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Dallo stato dell'arte alla tecnologia WATER WALL® - Alberto Torini
1.LO STATO DELL’ARTE
1.1 INTRODUZIONE
La consapevolezza delle problematiche ambientali comporta, in tutto il mondo, l’adozione di una legislazione più severa.
Molte industrie scaricano rifiuti liquidi contaminati da idrocarburi o da inquinanti oleosi. Le fonti di tali inquinanti comprendono le industrie di trasformazione e raffinazione del petrolio e dei petrolchimici, reflui oleosi dai fluidi refrigeranti utilizzati nelle lavorazioni meccaniche, scarichi fognari, acque di sentina e di zavorra, percolato di acque piovane.
La ricaduta sull’ambiente connessa con gli scarichi oleosi comporta effetti deleteri per l’ambiente stesso: consumano l’ossigeno necessario alla vita acquatica e sono rischiosi per la salute umana.
Gli effetti tossici degli idrocarburi si dividono in due categorie (Laws, 1981):
* Conseguenze dovute al soffocamento e alla contaminazione di animali o vegetali con idrocarburi. Gli effetti della contaminazione sono più evidenti in presenza di grossi quantitativi di materiale oleoso come per esempio in caso di sversamenti di petrolio. in mare. Non si verificano conseguenze da “marea nera” quando sono presenti concentrazioni di idrocarburi di solo alcune parti per milione (ppm), come nel caso di alcuni effluenti di impianti industriali.
* L’alterazione del metabolismo di animali o vegetali è connessa con l’ingestione di idrocarburi e con l’assorbimento degli idrocarburi da parte dei tessuti grassi dell’organismo. Generalmente, i composti tossici, sono solubili in olio ma non idrosolubili e tendono ad accumularsi nelle parti grasse dell’organismo arrecando danni agli animali ed all’uomo.
Questa presentazione introduce la teoria della separazione oli/idrocarburi da acqua ed i criteri di scelta e progettazione di un sistema di separazione; include, inoltre, una panoramica aggiornata delle tecnologie di separazione attualmente disponibili evidenziando anche l’efficienza di separazione ottenibile.
1.2 INFORMAZIONI DI BASE
L’olio si trova nell’acqua in forme diverse:
Olio libero è caratterizzato da gocce d’olio di diametro superiore ai 30 micron che affiora sulla superficie dell’acqua velocemente dopo un breve periodo di quiescenza.
Dispersione meccanica è caratterizzata dalla DISTRIBUZIONE di piccole gocce d’olio con diametro che varia da circa 1 micron a 30 micron e che sono stabili grazie alle cariche elettriche e ad altre forze elettrostatiche ma non alla presenza di tensioattivi.
Emulsioni chimiche sono caratterizzate dalla dispersione meccanica di gocce d’olio con una stabilità addizionale dovuta ad interazioni chimiche provocate da tensioattivi presenti nell’interstrato olio/acqua.
Olio disciolto si parla di soluzione in senso chimico, la rimozione dell’olio con normali sistemi fisici è impossibile.
Olio che aderisce alla superficie di materiale granulare conosciuto come “solid oil-wet”.
Il grado di separazione di olio dall’acqua dipende dalla DISTRIBUZIONE dei diametri delle goccioline d’olio disperse nel refluo. I problemi di separazione comportano l’utilizzo di prodotti chimici diversi dall’olio i quali influiscono sul trattamento richiesto.
E’ difficile determinare il grado di dispersione/emulsione dell’olio ma è possibile adottare accorgimenti per limitarne la formazione:
- Evitare l’utilizzo di detergenti che potrebbero creare emulsioni chimiche stabili.
- Assicurare l’impiego di tubazioni di diametro adeguato per evitare flussi turbolenti che comportano la formazione di dispersioni oleose.
- Evitare l’impiego di attrezzature come pompe, soprattutto quelle centrifughe, valvole, specialmente quelle a sede piana e ostruzioni del flusso di altra origine come per esempio gomiti, raccordi a T ecc., o semplicemente tubature di piccolo diametro che possono provocare turbolenza e favorire la formazione di dispersioni meccaniche. Quando si deve alimentare una miscela di acqua e olio in un separatore è molto importante scegliere una pompa che trasmetta la minor quantità di energia alla miscela in quanto qualsiasi eccesso che si crea deve essere poi rimosso dall’impianto. Per questo motivo viene sconsigliato l’utilizzo di pompe centrifughe ad alta velocità, anche se relativamente economiche e di piccole dimensioni, a favore di pompe con caratteristiche a basso taglio, come per esempio quelle peristaltiche o a cavitazione progressiva.
Le condizioni ideali di Alimentazione di un separatore di olio dall’acqua sono:
1.Flusso per gravità (non pompato) nella tubazione di alimentazione.
2.Tubazione di alimentazione disegnata per cadute minime di pressione.
3.Tubazioni rettilinee pari ad almeno 10 volte il diametro dei tubi a monte del separatore (direttamente nella bocchetta).
4.Tubazioni di alimentazione che abbiano gomiti, raccordi a T, valvole e altri equipaggiamenti ridotti al minimo.
5.L’interno delle tubazioni di alimentazione deve essere il più possibile liscio per evitare turbolenze provocate dalle scabrosità. La superficie liscia del PVC è preferibile a quella scabrosa del cemento. Bisogna tuttavia sottolineare che una lieve turbolenza (per esempio per numeri di Reynolds prossimi alla transizione) potrebbe aumentare la probabilità di coalescenza tra le goccioline di olio, migliorando l’efficienza di separazione.
