in
diameter and covered with
ions or polar groups.
According to this model,
micelles form when a
certain concentration of
surfactant species, typically
around 1 x 10-3, is reached.
The concentration at which
this occurs is called the
critical micelle
concentration.
Ciò comporta la formazione di micelle.
Micelle possono essere visualizzate come gocce di
olio di circa 3-4 nanometri (nm) di diametro e
coperto con ioni o gruppi polari. Secondo questo
modello, le micelle si formano quando è aggiunta
una certa concentrazione di specie di tensioattivo,
in genere circa 1 x 10-3. La concentrazione a cui
ciò avviene è detta concentrazione micellare
critica.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Colloid Stability
The stability of colloids is a prime consideration in determining
their behavior.
It is involved in important aquatic chemical phenomena including
 the formation of sediments,
 dispersion and agglomeration of bacterial cells,
 dispersion and removal of pollutants (such as crude oil from an oil
spill).
La stabilità dei colloidi è una considerazione primaria nella determinazione del loro
comportamento.
Essa è coinvolta in importanti fenomeni chimici acquatici, che comprende la
formazione di sedimenti, dispersione e agglomerato di cellule batteriche, e la
dispersione e la rimozione delle sostanze inquinanti (come il petrolio greggio da una
fuoriuscita di petrolio).
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Colloid Stability
The two main phenomena contributing to the stabilization of
colloids are
hydration and surface charge.
The layer of water on the surface of hydrated colloidal particles
prevents contact, which would result in the formation of larger
units.
A surface charge on colloidal particles may prevent aggregation,
since like-charged particles repel each other.
I due fenomeni principali che contribuiscono alla stabilizzazione di colloidi sono
l'idratazione e la carica superficiale. Lo strato d'acqua sulla superficie delle
particelle colloidali idratate impedisce il contatto, il che porterebbe alla formazione di
unità più grandi. Una carica superficiale sulle particelle colloidali può impedire
l'aggregazione, in quanto le particelle cariche si respingono.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Colloid Stability
The surface charge is frequently pH dependent;
around pH 7 most colloidal particles in natural waters are
negatively charged.
Negatively charged aquatic colloids include algal cells, bacterial
cells, proteins, and colloidal petroleum droplets.
One of the three major ways in which a particle may acquire a
surface charge is by chemical reaction at the particle surface.
La carica superficiale spesso dipende dal pH; intorno a pH 7 la maggior parte delle
particelle colloidali nelle acque naturali sono caricate negativamente.
Colloidi acquatici a carica negativa includono cellule algali, le cellule batteriche,
proteine​​, e gocce di petrolio colloidale. Uno dei tre modi principali in cui una
particella può acquistare una carica superficiale è per reazione chimica, alla
superficie delle particelle.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Colloid Stability
This phenomenon,
which frequently
involves hydrogen ion
and is pH-dependent,
is typical of hydroxides
and oxides and is
illustrated for
manganese dioxide,
MnO2.
Questo fenomeno, che coinvolge
spesso ioni idrogeno ed è pHdipendente, è tipico di idrossidi e
ossidi ed è illustrato per il biossido
di manganese, MnO2.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
As an illustration of pH-dependent charge on colloidal particle
surfaces,
consider the effects of pH on the surface charge of hydrated
manganese oxide, represented by the chemical formula
MnO2(H2O)(s).
In a relatively acidic medium, the reaction
MnO2(H2O)(s) + H+  MnO2(H3O)+(s)
may occur on the surface giving the particle a net positive charge.
Come esempio della dipendenza della carica dal pH sulle superfici delle particelle
colloidali, si considerano gli effetti del pH sulla carica superficiale di ossido di
manganese idrato, rappresentata da….
In un mezzo relativamente acido, la reazione può avvenire sulla superficie della
particella dando una carica netta positiva.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
In a more basic medium,
hydrogen ion may be lost from the hydrated oxide surface
to yield negatively charged particles:
MnO2(H2O)(s)  MnO2(OH)-(s) + H+
In ambiente basico, gli ioni di idrogeno possono essere persi dalla superficie di
ossido idrato per dare particelle con carica negativa:…
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
At some intermediate pH value, called the zero point of charge
(ZPC),
colloidal particles of a given hydroxide will have a net charge of
zero,
which favours aggregation of particles and precipitation of a bulk
solid:
Number of MnO2(H3O)+ sites = Number of MnO2(OH)- sites
A valori di pH intermedi, denominati il punto di carica zero (ZPC),
particelle colloidali di un idrossido dato avrà una carica pari a zero, che favorisce
l'aggregazione delle particelle e la precipitazione di un solido:
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER
Individual cells of microorganisms that behave as colloidal
particles have a charge that is pH-dependent.
The charge is acquired through the loss and gain of H+ ion by
carboxyl and amino groups on the cell surface:
+H
3N(+
cell)CO2H
low pH
+H
cell)CO2intermediate pH
3N(neutral
H2N(- cell)CO2high pH
Le singole celle di microrganismi che si comportano come particelle colloidali
hanno una carica che è pH-dipendente.
La carica è acquisita attraverso la perdita e guadagno di ioni H + da parte di gruppi
carbossilici e amminici sulla superficie cellulare:
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER

Ion absorption is a second way in which colloidal particles
become charged.
This phenomenon involves attachment of ions onto the colloidal
particle surface
by means other than conventional covalent bonding, including
hydrogen bonding and Van der Waals interactions.
L’assorbimento ionico è un secondo modo con cui si caricano le particelle colloidali.
Questo fenomeno comporta l’assorbimento di ioni sulla superficie delle particelle
colloidali con mezzi diversi dal tradizionale legame covalente, come il legame idrogeno
e le interazioni di Van der Waals.
COLLOIDAL PARTICLES IN WATER

Ion replacement is a third way in which a colloidal particle may
gain a net charge;
for example, replacement of some of the Si(IV) with Al(III) in the
basic SiO2 chemical unit in the crystalline lattice of some clay
minerals as shown:
[SiO2] + Al(III)  [AlO2-] +Si(IV)
yields sites with a net negative charge.
Similarly, replacement of Al(III) by a divalent metal ion such as
Mg(II) in the clay crystalline lattice produces a net negative
charge.
La sostituzione ionica è un terzo modo in cui una particella colloidale può avere una
carica netta; per esempio, la sostituzione di alcuni Si(IV) con Al(III) nelle unità chimiche
base nel reticolo cristallino di SiO2 di alcuni minerali argillosi, come mostrato:… si
ottengono siti con una carica netta negativa. Allo stesso modo, la sostituzione di Al(III) da
uno ione metallico bivalente come Mg (II) nel reticolo cristallino produce una carica netta
negativa.
THE COLLOIDAL PROPERTIES OF CLAYS
Clays constitute the most important class of common minerals
occurring as colloidal matter in water.
Clays consist largely of hydrated aluminum
and silicon oxides
and are secondary minerals,
which are formed by weathering and other processes acting on
primary rocks.
Le argille costituiscono la classe più importante di minerali comuni che si ritrovano
in acqua come materia colloidale.
Le argille sono costituite prevalentemente da alluminio idratato e ossidi di silicio e
minerali secondari, e sono formate attraverso processi di erosione e di altri che
agiscono su rocce primitive.
THE COLLOIDAL PROPERTIES OF CLAYS
The general formulas of some common clays are:
• Kaolinite: Al2(OH)4Si2O5
• Montmorillonite: Al2(OH)2Si4O10
• Nontronite: Fe2(OH)2Si4O10
• Hydrous mica: KAl2(OH)2(AlSi3)O10
Le formule generali di alcune argille comuni sono:
• Caolinite: ..
• Montmorillonite: ..
• Nontronite: ..
• Mica idrata : ..
THE COLLOIDAL PROPERTIES OF CLAYS
Iron and manganese are commonly associated with clay
minerals.
The most common clay minerals are illites, montmorillonites,
chlorites, and kaolinites.