1.2.1 Separazione fisica
La separazione fisica dell’olio dall’acqua è determinata dalla velocità di risalita della goccia d’olio e governata dalla legge di Stokes.
Vp = velocità di risalita o sedimentazione dell’olio (cm/sec)
g = costante gravitazionale (981 cm/sec2)
= viscosità dell’acqua (in poise)
Dw = densità dell’acqua (gr/cm3)
Do = densità dell’olio (gr/cm3)
d = diametro delle goccioline d’olio (cm).
La legge di Stokes si basa sulle seguenti ipotesi:
*La goccia è di forma sferica.
*Il flusso è laminare.
*Il numero Reynolds è prossimo all’unità (da verificare sempre se il diametro delle goccioline di olio è piccolo)
Ora possiamo vedere l’importanza di ciascun fattore della legge di Stokes nella separazione finale olio acqua.
Importanza della viscosità
Secondo la legge di Stokes, minore è la viscosità dell’acqua maggiore sarà la velocità di risalita dell’olio nell’acqua. L’aumento della temperatura ridurrà notevolmente la viscosità dell’acqua. Per esempio, a parità di condizioni le gocce d’olio in acqua a 4C° (40F°) affiorano ad un ritmo inferiore del 50% di quelle con temperature dell’acqua a 32°C (90°F).
Importanza del peso specifico e del diametro delle gocce d’olio
Secondo la legge di Stokes, maggiore è la differenza di peso specifico tra olio ed acqua più veloce è la risalita delle gocce d’olio nell’acqua. Per esempio un olio combustibile con peso specifico 0,8 avrà una velocità di risalita due volte superiore di un olio con peso specifico 0,9.
Determinazione del peso specifico: viscosità e dimensione della goccia.
La viscosità dell’acqua ed il peso specifico dell’acqua e dell’olio si possono facilmente ottenere dai dati disponibili in letteratura. E’ opportuno sottolineare che nella fase di progettazione di un impianto di separazione si dovranno considerare una vasta gamma di temperature (e quindi di viscosità e pesi specifici), che considerino le condizioni climatiche (estate o inverno) ed altre possibili turbative del processo.
Rimane più difficile determinare il diametro delle gocce. Il metodo più comune prevede l’utilizzo di un misuratore di dimensione come per esempio un analizzatore come il “laser light scattering analyzer”.
1.2.2 Dispersione meccanica / emulsioni chimiche
La dispersione meccanica è una miscela apparentemente omogenea, non una soluzione, formata da goccioline di un fluido non miscibile (olio) disperse in un altro fluido continuo(acqua). Sulla superficie del fluido disperso può esserci carica elettrica dovuta all’assorbimento di ioni nel fluido stesso.
Molte dispersioni meccaniche si separano per gravità se hanno tempo sufficiente, altre possono essere formate da goccioline così piccole disperse e stabilizzate dalle forze elettrostatiche che, anche se lasciate indisturbate, potrebbero non separarsi mai.
Un’emulsione chimica è una miscela chimica omogenea, non una soluzione, formata da gocce di un fluido non miscibile disperso in un altro fluido continuo; queste miscele hanno un alto grado di stabilità grazie alle interazioni chimiche ingenerate dai tensioattivi presenti nell’interstrato olio/acqua.
Le emulsioni chimiche non si separano mai per gravità, per la presenza di un prodotto chimico che tiene coesi i due fluidi non miscibili.
I procedimenti per rompere le dispersioni stabili o le emulsioni chimiche prevedono metodi chimici o fisici.
Trattamenti chimici
I trattamenti chimici possono destabilizzare le gocce d’olio disperse o legate chimicamente oppure distruggere qualsiasi agente emulsionante presente. I trattamenti chimici di disemulsione includono:
- La rottura di una emulsione si ottiene aggiungendo una grossa quantità di sale inorganico che aumenta il contenuto di solido disciolto nella fase acquosa e ne aumenta la conducibilità.
- La coagulazione con sali di alluminio o di ferro è generalmente efficace ed è di uso comune anche se i fanghi di risulta possono essere disidratati con difficoltà e il riutilizzo dell’olio è limitato.
- Per separare le emulsioni l’acidificazione è più efficace dei sali coagulanti ma è più onerosa e gli effluenti dopo la separazione devono essere neutralizzati.
- I demulgatori organici sono degli agenti disemulsionanti estremamente efficaci ma sono generalmente costosi e utili per specifici impieghi.
Tutti questi metodi hanno comunque il problema di un ulteriore trattamento delle acque dopo il trattamento primario.
Il costo complessivo del trattamento è quindi dato dalla somma del costo relativo all’utilizzo dell’agente chimico nel processo primario e del costo sostenuto per il trattamento secondario (la rimozione degli effetti indesiderati) come per esempio nel caso dell’acidificazione.
Il trattamento TECHNO FLOC
Technofluids ha scoperto una MOLECOLA alimentare naturale in grado di rimuovere i liquidi immiscibili ed i solidi dispersi nella fase continua. La reazione avviene in poco tempo -da pochi secondi a un minuto- e la separazione delle acque chiare si ottiene, per esempio, mediante semplice sedimentazione o filtrazione.
La caratteristica principale di questo procedimento, chiamato Techno Floc, è che il liquido non viene trattato chimicamente, la MOLECOLA utilizzata è completamente insolubile e viene quindi eliminata con la filtrazione e/o con altre tecniche conosciute di separazione liquido / solido. Questa peculiarità permette il riutilizzo, nel ciclo primario, delle acque separate con il processo Techno Floc, proprio dove in origine queste venivano eliminate.
Questa invenzione può essere applicata con successo a tutti gli effluenti polari con un contenuto di particelle di solvatate , indipendentemente dalla natura chimica delle particelle, in quanto il processo di trattamento utilizzato è essenzialmente di tipo fisico.
Il trattamento si è dimostrato particolarmente utile per quegli effluenti che devono essere sottoposti a nanofiltrazione, osmosi inversa, o elettrodialisi in quanto permette di eliminare i trattamenti di microfiltrazione / nanofiltrazione, e di aumentare le prestazioni e prolungando la vita di utilizzo delle membrane.
Trattamenti fisici
I metodi fisici per la rottura di una emulsione sono:
- riscaldamento
- centrifugazione ad alta velocità.
Entrambi i metodi che precedono, così come il processo Techno-Floc di Technofluids, lavorano impiegando un preciso principio fisico ma hanno a loro svantaggio un elevato consumo energetico e non sono in grado di assicurare l’elevato livello di separazione che si ottiene con la tecnologia Techno Floc.
1.2.3 Scelta e progettazione di un separatore olio / acqua
Per la scelta e la progettazione di un separatore olio acqua è necessario considerare diversi fattori.
Tra questi:
- Velocità del flusso e condizioni della miscela da separare
- Grado di separazione richiesto e qualità dell’effluente
- Quantità di olio presente nell’acqua
- DISTRIBUZIONE del diametro delle particelle
- Impianti esistenti
- Quantità di solidi presenti nel refluo
- Presenza di dispersione meccanica
- Emulsione dell’olio e presenza di tensioattivi
- Impianti per il trattamento dell’effluente
- Metodo di smaltimento dell’olio recuperato.
Le proprietà chimiche e fisiche di ciascuna fase sono:
- Densità
- Viscosità
- Tensione superficiale
- Temperatura
- PH.
1.3 SISTEMI ATTUALMENTE DISPONIBILI PER LA RIMOZIONE DELL’OLIO DALL’ACQUA
Diversi sono i sistemi per la rimozione dell’olio dall’acqua e vanno dalle semplici vasche ad elaborati sistemi basati su tecnologia a membrane. Prima della tecnologia Water Wall® si pensava che, per molte delle applicazioni, fosse impossibile coniugare semplicità ed EFFICIENZA: i sistemi più semplici sono spesso inadeguati (anche se spesso utilizzati) e quelli più complessi sono più costosi e necessitano di manutenzione intensiva. Di seguito illustreremo metodi di separazione che raggiungono od eccedono i limiti previsti dalle normative, con costi e manutenzione contenuti.
1.3.1 Separazione a gravità
Separatore gravimetrico
Il metodo più semplice per coalescere la dispersione di un liquido in un altro è quello della decantazione. In molti casi prima o poi si verificherà la coalescenza formando due strati separati per azione della gravità. Questo tipo di separatore consiste semplicemente di una camera vuota abbastanza capiente da contenere il refluo da trattare (Figura 1). L’efficienza di un separatore a gravità dipende dalla geometria idraulica e dal periodo permanenza delle acque in rapporto ad una precisa velocità di risalita. Tempi lunghi di residenza aumentano generalmente l’efficienza di separazione. L’effettiva rimozione di gocce d’olio per una data velocità di risalita è una funzione della geometria della struttura. Il periodo di residenza deve essere tale da permettere che le gocce d’olio con una certa velocità di risalita raggiungano lo strato superficiale del fluido dove potranno essere rimosse da appositi skimmers. Lunghi periodi di residenza sono previsti per flussi elevati con l’utilizzo di vasche molto capienti che possono misurare da 4.5 m. a 6 m. di diametro e da 14 m. 18 m. di altezza. L’acquisto di un separatore a gravità può rappresentare un investimento importante in termini di capitale.
Separatore a gravità
Separatore API
Il separatore convenzionale API consiste in una o più camere attraverso le quali il fluido scorre orizzontalmente ad una velocità tale da permettere alle gocce d’olio di risalire alla superficie per essere rimosse (Figura 2). I separatori API sono molto utilizzati nelle raffinerie e negli impianti chimici dove le acque che contengono un elevato quantitative di olio devono essere trattate prima di essere scaricate.
All’interno dei separatori API è possibile controllare le velocità tenendo presente che:
- La velocità orizzontale attraverso il separatore può essere 15 volte maggiore della velocità di risalita della goccia d’olio critica (per es. la più lenta), fino ad un Massimo di 0.9 m al minuto Oltre questo limite gli effetti della turbolenza tendono a ridisperdere le gocce d’olio.
- La profondità del flusso nel separatore dovrebbe misurare tra 0.9 m e2.4 m. Questo per limitare la corsa ascensionale della particella d’olio.
- La larghezza del separatore dovrebbe misurare tra1.8 m e 6.1 m.
- Il rapporto profondità larghezza dovrebbe essere tra 0.3 and 0.5.