These clay minerals are distinguished from each other by general
chemical formula, structure, and chemical and physical properties.
Ferro e manganese sono comunemente associati con minerali argillosi.
I minerali argillosi più comuni sono illites, le montmorilloniti, cloriti, e caoliniti.
Questi minerali argillosi si distinguono tra loro dalla formula chimica generale,
struttura, e dalle proprietà chimiche e fisiche.
THE COLLOIDAL PROPERTIES OF CLAYS
Clays are characterized by layered structures consisting
of sheets of silicon oxide
alternating with sheets of aluminum oxide.
Units of two or three sheets make up unit layers.
Some clays, particularly the montmorillonites,
may absorb large quantities of water between unit layers, a process
accompanied by swelling of the clay.
Le argille sono caratterizzati da strutture a strati costituiti da fogli di ossido di
silicio alternati a fogli di ossido di alluminio. Unità di due o tre fogli formano
strati unitari.
Alcuni argille, in particolare le montmorilloniti, possono assorbire grandi
quantità di acqua tra gli strati unitari, un processo accompagnato da gonfiore
dell'argilla.
THE COLLOIDAL PROPERTIES OF CLAYS
Clay minerals may attain a net negative charge by ion
replacement, in which Si(IV) and Al(III) ions are replaced by
metal ions of similar size but lesser charge.
This negative charge must be compensated by association of
cations with the clay layer surfaces.
Since these cations need not fit specific sites in the crystalline
lattice of the clay, they may be relatively large ions, such as K+,
Na+, or NH4+.
Minerali argillosi possono raggiungere una carica netta negativa per la sostituzione di ioni,
in cui vengono sostituiti ioni Si (IV) e Al (III) con ioni metallici di dimensioni simili, ma
meno carichi.
Questa carica negativa deve essere compensata da associazione di cationi con le superfici
dello strato di argilla. Dal momento che questi cationi non devono adattarsi in siti specifici
nel reticolo cristallino delle argille, essi possono essere ioni di grandi dimensioni, come K +,
Na + o NH 4 +.
THE COLLOIDAL PROPERTIES OF CLAYS
These cations are called exchangeable cations and are
exchangeable for other cations in water.
The amount of exchangeable cations, expressed as milliequivalents
(of monovalent cations) per 100 g of dry clay, is called the cationexchange capacity, CEC, of the clay
and is a very important characteristic of colloids and sediments
that have cation-exchange capabilities.
Questi cationi sono chiamati cationi scambiabili e sono scambiabili con altri cationi in
acqua. La quantità di cationi scambiabili, espressa in milliequivalenti (di cationi
monovalenti) per 100 g di argilla secca, si chiama la capacità di scambio cationico, CEC,
dell’argilla ed è una caratteristica molto importante dei colloidi e dei sedimenti che hanno
capacità di scambio cationico.
THE COLLOIDAL PROPERTIES OF CLAYS
Because of their structure and high surface area per unit weight,
clays have a strong tendency to sorb chemical species from
water.
Thus, clays play a role in the transport and reactions of
biological wastes, organic chemicals, gases, and other pollutant
species in water.
Clay minerals also may effectively immobilize dissolved
chemicals in water and so exert a purifying action.
A causa della loro struttura e alta area superficiale per unità di peso, le argille hanno una
forte tendenza ad assorbire specie chimiche dall'acqua. Così, le argille hanno un ruolo nel
trasporto e reazioni di rifiuti biologici, chimici organici, gas e altre specie inquinanti in
acqua. Minerali argillosi possono anche immobilizzare efficacemente le sostanze chimiche
disciolte in acqua e così esercitare una azione purificante.
THE COLLOIDAL PROPERTIES OF CLAYS
Some microbial processes occur at clay particle surfaces and, in
some cases,
sorption of organics by clay inhibits biodegradation.
Thus, clay may play a role in the microbial degradation or
nondegradation of organic wastes.
Alcuni processi microbici si verificano sulle superfici delle particelle di
argilla e, in alcuni casi, l’ assorbimento di sostanze organiche dall’argilla
inibisce la biodegradazione.
Così, l'argilla può giocare un ruolo nella degradazione microbica o di rifiuti
organici.
AGGREGATION OF PARTICLES
The processes by which particles aggregate and precipitate
from colloidal suspension are quite important in the aquatic
environment.
For example, the settling of biomass during biological waste
treatment depends upon the aggregation of bacterial cells.
Other processes involving the aggregation of colloidal particles are
the formation of bottom sediments and the clarification of
turbid water for domestic or industrial use.
I processi attraverso cui le particelle aggregano e precipitano da sospensione colloidali
sono molto importanti per l'ambiente acquatico. Ad esempio, la sedimentazione della
biomassa durante il trattamento biologico dei rifiuti dipende dall’aggregazione delle
cellule batteriche. Altri procedimenti relativi alla aggregazione delle particelle colloidali
sono la formazione di sedimenti di fondo e la chiarificazione di acqua torbida per uso
domestico o industriale.
AGGREGATION OF PARTICLES
Particle aggregation is complicated and may be divided into the
two general classes:
 coagulation
 flocculation.


Colloidal particles are prevented from aggregating by the
electrostatic repulsion of the electrical double layers :
adsorbed-ion layer
counter-ion layer.
L'aggregazione delle particelle è complicata, e potrebbe essere divisa in due classi
generali di: coagulazione e flocculazione.
Le particelle colloidali impediscono l’aggregazione attraverso la repulsione
elettrostatica dei doppi strati elettrici: lo strato ione adsorbito e lo strato contro-ione.
AGGREGATION OF PARTICLES
Coagulation involves
the reduction of this electrostatic repulsion such that colloidal
particles of identical materials may aggregate.
Flocculation uses bridging compounds,
which form chemically bonded links
between colloidal particles and enmesh the particles in relatively
large masses called floc networks.
La coagulazione comporta la riduzione di questa repulsione elettrostatica tale che le
particelle colloidali di materiali identici può aggregare.
La flocculazione utilizza composti ponte, che formano chimicamente i legami tra le
particelle colloidali e avviluppano le particelle in relativamente grandi masse
chiamato reti floc.
AGGREGATION OF PARTICLES
Hydrophobic colloids are often readily coagulated
by the addition of small quantities of salts
that contribute ions to solution.
Such colloids are stabilized by electrostatic repulsion.
The simple explanation of coagulation by ions in solution
is that the ions reduce the electrostatic repulsion between
particles.
Colloidi idrofobi sono spesso facilmente coagulati mediante l'aggiunta di piccole
quantità di sali che apportano ioni alla soluzione. Tali colloidi sono stabilizzati dalla
repulsione elettrostatica.
La semplice spiegazione circa la coagulazione da parte degli ioni in soluzione è che
gli ioni riducono la repulsione elettrostatica tra le particelle.
AGGREGATION OF PARTICLES
Because of the double layer of electrical charge surrounding a
charged particle,
this aggregation mechanism is sometimes called double-layer
compression.
It is particularly noticeable in estuaries where sediment-laden fresh
water flows into the sea, and is largely responsible for deltas
formed where large rivers enter oceans.
A causa del doppio strato di carica elettrica che circonda una particella carica, questo
meccanismo di aggregazione è talvolta chiamato compressione a doppio strato.
E 'particolarmente evidente negli estuari, dove i sedimenti carichi di flussi di acqua dolce
fluiscono verso il mare, ed è in gran parte responsabile del delta formato dove i grandi
fiumi entrano negli oceani.
AGGREGATION OF PARTICLES
The binding of positive ions to the surface of an initially
negatively charged colloid can result in precipitation followed by
colloid restabilization.
This kind of behavior is explained by an initial neutralization of
the negative surface charge on the particles by sorption of
positive ions, allowing coagulation to occur.
As more of the source of positive ions is added, their sorption
results in the formation of positive colloidal particles.
Il legame di ioni positivi sulla superficie di un colloide inizialmente di carica
negativa può causare la precipitazione seguita dalla ristabilizzazione del colloide.