- Una lama per il contenimento dell’olio dovrebbe essere installata a non meno di 0.3 m a valle dello skimmer.
I vantaggi principali di questo tipo di separatori è che sono di semplice concezione, economici, resistenti agli intasamenti dovuti ai solidi e necessitano di poca manutenzione.
D’altra parte, il separatore API standard è progettato per ottenere la separazione di gocce d’olio di 150 micron di diametro e oltre. Da un punto di vista pratico questo significa che gli effluenti non conterranno meno di 50 PPM di olio separabile perchè una parte significativa dell’olio presente ha un diametro inferiore a 150 micron. Inoltre le dimensioni e la superficie di un separatore API non possono evitare che la turbolenza del vento disturbi la separazione del contaminante.
Pozzo separatore API (American Petroleum Institute)
Skimmer
Gli skimmers, per definizione, rimuovono l’olio che si è raccolto sulla superficie dell’acqua. Esistono quattro modelli base di skimmers: a nastro, a tubo coalescente, a disco e ed aria.
I modelli a nastro e a disco sono probabilmente quelli più utilizzati.
Skimmer a disco
Separatore a piastre inclinate
Questi sistemi vengono realizzati in grandi moduli costituiti da piastre in vetroresina e intelaiati in strutture di ferro o acciaio (Figura 3). Durante lo spostamento verticale le gocce d’olio immesse nel sistema incontrano dette piastre sulle quali poi migrano verso la superficie. A favore di questo sistema in rapporto ai separatori API è la maggiore EFFICIENZA nella rimozione dell’olio e dei solidi e nella resistenza all’intasamento dovuto ai solidi. Il miglioramento è dovuto principalmente alla sostanziale diminuzione della distanza verticale che una goccia d’olio deve coprire durante la risalita. A loro discapito questi sistemi possono separare gocce d’olio non inferiori a 60 micron di diametro.
Separatore a piastre sinusoidali orizzontali
I separatori a piastre sinusoidali orizzontali utilizzano spesso lamelle in polipropilene oleofilo impilate e assemblate in moduli. Questo sistema utilizza una combinazione di flusso laminare, coalescenza e attrazione oleofila. Il rallentamento del flusso dell’acqua in regime di flusso laminare evita la creazione di turbolenze che provocano la miscelazione dell’olio e dell’acqua e riduce il diametro delle particelle dell’olio. Secondo la legge di Stokes maggiore è il diametro delle particelle, più elevata è la velocità ascensionale e di conseguenza più efficace è la separazione. La natura oleofila delle lamelle richiama le gocce d’olio e favorisce la loro coalescenza in gocce più grandi che risaliranno più velocemente.
Il vantaggio di questo sistema è che i pacchi lamellari sono modulari e di dimensioni relativamente contenute se confrontati con i moduli a piani inclinati Poiché lo spazio di risalita è inferiore a quello del sistema a piani inclinati, particelle dello stesso diametro si separano in minor tempo. Di converso, lo stesso dato spazio tempo all’interno dell’area delle piastre provoca la separazione di particelle di diametro inferiore, fino a 40, 60 micron. Gli svantaggi di questo sistema (senza considerare la qualità di separazione scadente) sono: possibile intasamento dei moduli a causa dei solidi dispersi nel refluo e possibile danneggiamento delle piastre a causa dei solventi che potrebbero attaccare le lamine in polipropilene come per esempio i BTEX (benzene , toluene , Xilene).
Sezioni di separatori lamellari
1.3.2 Dispositivi di flottazione ad aria
Questi sistemi vengono impiegati unicamente per trattamenti secondari e richiedono l’immissione all’interno del flusso dell’effluente di aria sotto forma di bolle microscopiche che si uniranno alle gocce d’olio. Come conseguenza si riduce il peso specifico delle gocce d’olio e d’aria nell’equazione di Stokes con il conseguente aumento della velocità ascensionale Vp. I dispositivi di flottazione ad aria vengono di solito installati a valle di un separatore a gravità per rimuovere grandi quantità di olio e di solidi. Ciò riduce il volume d’aria disciolta necessaria e permette l’utilizzo di flocculanti chimici a livelli economici. Esistono due metodi per la formazione di minuscole bolle d’aria: flottazione ad aria disciolta e flottazione ad aria dispersa.
Flottazione ad aria disciolta
In questo processo, sull’intero flusso o su una parte riciclata, viene immessa aria pressurizzata fino a 5-6 BAR prima che questi entri nella vasca di separazione. All’entrata, la riduzione della pressione atmosferica determina il rilascio dell’aria da parte della soluzione.
Flottazione ad aria disciolta (DAF)
Flottazione ad aria dispersa
In questo caso l’aria viene create all’interno dell’effluente per mezzo di un agitatore ad alta velocità di taglio che crea un effetto schiuma che aiuta la separazione dell’olio.
Flottazione ad aria dispersa o atmosferica
Uno dei principali vantaggi dei processi di flottazione ad aria è la migliorata separazione dell’olio. I sistemi a gravità non possono separare gocce d’olio con diametro inferiore a 60 micron mentre la flottazione ad aria permette di separare gocce con diametro di 35 micron se ad aria dispersa e 50 micron se ad aria disciolta.