Questo tipo di comportamento si spiega con una neutralizzazione iniziale della
carica superficiale negativa sulle particelle di assorbimento di ioni positivi, che
permette la coagulazione. Man mano che si aggiungono ioni positivi, si verifica
l'assorbimento nella formazione di particelle colloidali positive.
AGGREGATION OF PARTICLES
AGGREGATION OF PARTICLES
Flocculation of Colloids by Polyelectrolytes
Polyelectrolytes of both natural and synthetic origin may cause
colloids to flocculate.
Polyelectrolytes are polymers with a high formula weight that
normally contain ionizable functional groups.
Flocculazione dei colloidi con polielettroliti
Polielettroliti, sia di origine naturale che sintetica possono causare la
flocculazione di colloidi. I polielettroliti sono polimeri con alto peso molecolare
che di norma contengono gruppi funzionali ionizzabili.
.
AGGREGATION OF PARTICLES
Flocculation of Colloids by Polyelectrolytes
Anionic polyelectrolytes have negatively charged functional
groups, such as –SO3 - and –CO2 -.
Cationic polyelectrolytes have positively charged functional
groups, normally H+ bonded to N.
Nonionic polymers that serve as flocculants normally do not
have charged functional groups.
I polielettroliti anionici hanno gruppi funzionali con carica negativa, come ad esempioSO3- e -CO2-.
I polielettroliti cationici hanno gruppi funzionali con carica positiva, in genere H +
legato a N.
I polimeri non ionici che servono normalmente come flocculanti non hanno gruppi
funzionali carichi.
AGGREGATION OF PARTICLES
Anionic polyelectrolytes may flocculate negatively charged
colloidal particles.
The mechanism by which this occurs involves bridging between
the colloidal particles by way of the polyelectrolyte anions.
Strong chemical bonding has to be involved, since both the
particles and the polyelectrolytes are negatively charged.
However, the process does occur and is particularly important in
biological systems, for example, in the cohesion of tissue cells,
clumping of bacterial cells, and antibody-antigen reactions.
Polielettroliti anionici possono flocculare le particelle colloidali di carica negativa.
Il meccanismo con cui questo avviene comporta un ponte tra le particelle colloidali e gli
anioni del polielettrolita. Deve essere coinvolto un forte legame chimico, in quanto sia le
particelle che i polielettroliti sono caricati negativamente.
Il processo è particolarmente importante nei sistemi biologici, per esempio, nella
coesione delle cellule dei tessuti, in agglomerati di cellule batteriche, e nelle reazioni
antigene-anticorpo.
AGGREGATION OF PARTICLES
The flocculation process induced by anionic polyelectrolytes
is greatly facilitated by the presence of a low concentration of a
metal ion capable of binding with the functional groups on the
polyelectrolyte.
The positively charged metal ion serves to form a bridge
between the negatively charged anionic polyelectrolytes
and negatively charged functional groups on the colloidal
particle surface
Il processo di flocculazione indotto da polielettroliti anionici è grandemente
facilitato dalla presenza di una bassa concentrazione di uno ione metallico in
grado di legare con i gruppi funzionali sul polielettrolita.
Lo ione metallico a carica positiva serve per formare un ponte tra i polielettroliti
anionici con carica negativa e i gruppi funzionali caricati negativamente sulla
superficie delle particelle colloidali
AGGREGATION OF PARTICLES
Flocculation of Bacteria by Polymeric Materials
The aggregation and settling of microorganism cells
is a very important process in aquatic systems
and is essential to the function of biological waste treatment
systems.
In biological waste treatment processes, such as the activated
sludge process,
microorganisms utilize carbonaceous solutes in the water to
produce biomass.
Flocculazione dei batteri da parte dei Materiali Polimerici
L'aggregazione e la sedimentazione di cellule di microrganismi è un processo molto
importante nei sistemi acquatici ed è essenziale per la funzione dei sistemi biologici di
trattamento dei rifiuti. Nei processi biologici di trattamento dei rifiuti, come ad esempio
il processo a fanghi attivi, i microrganismi utilizzano soluti carboniosi in acqua per la
produzione di biomassa.
AGGREGATION OF PARTICLES
Flocculation of Bacteria by Polymeric Materials
The primary objective of biological waste treatment is the
removal of carbonaceous material and, consequently,
its oxygen demand.
Part of the carbon is evolved from the water as CO2,
produced by the energy-yielding metabolic processes of the
bacteria.
L'obiettivo primario del trattamento biologico dei rifiuti è la rimozione del
materiale e, di conseguenza, la sua richiesta di ossigeno.
Parte del carbonio è rilasciato dall'acqua sotto forma di CO2, prodotto dai processi
metabolici energetici dei batteri.
AGGREGATION OF PARTICLES
A significant fraction of the
carbon is removed as
bacterial floc, consisting of
aggregated bacterial cells
that have settled from the
water.
The formation of this floc is
obviously an important
phenomenon in biological
waste treatment.
Polymeric substances,
including polyelectrolytes,
that are formed by the
bacteria induce bacterial
flocculation.
Una frazione significativa del carbonio viene rimosso come floc batterico, costituita da
aggregati cellule batteriche che si sono formati nell’acqua. La formazione di questo
floc è ovviamente un fenomeno importante nel trattamento dei rifiuti biologici.
Sostanze polimeriche, comprese i polielettroliti, che si formano dai batteri inducono la
flocculazione batterica.
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
Many of the properties and effects of solids in contact with water
have to do with the sorption of solutes by solid surfaces.
Surfaces in finely divided solids tend to have excess surface
energy
because of an imbalance of chemical forces among surface
atoms, ions, and molecules.
Molte delle proprietà e degli effetti dei solidi in contatto con l'acqua hanno a che fare
con l'assorbimento di soluti da superfici solide. Le superfici in solidi finemente
suddivisi tendono ad avere energia superficiale in eccesso a causa di uno squilibrio di
forze chimiche sulla superficie tra gli atomi, ioni e molecole.
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
Surface energy level
may be lowered by a reduction in surface area.
Normally this reduction is accomplished by aggregation of
particles or by sorption of solute species.
Some kinds of surface interactions can be illustrated
with metal oxide surfaces binding with metal ions in water.
Il livello di energia della superficie può essere abbassata da una riduzione della
superficie.
Normalmente questa riduzione si realizza mediante aggregazione di particelle o in
seguito all’assorbimento delle specie di soluto. Alcuni tipi di interazioni di superficie
possono essere illustrate con ossidi metallici in superficie legati con ioni metallici in
acqua.
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
Other inorganic solids, such as clays, probably behave much like
solid metal oxides.
Soluble metal ions, such as Cd2+, Cu2+, Pb2+, or Zn2+, may be
bound with metal oxides such as MnO2•xH2O by:
 nonspecific ion exchange adsorption,
 complexation with surface –OH groups,
 coprecipitation in solid solution with the metal oxide,
 or as a discrete oxide or hydroxide of the sorbed metal.
Altri solidi inorganici, quali argille, probabilmente si comportano proprio come gli ossidi
di metalli solidi.
Ioni metallici solubili, come Cd 2+, Cu2+ , Pb2 + , o Zn2 + , devono essere legati con ossidi
metallici, come MnO2 • xH2O da: adsorbimento non specifico di scambio ionico,
complessazione con i gruppi-OH di superficie, coprecipitazione in soluzione solida con
l'ossido di metallo, o come un discreto ossido o idrossido di metallo assorbito.
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
Sorption of metal ions, Mtz+ , by complexation to the surface is
illustrated by the reaction
M–OH + Mtz+  M-OMtz-1 + H+
and chelation by the following process:
A metal ion complexed with a ligand, L, may bond by
displacement of either H+ or OH-:
M–OH + MtL z+ M-OMtL(z - 1) + H+
M–OH + MtL z+  M-(MtL)(z + 1) + OHLa capacità di assorbimento di ioni metallici, Mt z + , per complessazione alla superficie è
illustrata dalla reazione …e la chelazione dal seguente processo: …
Uno ione metallico complessato con un legante, L, può legare, mediante lo spostamento di
H + o OH-:
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
In the presence of a
ligand,
dissociation of the
complex and sorption
of the metal complex
and ligand
must be considered as
shown by the scheme in
which “(sorbed)”
represents sorbed
species and “(aq)”
represents dissolved
species.