Entrambi i sistemi di flottazione sopra descritti necessitano di agenti chimici ed hanno costi di esercizio più elevati dei sistemi a gravità. Inoltre, la necessità di pressurizzare o disperdere aria all’interno del flusso rende elevato il rischio di rottura meccanica (dispersione) delle goccioline d’olio.
1.3.3 Separatori centrifughi
Con questo procedimento, la fase acquosa, più pesante, viene spinta all’esterno dalle forze centrifughe che si sono generate imprimendo al fluido un flusso rotatorio. Il materiale oleoso più leggero si raccoglie al centro del vortice da dove viene in seguito rimosso. Perchè sia efficace nelle emulsioni olio/acqua, il meccanismo di raccolta dell’olio deve essere in grado di rimuovere la piccola colonna d’olio che si trova al centro. La massima intensità delle forze centrifughe si ottiene nelle regioni radiali più esterne, ad eccezione per la piccola colonna di olio separato.
Idrociclone
L’efficienza dell’idrociclone può essere definita solo in termini di rimozione delle gocce d’olio. Colman ed. Al. nel 1984 ha sviluppato per l’idrociclone liquido/liquido una espressione empirica in termini di d75 che è il diametro di una goccia d’olio con il 75% di probabilità di essere separate. Si è scoperto che l’efficienza dell’idrociclone poteva essere espressa in termini di due gruppi privi di dimensione: l’idrociclone numero Reynold (ReD) e e l’idrociclone numero (H75).
Conoscendo d75 è possibile ricavare la possibilità di migrazione e le curve di EFFICIENZA di separazione.
Nonostante diversi fornitori reclamino la paternità del loro progetto idrociclone, tutti i prodotti esistenti possono essere ragionevolmente derivati dalla espressione sopra descritta (Mubarak et al, “Production Separation Systems Conference”, 29&30 May 1997, Oslo, Norway). La definizione di Hy mostra che, una volta che i parametri sono stati stabiliti (p, ), d75 dipende unicamente dalla portata del flusso (Q) e dal diametro dell’idrociclone (D).
L’efficienza di separazione olio/acqua dell’idrociclone è influenzata da:
- La portata dell’affluente che regola le cadute di pressione attraverso gli idrocicloni e le cui fluttuazioni sono ammesse solo in campi che si riducono proporzionalmente più ci si avvicina alle condizioni di EFFICIENZA ottimali.
- Il diametro e la geometria degli idrocicloni , a parità di EFFICIENZA i diametri più piccoli operano con pressioni di alimentazione inferiori,
- La differenza di densità tra l’acqua e gli idrocarburi dispersi, maggiore è la differenza, più efficiente sarà la separazione,
- La viscosità dell’acqua (temperature, salinità), più bassa è la viscosità, migliore sarà l’efficienza di separazione,
-Le caratteristiche della dispersione: diametro (può essere influenzato dalla presenza nel mezzo di tensioattivi) e la concentrazione delle particelle di idrocarburi.
- Alcuni modelli di pompe di alimentazione che hanno una elevata potenza di taglio non sono consigliate per l’alimentazione dell’idrociclone in quanto disperdono gli idrocarburi in particelle con diametro incompatibile con l’efficienza della separazione. Un compromesso accettabile è offerto dalle pompe a bassa velocità e ad un solo stadio.
In fase sperimentale o anche per esperienza diretta, per i fluidi che si trovano di solito in un campo petrolifero il rendimento ottenuto con il solo idrociclone è insufficiente in quanto non raggiunge la concentrazione richiesta di idrocarburi dispersi negli effluenti (Gaudebert 1997).
La quantità d’olio dichiarata negli affluenti è di 50 - 60 PPM.
Esempio di idrociclone
Centrifughe
Contrariamente all’idrociclone, in questo metodo le forze centrifughe vengono generate con l’immissione diretta di energia. La centrifuga consiste in un vasca rotante azionata da un motore elettrico. La velocità è normalmente di 5000 rpm.
La centrifuga a dischi sovrapposti è utilizzata per la separazione dell’olio dall’acqua. La vasca contiene un certo numero di dischi conici che svolgono le stesse funzioni delle piastre negli intercettatori a lamelle: riducono la distanza di risalita delle particelle d’olio.. L’olio migra sulla superficie delle piastre e viene raccolto dal centro della centrifuga mentre l’acqua viene raccolta da un disco di taglio centrale alimentato dall’esterno. I solidi vengono espulsi ad intervalli per mezzo di un sistema idraulico.
La quantità d’olio dichiarata negli affluenti è di 40 - 60 PPM.
Esempio di centrifuga a tre fasi
1.3.4 Separatori di emulsioni
I sistemi in uso per aumentare la coalescenza delle gocce d’olio sono: filtrazione su materiale granulare oleofilo e mezzo coalescente.
Filtrazione con materiale granulare oleofilo
La filtrazione a pressione su mezzo granulare oleofilo viene di norma utilizzata come finitura nel trattamento degli effluenti oleosi. Il materiale utilizzato può essere granato, sabbia o gusci frantumati di noci. La filtrazione con materiale granulare oleofilo permette la rimozione di gocce di diametro inferiore a quelle rimosse per flottazione, ma bisogna tenere presente gli inconvenienti che sono connessi ad un processo discontinuo.
*Capacità di trattenere l’olio:
L’olio ed i solidi sono trattenuti fisicamente nel letto filtrante ed espulsi all’esterno ad intermittenza. Vi è quindi un limite nella capacità di trattamento di un letto filtrante. In pratica per garantire cicli temporali e capacità filtranti del mezzo la concentrazione dell’olio nel refluo immesso non dovrebbe superare 50 PPM. Questo significa che un buon pre-trattamento è essenziale. Un pre-trattamento efficiente è l’idrociclone seguito da degasaggio. E’ importante inoltre non immettere gas libero nel filtro contenente materiale granulare.
*Lavaggio controcorrente:
L’idrociclone e la flottazione hanno entrambi un flusso di scarico continuo e diluito di olio che può essere facilmente riciclato e reinserito nel processo. Al contrario il mezzo filtrante granulare ha una produzione intermittente di effluenti ad alto contenuto e concentrazione di olio, solidi e fanghi che devono essere trattati di nuovo. A causa dell’intermittenza del flusso e dell’elevato contenuto in solidi il semplice riciclaggio è impraticabile; di solito viene installato un sistema di lavaggio controcorrente.
*Risposta alle turbative:
A causa della ridotta capacità di trattenere olio e solidi sospesi un sistema di filtrazione granulare è molto sensibile a turbative nel processo e in genere è molto difficile recuperare filtri compromessi dai depositi oleosi e di solidi sporchi.
*Controllo dei batteri:
Il mezzo filtrante fornisce un ambiente ideale per la proliferazione di batteri solfato riduttori. Il controllo batterico è difficile in quanto molti prodotti in commercio utilizzano biocidi organici che hanno un effetto negativo sull’efficienza del separatore granulare.
La quantità d’olio dichiarata negli affluenti è di 5 - 15 PPM.
Esempio di filtro con materiale granulare
Coalescenza
Esiste un certo numero di coalescers che vengono utilizzati per la separazione olio/acqua e garantiscono una migliore qualità degli scarichi. Si tratta di sistemi avanzati di coalescenza che utilizzano un materiale appositamente studiato dotato di una superficie che trattiene le particelle più piccole di olio che vengono poi rilasciate come gocce più grandi per essere facilmente separate.
I pori di piccole dimensioni utilizzati per creare una superficie semi-permeabile necessitano in ogni caso di un flusso privo di impurità in sospensione che altrimenti potrebbero causarne l’ostruzione.
La fase coalescenza deve quindi essere preceduta da una fase filtrazione. Il materiale per la coalescenza può essere una rete sottile realizzata in ceramica o con polimeri. Di solito ha la forma di una cartuccia.
Le particelle di sporcizia nei reflui rappresentano il principale ostacolo per una buona coalescenza. Le particelle olio/sporco potrebbero non coalescere ed essere ancora presenti negli effluenti contribuendo alla concentrazione totale di olio.
Se l’olio è viscoso, la combinazione olio/sporcizia potrebbe accumularsi sulla superficie del materiale coalescente e intasarlo.
Questa tecnica è molto onerosa in termine di capitale iniziale e di costi di esercizio e viene di solito utilizzata per piccoli impianti di trattamento.
La quantità d’olio dichiarata negli affluenti è dell’ordine di 10 PPM.
Esempio di impianto di coalescenza ad uno stadio
1.3.5 Biotecnologia
Un serio problema è rappresentato dal trattamento di oli disciolti e di altri tipi di emulsioni stabilizzate chimicamente che non possono essere destabilizzate con additivi chimici. Il trattamento biologico con microrganismi acclimatati è in genere efficace nella decomposizione una buona parte di questo tipo di materiale ed è utilizzato nelle raffinerie di petrolio. Comunque questi sistemi sono efficaci solo in seguito a pre-trattamenti e con reflui oleosi molto diluiti. In un sistema biologico l’eccesso di olio è un problema in quanto i microrganismi lo assorbono più velocemente di quanto riescano a metabolizzarlo.
Nei filtri biologici, l’olio tende a ricoprire le superfici microbiche e a ridurre il trasferimento di sostanze organiche più facilmente ossidabili. Nei sistemi a fanghi attivi, l’olio assorbito tende a rendere meno omogenee le caratteristiche di sedimentazione dei fanghi. Le perdite di fanghi che ne derivano possono essere così elevate da ridurre la presenza microbica nel sistema ad un livello tale da ridurre l’efficienza del sistema stesso fino alla sua inefficienza.
Il metabolismo microbico dell’olio è limitato dalla ridotta solubilità dell’olio , dalla configurazione chimica delle molecole dell’olio e dalla superficie microbica. I filtri biologici possono trattare reflui con concentrazioni d’olio fino a 50 PPM, mentre i sistemi a fanghi attivi non hanno alcuna EFFICIENZA se la concentrazione dell’olio è al di sopra di 20 PPM.
La quantità d’olio dichiarata negli affluenti trattati biologicamente è di <15 PPM.
Esempio di impianto per il trattamento biologico.
1.3.6 Assorbimento su carbone / argilla organica.
L’assorbimento con carbone/argilla organica è stato ampiamente utilizzato per la rimozione di tracce d’olio. Il trattamento richiede dei sistemi adatti per la rigenerazione del mezzo; questi trattamenti includono: vapore, acqua calda, solventi organici e pirolisi. L’assorbimento con carbone/argilla organica richiede investimenti per lo STOCCAGGIO dei materiali e la rigenerazione dell’impianto e di conseguenza non ha avuto applicazioni diffuse nei casi di concentrazioni di olio elevate.