In presenza di un legante, deve essere considerata la
dissociazione del complesso e l'assorbimento del
complesso metallo e del legante, come indicato
dallo schema in cui "(assorbito)"rappresenta
assorbita e specie "(aq)" rappresenta la specie
disciolta.
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
Some hydrated metal oxides, such as manganese(IV) oxide and
iron(III) oxide,
are especially effective in sorbing various species from aquatic
solution.
The sorption ability is especially pronounced for relatively fresh
metal hydroxides
or hydrated oxides such as colloidal MnO2.
Alcuni ossidi metallici idrati, come il manganese (IV) ossido e di ferro (III) ossido,
sono particolarmente efficaci nell’assorbimento di varie specie da soluzione
acquose.
La capacità di assorbimento è particolarmente pronunciata per idrossidi di metalli
freschi e per ossidi idratati, come MnO2 colloidale.
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
Colloidal MnO2 usually is produced in natural waters by the
oxidation of Mn(II) present in natural waters
placed there by the bacterially-mediated reduction of manganese
oxides in anaerobic bottom sediments.
Colloidal hydrated manganese(II) oxide can also be produced
by the reduction of manganese(VII),
which often is deliberately added to water as an oxidant in the
form of permanganate salts to diminish taste and odor or to
oxidize iron(II).
Ossido di manganese colloidale viene prodotto in acque naturali mediante ossidazione
di Mn (II) presente nelle acque naturali ad opera della riduzione batterica mediata da
ossidi di manganese in sedimenti di fondo anaerobici.
Idrato di manganese (II) colloidale può essere prodotto anche dalla riduzione di
manganese (VII), che spesso è deliberatamente aggiunto all'acqua come ossidante, sotto
forma di sali di permanganato per diminuire odore e sapore o per ossidare ferro (II).
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
Freshly precipitated MnO2 may have a surface area as large as
several hundred square meters per gram.
The hydrated oxide acquires a charge by loss and gain of H+ ion
and has a ZPC (zero point of charge)
in an acidic pH range between 2.8 and 4.5.
Since the pH of most normal natural waters exceeds 4.5, hydrous
MnO2 colloids are usually negatively charged.
MnO2 precipitato di fresco può avere una superficie grande come diverse centinaia di
metri quadrati per grammo.
L'ossido idrato acquista una carica attraverso la perdita e guadagno di ioni H + e dispone
di un ZPC (punto zero di carica) in un intervallo di pH acido compreso tra 2,8 e 4,5.
Dal momento che il pH della maggior parte delle acque naturali normale supera 4,5,
colloidi di MnO2 idrato di solito sono a carica negativa.
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
The sorption of anions by solid surfaces is harder to explain than
the sorption of cations.
Phosphates may be sorbed on hydroxylated surfaces by
displacement of hydroxides (ion exchange):
The degree of anion sorption varies. As with phosphate, sulfate
may be sorbed by chemical bonding, usually at a pH less than 7.
L'assorbimento di anioni da superfici solide è più difficile da spiegare di quello
assorbimento dei cationi. Fosfati possono essere assorbiti su superfici idrossilate
attraverso lo spostamento di idrossidi (scambio ionico):
SURFACE SORPTION BY SOLIDS
The degree of anion sorption varies.
As with phosphate, sulfate may be sorbed by chemical bonding,
usually at a pH less than 7.
Chloride and nitrate are sorbed by electrostatic attraction,
such as occurs with positively charged colloidal particles in soil at
a low pH.
More specific bonding mechanisms may be involved in the
sorption of fluoride, molybdate, selenate, selenite, arsenate, and
arsenite anions.
Il grado di assorbimento di anioni varia.
Come con fosfato, il solfato può essere assorbita con legame chimico, solitamente ad un pH
inferiore a 7. Cloruro e nitrato sono assorbiti per attrazione elettrostatica, così come si
verifica con particelle colloidali cariche positivamente nel suolo a un basso pH.
Meccanismi di legame più specifici possono essere coinvolti nell’assorbimento di fluoruri,
molibdato, selenato, selenite, arseniato, arsenito e anioni.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Bottom sediments are important sources
of inorganic and organic matter in streams, fresh-water
impoundments, estuaries, and oceans.
Normal soils are in contact with the atmosphere and are aerobic,
whereas the environment around bottom sediments is usually
anaerobic,
so sediments are subjected to reducing conditions.
Sedimenti del fondo sono importanti fonti di materia inorganica e organica in
torrenti, argini di acqua dolce, estuari, e gli oceani.
Suoli normali sono in contatto con l'atmosfera e sono aerobici, considerando
che l'ambiente intorno a sedimenti di fondo è in genere anaerobico, i sedimenti
sono sottoposti a condizioni riducenti.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Bottom sediments undergo continuous leaching, whereas soils
do not.
The level of organic matter in sediments is generally higher
than that in soils.
Sedimenti del fondo subiscono dilavamento continuo, mentre i terreni
non lo fanno.
Il livello di sostanza organica nei sedimenti è generalmente superiore a
quello nei terreni.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
One of the most important characteristics of bottom sediments
is their ability to exchange cations with the surrounding aquatic
medium.
Cation-exchange capacity (CEC)
measures the capacity of a solid, such as a sediment, to sorb
cations.
It varies with pH and with salt concentration.
Una delle caratteristiche più importanti di sedimenti del fondo è la loro capacità
di scambiare cationi con il mezzo circostante acquatico.
La capacità di scambio cationico (CEC) misura la capacità di un solido, come
un sedimento, di assorbire cationi. Essa varia con il pH e con la concentrazione
di sale.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Another parameter, exchangeable cation status (ECS),
refers to the amounts of specific ions bonded to a given
amount of sediment.
Generally, both CEC and ECS are expressed as milliequivalents
per 100 g of solid.
Un altro parametro è: stato di cationi scambiabili di (ECS), si riferisce alla
quantità di ioni specifici legati a una determinata quantità di sedimenti.
In generale, sia CEC e ECS sono espressi in milliequivalenti per 100 g di solido.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Because of the generally anaerobic nature of bottom sediments,
special care must be exercised in their collection and treatment.
Particularly, contact with atmospheric oxygen rapidly oxidizes
exchangeable Fe2+ and Mn2+ to non-exchangeable oxides
containing the metals in higher oxidation states as Fe2O3 and
MnO2.
Therefore, sediment samples must be sealed and frozen as soon
as possible after they are collected.
A causa della natura in generale anaerobica dei sedimenti del fondo, particolare
attenzione deve essere esercitata nella loro raccolta e il trattamento. In particolare, il
contatto con l'ossigeno atmosferico ossida rapidamente intercambiabili ossidi di Fe2
+ e Mn2 + a ossidi non scambiabili contenenti i metalli in stati di ossidazione
maggiore, come Fe2O3 e MnO2. Pertanto, campioni di sedimento devono essere
sigillati e congelati il più presto possibile dopo che sono stati raccolti.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
A common method for the determination of CEC consists of:

treating the sediment with a solution of an ammonium salt so
that all exchangeable sites are occupied by NH4+ ion;

displacing the ammonium ion with a solution of NaCl;

determining the quantity of displaced ammonium ion.
Un metodo comune per la determinazione del CEC è costituito da:
(1) trattare il sedimento con una soluzione di un sale di ammonio in modo
che tutti i siti scambiabili siano occupati da ioni NH 4 +;
(2) spostare lo ione ammonio con una soluzione di NaCl;
(3) determinare le quantità di ioni ammonio spostati.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
The CEC values may then be expressed as
the number of milliequivalents of ammonium ion exchanged
per 100 g of dried sample.
Note that the sample must be dried after exchange.
Il valore di CEC può quindi essere espresso come il numero di
milliequivalenti di ioni ammonio scambiati per 100 g di campione
essiccato.
Si noti che il campione deve essere asciugato dopo lo scambio.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
The basic method for the determination of ECS
consists of stripping all of the exchangeable metal cations from
the sediment sample
with ammonium acetate.
Metal cations, including Fe 2+ , Mn 2+, Zn 2+, Cu 2+, Ni 2+, Na+,
K+, Ca 2+, and Mg 2+,
are then determined in the leachate.
Il metodo di base per la determinazione della ECS è costituito da stripping tutti i
cationi metallici intercambiabili dal campione di sedimento con acetato di ammonio.
Cationi metallici, tra cui Fe 2 +, Mn 2 +, Zn 2 +, Cu 2 +, Ni 2 +, Na +, K +, Ca 2 + e
Mg 2 +, sono quindi determinati nel percolato.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Exchangeable hydrogen ion is very difficult to determine by
direct methods.
It is generally assumed that
the total cation exchange capacity minus the sum of all
exchangeable cations except hydrogen ion
is equal to the exchangeable hydrogen ion.
Gli ione idrogeno sostituibili sono molto difficili da determinare con
metodi diretti.
Si ritiene generalmente che la totale capacità di scambio cationico meno la
somma di tutti i cationi scambiabili ad eccezione degli ioni idrogeno è pari
alla quantità di ione idrogeno sostituibile.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Freshwater sediments typically have CEC values of 20-30
milliequivalents/100 g.
The ECS values for individual cations typically range from less
than 1 to 10-20 milliequivalents/100 g.
Sediments are important repositories of metal ions that may be
exchanged with surrounding waters.
Furthermore, because of their capacity to sorb and release
hydrogen ions, sediments have an important buffering effect in
some waters.
Sedimenti d'acqua dolce in genere hanno valori di 20-30 CEC
milliequivalents/100 g. I valori di ECS per cationi individuali variano da meno di
1 a 10-20 milliequivalents/100 g. I sedimenti sono depositi importanti di ioni
metallici che possono essere scambiati con le acque circostanti. Inoltre, a causa
della loro capacità di assorbimento e rilascio di ioni idrogeno, i sedimenti hanno
un importante effetto tampone in alcune acque.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Trace-Level Metals in Suspended Matter and Sediments
Sediments and suspended particles are important repositories for
trace amounts of metals
such as chromium, cadmium, copper, molybdenum, nickel,
cobalt, and manganese.




These metals may be present as
discrete compounds,
ions held by cation-exchanging clays,
bound to hydrated oxides of iron or manganese,
chelated by insoluble humic substances.
Metalli a livello di tracce nelle sostanze in sospensione e sedimenti. Sedimenti e
particelle in sospensione sono depositi importanti per quantità di metalli in tracce come
il cromo, cadmio, rame, molibdeno, nichel, cobalto e manganese. Questi metalli possono
essere presenti come composti, ioni detenuti da scambio di cationi di argille, legato agli
ossidi idrati di ferro o di manganese, o chelati con sostanze umiche insolubili.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Examples of specific trace-metal-containing compounds that
may be stable in natural waters under oxidizing and reducing
conditions are given in Table.
Esempi di specifici
composti in traccia
contenenti metalli, che
possono essere stabili
in acque naturali in
condizioni riducenti e
ossidanti sono riportati
nella tabella
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Trace-Level Metals in Suspended Matter and Sediments
Solubilization of metals from sedimentary or suspended matter is
often a function of the complexing agents present.
These include amino acids, such as histidine, tyrosine, or
cysteine; citrate ion; and, in the presence of seawater, chloride
ion.
Suspended particles containing trace elements may be in the
submicrometer size range.
La solubilizzazione dei metalli dalla materia sedimentaria o sospesa è spesso una
funzione di agenti complessanti presenti. Tra questi ci sono aminoacidi, come la
istidina, tirosina, o la cisteina; ioni citrato, e, in presenza di acqua di mare, di ioni
cloruro.
Particelle in sospensione contenenti oligoelementi possono essere in dimensioni
submicrometriche.**
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Trace-Level Metals in Suspended Matter and Sediments
Although less available than metals in true solution, metals held
by very small particles are more accessible than those in
sediments.




Among the factors involved in metal availability are:
the identity of the metal,
its chemical form (type of binding, oxidation state),
the nature of the suspended material,
the type of organism taking up the metal, and the physical and
chemical conditions in the water.
Anche se meno disponibile di metalli in soluzione vera, metalli detenuti in particelle
molto piccole sono più accessibili rispetto a quelli nei sedimenti. Tra i fattori coinvolti
nella disponibilità del metallo sono: l'identità del metallo, la sua forma chimica (tipo di
associazione, stato di ossidazione), la natura del materiale in sospensione, il tipo di
organismo che assume il metallo, e le condizioni fisiche e chimiche in acqua.*
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Trace-Level Metals in Suspended Matter and Sediments
The pattern of trace-metal occurrence in suspended matter in
relatively unpolluted water tends to correlate well with that of
the parent minerals from which the suspended solids originated;
anomalies appear in polluted waters where industrial sources
add to the metal content of the stream.
The toxicities of heavy metals in sediments and their
availability to organisms are very important in determining the
environmental effects of heavy metals in aquatic systems.
Tracce di metalli nelle sostanze in sospensione in acqua relativamente non inquinata
tendono a correlare bene con quello dei origine minerali da cui i solidi sospesi originano;
si rilevano anomalie in acque inquinate, dove fonti industriali aggiungere al contenuto di
metallo del torrente. La tossicità dei metalli pesanti nei sedimenti e la loro disponibilità
per gli organismi sono molto importanti nel determinare gli effetti ambientali di metalli
pesanti in sistemi acquatici.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Trace-Level Metals in Suspended Matter and Sediments
Many sediments are anaerobic,
so that microbial reduction of sulfate to sulfide leads to a
preponderance of metal sulfides in sediments.
The very low solubilities of sulfides tend to limit bioavailability
of metals in anaerobic sediments.
Molti sono i sedimenti anaerobici, così che la riduzione microbica del solfato a solfuro
porta ad una preponderanza di solfuri metallici nei sedimenti.
La solubilità molto bassa di solfuri tendono a limitare la biodisponibilità dei metalli nei
sedimenti anaerobici.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Trace-Level Metals in Suspended Matter and Sediments
However, exposure of such sediments to air, and subsequent
oxidation of sulfide to sulfate, can release significant amounts of
heavy metals.
Dredging operations can expose anaerobic sediments to air,
leading to oxidation of sulfides and release of metals such as
lead, mercury, cadmium, zinc, and copper
Tuttavia, l'esposizione di tali sedimenti all’aria, e la successiva ossidazione del
solfuro a solfato, possono rilasciare notevoli quantità di metalli pesanti.
Operazioni di dragaggio possono esporre i sedimenti anaerobici all’aria, con
conseguente ossidazione di solfuri e il rilascio di metalli come piombo, mercurio,
cadmio, zinco e rame
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Phosphorus Exchange with Bottom Sediments
Phosphorus is one of the key elements in aquatic chemistry
and is thought to be the limiting nutrient in the growth of algae
under many conditions.
Exchange with sediments plays a role in making phosphorus
available for algae and contributes, therefore, to eutrophication.
Scambio del fosforo nei sedimenti.
Il fosforo è uno degli elementi chiave nella chimica acquatica ed è pensato per
essere la sostanza nutriente che limita la crescita delle alghe in molte condizioni.
Lo scambio con sedimenti svolge un ruolo nel rendere il fosforo disponibile per le
alghe e contribuisce, quindi, di eutrofizzazione.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Phosphorus Exchange with Bottom Sediments
Sedimentary phosphorus may be classified into the following
types:
• Phosphate minerals, particularly hydroxyapatite, Ca5OH(PO4)3
• Nonoccluded phosphorus, such as orthophosphate ion bound
to the surface of SiO2 or CaCO3.