Esempio di tubi filtranti al carbone
1.3.7 Sistemi a membrana
E’ possibile ottenere una separazione di alta qualità spingendo il principio di coalescenza fino alla microfiltrazione o alla ultrafiltrazione. E’ necessario un pre-trattamento efficace per evitare l’intasamento della membrane così come un lavaggio controcorrente con tensioattivi per mantenere la portata del flusso a livelli ottimali.
Il sistema funziona sotto pressione per forzare l’acqua attraverso la membrane trattenendo i contaminanti. La struttura e la dimensione dei pori delle membrane favoriscono la separazione dall’acqua dell’olio emulsionato. E’ comunque necessario operare a pressioni elevate per permettere il passaggio dell’acqua attraverso la membrana.
I sistemi a flusso incrociato hanno consumi energetici elevati a causa dell’alto flusso di ricircolo.
I sistemi a membrana sono molto costosi in termini di capitale iniziale e di costi di esercizio. Vengono di solito utilizzati per piccoli impianti.
Esempio di membrana ultrafiltrante
1.4 APPLICAZIONE DI DIVERSI SISTEMI
In anni recenti la legislazione più severa applicata agli effluenti ha portato alla riconversione di diversi separatori API secondo progetti di maggiore EFFICIENZA. In genere i separatori API sono mantenuti all’interno degli impianti ma vengono affiancati da un altro sistema più spinto di separazione posto a valle di questi.
I separatori a piastre , i sistemi a tubi coalescenti, e altri sistemi di separazione per gravità offrono migliori prestazioni dei sistemi più semplici ma con costi più elevati. E’ necessario bilanciare costi e benefici per rispettare le condizioni previste dalla legge.
Quando l’impianto richiede:
- Alta EFFICIENZA nella rimozione dell’olio.
- Sistema semplice, economico e facile da usare.
- Capacità di tollerare solidi.
- Capacità di trattare volume elevati.
La tecnologia Water Wall® è l’unica in grado di soddisfare detti requisiti e di lavorare in condizioni estreme producendo effluenti con concentrazioni oleose entro i limiti richiesti dalle normative più restrittive. Virtualmente il sistema Water Wall® può produrre acque di scarico con un contenuto d’olio non rilevabile.
2. IL SISTEMA Water Wall®
Il sistema Water Wall®, nella sua struttura ottimale, consiste in un impianto a due stadi progettato per separare e rimuovere l’olio non solubile, i solidi ed estrarre l’aria dalle acque oleose.
Il sistema, in grado di trattare l’acqua oleosa alla sua portata nominale, è progettato per operazioni in continuo e ad intermittenza senza ricorrere a prodotti chimici o altri additivi. Dopo la sua messa in funzione, l’impianto funziona automaticamente.
Il processo completo può includere sul sito una unità di filtrazione autopulente per garantire i mezzi più efficienti ed efficaci di separazione dell’olio dall’acqua e recuperare i solidi in sospeso senza dover cambiare o sostituire il mezzo di separazione.
Alla base della concezione del sistema è il principio della separazione Water Wall® la cisterna contiene una serie di membrane montate verticalmente per facilitare la rimozione dei solidi.
DESCRIZIONE DEL FUNZIONAMENTO
Per prevenire la formazione di emulsioni meccaniche l’acqua oleosa è pompata dentro il separatore per mezzo di una pompa installata sullo scarico del separatore
All’entrata del separatore (1) la dispersione olio acqua è indirizzata verso il coalescer (2) il cui scarico si trova strategicamente sotto la superficie del fluido e prima delle camere di separazione Il coalescer rallenta la velocità, distribuisce il flusso in entrata e nel contempo aumenta il diametro delle gocce d’olio ed effettua la separazione primaria dell’olio.
Molto olii si separano dall’acqua per la differenza di peso specifico e la ridotta velocità all’interno della prima camera (A). Gli olii salgono alla superficie del fluido aiutati da deflettore/diffusore di entrata che dirige verso l’alto la maggior parte del flusso. La maggior parte dei solidi ricadrà a causa della ridotta velocità. Questi solidi verranno raccolti sul fondo della camera (A) in prossimità dello scarico dei fanghi ed al foro per il prelievo manuale dei fanghi.
L’acqua, dopo il primo passaggio nella camere di separazione (5A), attraverso il tubo (4) passa alla camera (B) per la separazione completa e finale. Il fluido passa poi alle camere di separazione (5B) da dove verranno estratte le acque pulite (6).
Una volta che si è accumulata una quantità sufficiente di olio sulla superficie del fluido, si attiva una sonda sensibile all’olio e la separazione inizierà automaticamente un ciclo di scarico dell’olio. Dopo la rimozione dell’olio il separatore torna in modalità separazione.
La separazione dell’acqua dagli idrocarburi si verifica grazie alle forze di attrazione/repulsione molecolari e/o elettrostatiche che creano una tensione aggiuntiva sullo strato più superficiale del “mezzo a due fasi” in seguito alla pre-attivazione del mezzo filtrante. Questo trattamento deve essere effettuato una sola volta, prima di iniziare il processo di separazione. Questo trattamento di attivazione preliminare crea una pellicola interfacciale molto resistente che inibisce completamente il passaggio della fase oleosa dispersa attraverso il mezzo filtrante Water Wall®.