Such phosphorus is generally more soluble and more available
than occluded phosphorus (below)..
Il fosforio sedimentario possono essere classificato nelle seguenti tipologie:
• fosfati minerali, in particolare di idrossiapatite..
• fosforo Non occluso, come lo ione ortofosfato legato alla superficie di SiO2 o
CaCO3.
Tale fosforo è generalmente più solubile e più disponibili rispetto al fosforo
occluso (in basso) ..
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Phosphorus Exchange with Bottom Sediments
• Occluded phosphorus consisting of orthophosphate ions
contained within the matrix structures of amorphous hydrated
oxides of iron and aluminum and amorphous aluminosilicates.
Such phosphorus is not as readily available as non-occluded
phosphorus.
• Organic phosphorus incorporated within aquatic biomass,
usually of algal or bacterial origin.
• fosforo occluso composto di ioni ortofosfato contenuti all'interno delle strutture
a matrice amorfa di ossido idrato di ferro e di alluminio e alluminosilicati amorfi.
Questo tipo di fosforo non è così facilmente disponibile come fosforo non
occluso.
• fosforo organico incorporato all'interno della biomassa acquatica, di solito di
origine batterica o algale.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Phosphorus Exchange with Bottom Sediments
In some waters receiving heavy loads of domestic or industrial
wastes,
inorganic polyphosphates (from detergents, for example) may be
present in sediments.
Runoff from fields where liquid polyphosphate fertilizers
have been used might possibly provide polyphosphates sorbed on
sediments.
In alcune acque che ricevonopesanti carichi di rifiuti domestici o industriali,
polifosfati inorganici (da detersivi, ad esempio) possono essere presenti nei
sedimenti. Il deflusso dai terreni in cui sono stati utilizzati i fertilizzanti liquidi
polifosfati potrebbero eventualmente fornire polifosfati poi assorbiti dai sedimenti.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
Many organic compounds interact with suspended material and
sediments in bodies of water.
Colloids can play a significant role in the transport of organic
pollutants in surface waters, through treatment processes, and
even to a limited extent in groundwater.
Settling of suspended material containing sorbed organic matter
carries organic compounds into the sediment of a stream or lake.
Molti composti organici interagire con il materiale in sospensione e sedimenti nei
corpi d'acqua. I colloidi possono svolgere un ruolo significativo nel trasporto di
inquinanti organici nelle acque di superficie, attraverso processi di trattamento, e
anche in misura limitata nelle acque sotterranee. La sedimentazione dei materiali
in sospensione contenenti sostanza organica assorbita trasporta i composti organici
nel sedimento di un ruscello o lago.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
For example, this phenomenon is largely responsible for the
presence of herbicides in sediments containing contaminated soil
particles eroded from crop land.
Some organics are carried into sediments by the remains of
organisms or by fecal pellets from zooplankton that have
accumulated organic contaminants.
Ad esempio, questo fenomeno è in gran parte responsabile per la presenza di
erbicidi nei sedimenti contenenti particelle di terreno contaminato eroso da
terreni coltivati​​.
Alcune sostanze organiche si ritrovano nei sedimenti per la presenza di resti di
organismi o da feci di zooplancton che hanno accumulato contaminanti
organici.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
Suspended particulate matter affects the mobility of organic
compounds sorbed to particles.
Sorbed organic matter undergoes chemical degradation and
biodegradation at different rates and by different pathways
compared to organic matter in solution.
Il particolato sospeso influenza la mobilità dei composti organici assorbiti a
particelle.
La sostanza organica assorbita subisce degradazione chimica e biodegradazione
con diverse velocità e con percorsi diversi rispetto alla materia organica in
soluzione.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
There is, of course, a vast variety of organic compounds that get
into water.
As one would expect, they react with sediments in different ways,
the type and strength of binding varying with the type of
compound.
Vi è, naturalmente, una grande varietà di composti organici che possono entrare in
acqua.
Come ci si può aspettare, essi reagiscono con i sedimenti in modi diversi, e il tipo e la
forza del legame variano con il tipo di composto.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
An indication of the variable nature of the binding of organic
compounds to sediments
is provided by evidence that release of the compounds from
sediments to water often occurs in two stages, the first rapid and
the second slow.
The most common types of sediments considered for their
organic binding abilities are clays, organic (humic) substances,
and complexes between clay and humic substances.
L'indicazione della natura variabile del legame di composti organici con i sedimenti
è fornito dall’evidenza che il rilascio di composti di sedimenti in acqua spesso si
verifica in due fasi, la prima veloce e la seconda lenta.
I tipi più comuni di sedimenti considerati per le loro capacità leganti organici sono
argille, organici (umici) le sostanze, e complessi tra argilla e sostanze umiche.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
Both clays and humic substances act as cation exchangers.
these materials sorb cationic organic compounds through ion exchange.
This is a relatively strong sorption mechanism,
greatly reducing the mobility and biological activity of the organic compound.
When sorbed by clays, cationic organic compounds
are generally held between the layers of the clay mineral structure where their
biological activity is essentially zero.
Entrambe le argille e sostanze umiche agiscono come scambiatori di cationi. Pertanto,
questi materiali sorbo cationici composti organici attraverso lo scambio ionico. Questo è
un meccanismo di assorbimento relativamente forte, riducendo notevolmente la mobilità
e l'attività biologica del composto organico. Quando assorbita da argille, cationici
composti organici si tengono generalmente fra gli strati della struttura minerale argilloso
in cui la loro attività biologica è essenzialmente zero.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
Since most sediments lack strong anion exchange sites, negatively charged
organics are not held strongly at all.
Thus, these compounds are relatively mobile and biodegradable in water despite
the presence of solids.
The degree of sorption of organic compounds is generally inversely proportional
to their water solubility.
Poiché la maggior parte dei sedimenti ha forte mancanza siti di scambio
anionico, organici carichi negativamente non sono trattenuti con forza.
Così, questi composti sono relativamente mobili e biodegradabili in acqua,
nonostante la presenza di solidi.
Il grado di assorbimento dei composti organici è generalmente inversamente
proporzionale alla loro solubilità in acqua.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
The more water-insoluble compounds tend to be taken up strongly by lipophilic
(“fat-loving”) solid materials, such as humic substances.
Compounds having a relatively high vapor pressure can be lost from water or
solids by evaporation.
When this happens, photochemical processes can play an important role in their
degradation.
I composti più insolubile in acqua tendono ad essere trattenuti con forza da
materiali solidi lipofili ("fat-loving"), come le sostanze umiche.
Composti con una pressione di vapore relativamente alta possono essere persi
dall’acqua o solidi per evaporazione. Quando questo accade, i processi fotochimici
possono svolgere un ruolo importante nella loro degradazione.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
Sorption of comparatively nonvolatile hydrocarbons by sediments removes
these materials from contact with aquatic organisms but also greatly retards their
biodegradation.
Aquatic plants produce some of the hydrocarbons that are found in sediments.
Photosynthetic organisms, for example, produce quantities of n-heptadecane.
Pollutant hydrocarbons in sediments are indicated by a smooth, chain-length
distribution of n-alkanes and thus can be distinguished from hydrocarbons
generated photosynthetically in the water.
La capacità di assorbimento di idrocarburi relativamente volatili dai sedimenti
rimuove questi materiali al contatto con gli organismi acquatici, ma anche ritarda
notevolmente la loro biodegradazione. Le piante acquatiche producono alcuni degli
idrocarburi che si trovano nei sedimenti. Organismi fotosintetici, per esempio,
producono quantità di n-heptadecane. Idrocarburi inquinanti nei sedimenti sono
indicati da una lunga, catena di distribuzione di lunghezza di n-alcani e quindi
possono essere distinti da idrocarburi generati fotosinteticamente in acqua.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
The sorption of neutral species like petroleum obviously cannot be explained by
ion-exchange processes.




It probably involves phenomena such as
Van der Waals forces ,
hydrogen bonding,
charge-transfer complexation,
interactions.
L'assorbimento di specie neutre come il petrolio, ovviamente, non può essere
spiegata con i processi di scambio ionico. Si tratta probabilmente di fenomeni come
forze di Van der Waals, legame idrogeno, complessazione con trasferimento di
carica, e interazioni idrofobiche.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
These enzymes are extracellular enzymes (those acting outside the
cell) that act as oxidoreductases, which catalyze oxidationreduction reactions.
Such enzymes are capable of causing polymerization of aromatic
compounds, as illustrated below for the coupling of pollutant 2,4dichlorophenol to an aryl ring on a humic substance molecule:
Composti organici su sedimenti e materiale sospeso
Questi enzimi sono enzimi extracellulari (quelli che agiscono al di fuori della cellula) che
catalizzano reazioni di ossidoriduzione. Tali enzimi sono in grado di causare
polimerizzazione di composti aromatici, per l'accoppiamento di inquinante 2,4diclorofenolo ad un anello arilico su una molecola sostanza umica:
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
Uptake of organic matter by suspended and sedimentary material
in water is an important phenomenon. Were it not for this
phenomenon, it is likely that pesticides in water would be much
more toxic.
Biodegradation is generally slowed down appreciably, however, by
sorption of a substance to a solid.
L'assorbimento della sostanza organica da materiale sedimentario e sospeso in
acqua è un fenomeno importante. Se non fosse per questo fenomeno, è probabile
che i pesticidi nell'acqua sarebbero molto più tossici.
La biodegradazione è generalmente sensibilmente rallentato, tuttavia, con
assorbimento di una sostanza ad un solido.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
In certain intensively farmed areas, there is a very high
accumulation of pesticides in the sediments of streams, lakes, and
reservoirs.
The sorption of pesticides by solids and the resulting influence on
their biodegradation is an important consideration in the licensing
of new pesticides.
In alcune zone intensamente coltivate, vi è un accumulo molto elevato di pesticidi
nei sedimenti dei fiumi, laghi e bacini.
L'assorbimento di pesticidi da solidi e la conseguente influenza sulla loro
biodegradazione è una considerazione importante nella concessione di licenze nuovi
pesticidi.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
The transfer of surface water to groundwater often results in
sorption of some water contaminants by soil and mineral material.
The movement of water from waste landfills to aquifers is also an
important process in which pollutants in the landfill leachate may
be sorbed by solid material through which the water passes.
Il trasferimento delle acque superficiali nelle acque sotterranee si traduce spesso in
assorbimento di alcuni contaminanti dell’acqua attraverso suolo e materiale minerale.
Il movimento di acqua da discariche di rifiuti a falde è un processo importante in cui
inquinanti nel percolato di discarica, possono essere assorbiti dal materiale solido
attraverso cui passa l'acqua.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
The sorption of dilute solutions of halogenated and aryl
hydrocarbons by soil and sand
has been studied under simulated water infiltration conditions.
The relationship between the sorption equilibria observed may be
expressed by the formula S = Kp C
where S and C are the concentrations of hydrocarbons in the solid
and liquid phases, respectively, and Kp is the partition coefficient.
L'assorbimento di soluzioni diluite di idrocarburi alogenati e arilici da suolo e sabbia è
stato studiato in condizioni di simulazione infiltrazione dell'acqua.
La relazione tra gli equilibri di assorbimento osservati possono essere espressi dalla
formula S = Kp C dove S e C sono le concentrazioni di idrocarburi nelle fasi solide e
liquide, rispettivamente, e Kp è il coefficiente di partizione.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
It was found that the two most important factors in estimating the
sorption of nonpolar organic compounds were:
(1) the fraction of organic carbon, FOC, in the solid sorbents;
(2) the 1- octanol/water partition coefficient, Kow, of the
organic compound.
Si è riscontrato che i due fattori più importanti nella stima dell'assorbimento di
composti organici polari sono:
(1) la frazione di carbonio organico, FOC, nelle adsorbenti solidi;
(2) il coefficiente di ripartizione 1 - ottanolo / acqua, Kow, del composto organico.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Organic Compounds on Sediments and Suspended Matter
The Kow value is a measure of the tendency of a solute to dissolve
from water into immiscible 1- octanol.
This long-chain alcohol mimics lipid (fat) tissue, and Kow is used
to indicate a tendency toward bioaccumulation of solutes in water.
Il valore Kow è una misura della tendenza di un soluto a dissolversi dall’acqua dentro 1 ottanolo immiscibile.
Questo alcool a catena lunga imita i lipidi (grasso) del tessuto, e Kow viene usato per
indicare una tendenza verso il bioaccumulo di soluti in acqua
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
The Kp of individual compounds was determined using the
following empirical relationship:
Log Kp = 0.72 log Kow + log foc + 0.49
The sorption was found to be reversible on the solids studied,
which included natural aquifer material, river sediment, soil, sand,
and sewage sludge.
Il Kp (coefficiente di partizione) di singoli composti si determina usando la seguente
relazione empirica:
L'assorbimento dei solidi studiati, che includono materiali naturali di falda acquifera,
sedimenti del fiume, terra, sabbia e fanghi di depurazione risulta essere reversibile.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
Interstitial water or pore water
consisting of water held by sediments is an important reservoir for
gases in natural water systems.
Generally, the gas concentrations in interstitial waters are different
from those in the overlying water.
L’acqua interstiziale che consiste di acqua trattenuta dai sedimenti è un importante
serbatoio per gas in sistemi idrici naturali.
Generalmente, le concentrazioni di gas nelle acque interstiziali sono diversi da quelli
nell’acqua sovrastante.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
The results of the analyses of gases in interstitial water in some
sediments are given in Table.
Gases in Interstitial Waters from Chesapeake Bay Sediments.
Gas
N2
N2
Ar
Ar
CH4
CH4
Depth
surface
1.00 m
surface
1.00 m
surface
1.00 m
Gas concentration, mL/L
13.5
2.4
0.35
0.12
0.00
140
Examination of this table shows that CH4 could not be detected at
the sediment surface, which is because the equilibrium
concentration of methane in air is very low, and it is biodegradable
under aerobic conditions.
L'esame di questa tabella mostra che CH4 non poteva essere rilevato in corrispondenza
della superficie sedimento, perché la concentrazione di equilibrio del metano in aria è molto
bassa, ed è biodegradabile in condizioni aerobiche.
ION EXCHANGE WITH BOTTOM SEDIMENTS
However, of the gases analyzed, by far
the highest concentration at a depth of one meter was that of
methane.
The methane is produced by the anaerobic fermentation of
biodegradable organic matter, {CH2O}:
{CH2O}  CH4(g) + CO2(g)
Tuttavia, dei gas analizzati, di gran lunga la più alta concentrazione ad una
profondità di un metro era quello di metano che è prodotto dalla fermentazione
anaerobica delle sostanze organiche biodegradabili.
AQUATIC MICROBIAL
BIOCHEMISTRY
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Microorganisms—bacteria, fungi, protozoa, and algae—
are living catalysts that enable a vast number of chemical
processes to occur in water and soil.
A majority of the important chemical reactions that take place
in water,
particularly those involving organic matter and oxidationreduction processes, occur through bacterial intermediaries.
Microrganismi-batteri, funghi, protozoi, e alghe -o sono catalizzatori viventi
che permettono un gran numero di processi chimici che si verificano
nell’acqua e nel suolo.
La maggior parte delle reazioni chimiche importanti che si svolgono in
acqua, in particolare quelle che coinvolgono la materia organica e processi
di ossido-riduzione, avvengono attraverso intermediari batterici.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Algae are the primary producers of biological organic matter
(biomass) in water.
Microorganisms are responsible for the formation of many
sediment and mineral deposits;
they also play the dominant role in secondary waste treatment.
Le alghe sono i produttori primari di della materia organica biologica
(biomassa) in acqua.