E’ importante sottolineare che la separazione non avviene per effetto meccanico ma unicamente grazie a forze naturali di attrazione/repulsione molecolari e/o elettrostatiche che inibiscono il passaggio attraverso il “mezzo Water Wall® ” della fase oleosa dispersa. Questa rimane al di sopra della pellicola fino alla formazione di gocce macroscopiche, che si creano per collisione con altre gocce discendenti, che per effetto delle forze di flottazione risalgono alla superficie più esterna del separatore. Qui lo strato che si viene a formare viene continuamente rimosso per raschiatura per il recupero della fase oleosa.
2.1 Campi di applicazione del sistema Water Wall®:
PRODUZIONE OLIO & GASOLIO (onshore / offshore):
Produzione dell’acqua (olio)
Acqua condensata (gas)
Lavaggio dei ponti.
APPLICAZIONI INDUSTRIALI:
Acqua di condensa e di raffreddamento di centrali elettriche
Effluenti di impianti petrolchimici e di raffinerie
Effluenti di laminatoi da qualsiasi impianto di laminazione
Refrigeranti macchine utensili
Effluenti oleosi provenienti da:
-Industria chimica
-Industria farmaceutica
-Industrie alimentari
-Industria mineraria
-Industria tessile e della
-Industria meccanica:
LAVORAZIONI MECCANICHE: fluidi idrosolubili, semi sintetici, sintetici e biosolubili usati per rettifiche, tornitura e operazioni con macchine utensili in genere;
FINISSAGGIO METALLI: acidi idrosolubili, preparati alcalini e acidi contenenti olii di scarto liberi e dispersi meccanicamente;
TORNI DA VITERIA: olii di scarto derivanti fluidi idrosolubili utilizzati nei serbatoi dei torni da viteria ;
INDUSTRIA METALLURGICA: fluidi idrosolubili usati per operazioni ferrose e non ferrose, profilatura, ricalcatura a freddo, stampaggio e laminatoi per tubi.
APPLICAZIONI NAVALI:
Separazione acqua di sentina
Separazione acqua di zavorra
Riversamenti
Protezione degli impianti di dissalazione e di separazione acque marine.
CONTROLLO INQUINAMENTO:
Trattamento acque di superficie
Trattamento acque freatiche
Trattamento acque pluviali
PROCESSI DI SEPARAZIONE:
diesel / acqua
kerosene / acqua
benzene / acqua
olio lavorazioni meccaniche / acqua
grasso animale / acqua
sostanze organiche e chimiche immiscibili /acqua.
ALTRE APPLICAZIONI:
Effluenti oleosi derivati da :
Terminali di olii combustibili
Cantieri ferroviari.
Per completare la descrizione del sistema Water Wall® vogliamo aggiungere che è stato possibile sviluppare un modello fisico in grado di spiegare le elevate prestazioni del sistema.
Questo modello si basa sul presupposto che l’interazione tra le molecole d’acqua e il mezzo filtrante genera una pellicola interfacciale che agisce come una vera e propria barriera d’acqua contro le particelle d’olio disperse nell’acqua; grazie ad una tensione interfacciale addizionale che dipende da una parte dalla tensione interfacciale intrinseca dell’olio acqua e dall’altra dalle dimensioni delle gocce incidenti.
L’algoritmo numerico di questo modello ha permesso la simulazione diretta del movimento delle gocce d’olio in un flusso d’acqua laminare.
I risultati ottenuti mostrano una perfetta coincidenza con i dati sperimentali rilevati in un numero di tests effettuati con miscele olio acqua nelle quali le dimensioni della particella d’olio è stata rilevata utilizzando una luce laser a dispersione. Questa coincidenza di risultati è la miglior prova della validità dell’ipotesi sulla quale questo modello è stato sviluppato.
Questo modello, oltre ad illustrare la straordinaria EFFICIENZA del processo di separazione Water Wall®, rende possibile una prima definizione dei parametri di ottimizzazione di un dato problema di separazione.
Ulteriori informazioni sulle applicazioni e le prestazioni del sistema di separazione Water Wall® possono essere richieste direttamente a Technofluids.
3. CONCLUSIONI
Le normative ambientali si fanno sempre più severe e richiedono concentrazioni più basse di olii e grassi negli effluenti. Sfortunatamente le risorse per il trattamento delle acque reflue sono molto limitate e quindi si è reso necessario fornire trattamenti più efficaci senza aumentare i costi di investimento e di operazione.
A volte i sistemi per il trattamento possono essere semplici e non costosi come i separatori per il controllo dei riversamenti. Più spesso è necessario fornire metodi di trattamento sofisticati e costosi come ad esempio i sistemi a membrana. Il sistema più appropriato è quello meno costoso che garantisce la qualità degli effluenti richiesta.
In questo caso, solo con la tecnologia Water Wall® ci offre un sistema facile da usare e non costoso in grado di effettuare una separazione dell’olio dell’acqua estremamente accurata tale da permettere il loro riutilizzo nel ciclo produttivo.
Water Wall® fornisce una tecnologia di separazione efficiente in termini di qualità e controllo dei costi che garantisce con largo margine il rispetto delle normative di legge locali, regionali o statali. Ogni sistema è progettato singolarmente per venire incontro alle richieste della clientela.