I microrganismi sono responsabili della formazione di sedimenti e di molti
giacimenti minerari, ma hanno anche un ruolo dominante nel trattamento
secondario dei rifiuti.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Some of the effects of microorganisms on the chemistry
of water in nature are here illustrated:
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Microorganisms are divided into the two broad
categories of prokaryotes and eukaryotes;
the latter have well-defined cell nuclei enclosed
by a nuclear membrane
I microrganismi si dividono in due grandi categorie: procarioti ed eucarioti;
questi ultimi sono ben definiti nuclei delle cellule racchiusi da una
membrana nucleare.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Other differences between these two classes of organisms
include
location of cell respiration,
means of photosynthesis,
means of motility,
reproductive processes.
All classes of microorganisms produce spores, metabolically
inactive bodies that form and survive under adverse conditions in
a “resting” state until conditions favorable for growth occur.
Altre differenze tra queste due classi di organismi includono
posizione della respirazione cellulare, mezzi di fotosintesi, mezzi di motilità e
processi riproduttivi.
Tutte le classi di microrganismi producono spore, organi metabolicamente inattivi che
formano e sopravvivono in condizioni avverse in uno stato di "riposo" fino a quando si
verificano le condizioni favorevoli per la crescita.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Fungi, protozoa, and bacteria (with the exception of
photosynthetic bacteria and protozoa)
are classified as reducers,
which break down chemical compounds to more simple species
and thereby extract the energy needed for their growth and
metabolism.
Funghi, protozoi, e batteri (ad eccezione di batteri fotosintetici e protozoi)
sono classificati come riduttori,
che rompono i composti chimici in più specie semplici e quindi estraggono
l'energia necessaria per la loro crescita e il metabolismo.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Algae are classified as producers because they utilize light
energy and store it as chemical energy.
In the absence of sunlight, however, algae utilize chemical
energy for their metabolic needs.
In a sense, therefore, bacteria, protozoa, and fungi may be looked
upon as environmental catalysts, whereas algae function as
aquatic solar fuel cells.
Le alghe sono classificati come produttori, perché utilizzano l'energia della luce
conservata sotto forma di energia chimica.
In assenza di luce solare, tuttavia, alghe utilizzano energia chimica per le necessità
metaboliche.
In un certo senso, dunque, batteri, protozoi e funghi possono essere considerati
come catalizzatori ambientali,
mentre alghe acquatiche, agiscono come le celle solari a combustibile.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
All microorganisms can be put into one of the four following
classifications based on the sources of energy and carbon that
they utilize:
chemoheterotrophs, chemoautotrophs, photoheterotrophs,
and photoautotrophs.
These classifications are based upon
(1) the energy source
(2) the carbon source utilized by the organism.
Tutti i microrganismi possono essere inseriti in una delle quattro seguenti classificazioni
basate sulle fonti di energia e di carbonio che si utilizzano:
chemioeterotrofi e chemioautotrofi, i fotoeterotrofi, i fotoautotrofi
Queste classificazioni sono basate su (1) la fonte di energia (2) la fonte di carbonio
utilizzata dall'organismo.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Chemotrophs use chemical energy derived from oxidationreduction reactions of simple inorganic chemical species for their
energy needs.
Phototrophs utilize light energy from photosynthesis.
Heterotrophs obtain their carbon from other organisms;
autotrophs use carbon dioxide and ionic carbonates for the C
that they require.
Chemiotrofi utilizzano l'energia chimica derivata da reazioni di ossidoriduzione di
semplici specie chimiche inorganiche per i loro bisogni energetici.
Fototrofi utilizzano l'energia luminosa dalla fotosintesi.
Eterotrofi ottengono il loro carbonio da altri organismi;
Autotrofi usano anidride carbonica e carbonati ionici per il C di cui hanno bisogno
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Figure summarizes the classifications into which
microorganisms may be placed with these definitions.
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Microorganisms at Interfaces
Aquatic microorganisms tend to grow at interfaces.
Many such microorganisms grow on solids that are
suspended in water or are present in sediments.
Large populations of aquatic bacteria typically reside
on the surface of water at the airwater interface.
Microrganismi acquatici tendono a crescere sulle interfacce.
Molti di tali microrganismi crescno sui solidi che sono sospesi in acqua o presenti nei
sedimenti.
Grandi popolazioni di batteri acquatici in genere risiedono sulla superficie dell'acqua
all'interfaccia tra aria e acqua. ***
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Microorganisms at Interfaces
In addition to being in contact with air that aerobic
microorganisms need for their metabolic processes,
this interface also accumulates food in the form of lipids (oils,
fats), polysaccharides, and proteins.
Oltre ad essere in contatto con l'aria che i microrganismi aerobici
necessitano per i loro processi metabolici,
questa interfaccia accumula anche alimenti sotto forma di lipidi (oli, grassi),
polisaccaridi e proteine​​. **
AQUATIC BIOCHEMICAL PROCESSES
Microorganisms at Interfaces
Bacteria at this interface are generally different from those in the
body of water and may have a hydrophobic cell character.
When surface bubbles burst, bacteria at the air-water interface
can be incorporated into aerosol water droplets and carried by
wind.
This is a matter of some concern with respect to sewage
treatment plants as a possible vector for spreading diseasecausing microorganisms.
Batteri a questa interfaccia sono generalmente diversi da quelli nel corpo d'acqua e
possono avere una cellula con carattere idrofobo. Quando bolle superficiali scoppiano,
batteri all’interfaccia aria-acqua possono essere incorporato in goccioline d'acqua
aerosol e trasportati dal vento. Si tratta di una questione di qualche preoccupazione per
quanto riguarda impianti di depurazione come possibile vettore per la diffusione di
microrganismi patogeni. *
ALGAE
Algae may be considered as generally microscopic organisms
that subsist on inorganic nutrients and produce organic matter
from carbon dioxide by photosynthesis.
In addition to single cells, algae grow as filaments, sheets, and
colonies.
Some algae, particularly the marine kelps, are huge multicellular
organisms.
Le alghe possono essere considerati come organismi microscopici che in genere
vivono con nutrienti inorganici e produconomateriale organico da anidride
carbonica attraverso la fotosintesi.
Oltre a singole cellule, le alghe crescono come filamenti, pellicole e colonie.
Alcune alghe, sono enormi organismi pluricellulari.
ALGAE
The four main classes of unicellular algae of importance in
environmental chemistry are:
• Chrysophyta, which contain pigments that give these
organisms a yellow-green or golden-brown color. Chrysophyta
are found in both freshwater and marine systems.
They store food as carbohydrate or oil. The most well-known of
these algae are diatoms, characterized by silica containing cell
walls.
• Chlorophyta, commonly known as green algae, are
responsible for most of the primary productivity in fresh waters.
Le quattro classi principali di alghe unicellulari di importanza in chimica ambientale sono:
Chrysophyta, che contengono pigmenti che conferiscono a questi organismi un colore
giallo-verde o bruno-dorato. Sono presenti sia in acqua dolce e sistemi marini. Esse
conservano il cibo come carboidrati o olio. Le più note sono diatomee, caratterizzati da silice
contenente pareti cellulari,• Chlorophyta, comunemente noto come alghe verdi, sono
responsabili della maggior parte della produttività primaria nelle acque dolci.
ALGAE
• Pyrrophyta, commonly known as dinoflagellates, are motile
with structures that enable them to move about in water.
• Euglenophyta likewise exhibit characteristics of both plants
and animals.
Though capable of photosynthesis, these algae are not
exclusively photoautotrophic, and they utilize biomass from
other sources for at least part of their carbon needs.
• Pyrrophyta, comunemente note come dinoflagellati, sono mobili con strutture che
permettano loro di muoversi in acqua.
• Euglenophyta presentano entrambe caratteristiche di piante e animali.
Sebbene capace di fotosintesi, queste alghe non sono esclusivamente fotoautotrofe, e si
avvalgono di biomassa da altre fonti, per una parte delle proprie esigenze di carbonio.