IT202000005518A1 - Dispositivo per la purificazione di un fluido tramite iniezione di grafene - Google Patents

Description

Descrizione

Campo di applicazione

La presente invenzione trova applicazione nel settore del trattamento delle acque reflue industriali ed ha per oggetto un dispositivo capace di operare un efficace rimozione di inquinanti quali idrocarburi e metalli pesanti.

Stato della tecnica

Le sempre pi? severe normative sulla tutela delle acque dall?inquinamento sono inquadrate all?interno di una sempre pi? ampia e attenta attenzione alle tematiche di impatto ambientale causato dalle attivit? antropiche. Tale aspetto, combinato al fatto che spesso l?acqua ? un bene prezioso quanto limitato, conferisce grande importanza ad una corretta ed efficiente gestione del ciclo dell?acqua industriale. Tecnologie per l?abbattimento degli inquinanti nelle acque reflue, cos? da poterle scaricare senza problemi in corsi d?acqua o reti fognarie, risultano indispensabili per la quasi totalit? delle attivit? industriali. Le moderne tecnologie impiegate per il trattamento delle acque reflue si basano su processi di tipo fisico, chimico e biologico.

I processi di tipo fisico sono utilizzati praticamente in ogni impianto ed includono la sedimentazione, la filtrazione e altri semplici processi fisici di separazione del materiale in sospensione. Allo stato attuale esistono svariati materiali porosi usati nella costruzione di filtri ed ? prassi comune adottare processi di decantazione (sedimentazione per azione della forza di gravit?) per la separazione di eventuali sostanze oleose o comunque componenti insolubili in acqua. Per migliorare l?efficienza di separazione delle particelle di piccole dimensioni ? prassi comune addizionare all?acqua specifiche sostanze chimiche flocculanti, aventi capacit? di favorire l?agglomerazione delle particelle in aggregati di maggiori dimensioni. Tali aggregati risultano indubbiamente pi? facilmente separabili per sedimentazione o filtrazione. I filtri per le acque reflue sono costituiti da opportuni strati di materiale granulare permeabile all?acqua ma in grado di trattenere le particelle solide. Queste ultime si raccolgono pertanto sulla superficie del materiale filtrante, rendendo necessari periodici lavaggi in controcorrente o sostituzione degli stessi filtri.

Nei processi di tipo chimico invece la rimozione dei composti inquinanti avviene solitamente per precipitazione chimica, modificando il pH dell?acqua attraverso l?impiego di opportuni composti che reagiscono con gli inquinanti disciolti. Tali processi originano nuovi composti pi? facilmente separabili per sedimentazione o filtrazione, operazioni che in genere seguono i trattamenti di tipo chimico. L?efficienza dei processi di precipitazione chimica dipende fondamentalmente dal tipo di reagente utilizzato e dal suo dosaggio, nonch? dalla capacit? di mantenere un adeguato valore del pH per tutta la durata del processo. Gran parte dei metalli presenti nelle acque reflue precipitano sotto forma di idrossidi metallici in presenza di ambienti alcalini. A tal fine le acque reflue vengono trattate con sorbenti basici come il calcare, l?ossido di calcio o la calce idrata.

Una moderna tecnica di trattamento delle acque reflue si basa su processi ad assorbimento, in cui le particelle di sostanze solute presenti nelle acque vengono catturate da una superficie solida formata da un materiale altamente poroso (l?assorbente). La capacit? assorbente di tale materiale diminuisce progressivamente con l?uso, fino a raggiungere un limite in cui l?assorbente non pu? pi? essere adoperato. Perci? tale quantit? va rimossa e inviata a processi di rigenerazione, se possibile, o conferita a discariche specializzate. Il numero di cicli di lavoro possibile per una certa quantit? di materiale assorbente dipende essenzialmente dal tipo di inquinante per cui ? utilizzato, ma molto dipende anche dal metodo e dal macchinario in cui ? inserito. L?assorbente comunemente pi? diffuso ? il carbone attivo, sotto forma granulare (Granular Activated Carbon) o sotto forma di polvere (Powder Activated Carbon) opportunamente dosate. Il carbone attivo ? semplicemente un materiale contenente principalmente carbonio amorfo e avente una struttura altamente porosa a elevata area superficiale per unit? di volume. Nella forma granulare le particelle hanno dimensioni paragonabili a quelle della sabbia, circa 0,8 mm, mentre nella forma in polvere sono pi? minute. I carboni attivi trovano vasta applicazione nella rimozione di sostanze organiche, ma, a seconda delle circostanze, possono essere adoperati con una buona efficienza anche nella rimozione di composti inorganici, nitrati, solfuri e metalli pesanti. I processi ad assorbimento risultano comunemente inseriti in un contesto di trattamento pi? ampio, essendo, ad esempio, posti a valle di processi di filtrazione.

Presentazione dell?invenzione

Scopo della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un?apparecchiatura e un metodo per la purificazione di un fluido in grado di sfruttare efficacemente le propriet? assorbenti del grafene, i quali siano in grado di rimuovere con elevata efficienza gli inquinanti presenti. In questa invenzione il grafene sostituisce il carbonio allo stato amorfo presente nel carbone attivo, mettendo a disposizione un materiale assorbente dalle caratteristiche e propriet? decisamente migliori.

Uno scopo particolare ? quello di purificare le acque reflue industriali contenenti oli, idrocarburi o metalli pesanti, in differenti proporzioni.

Un altro scopo della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un?apparecchiatura per la purificazione di un fluido economica e del tutto affidabile. Un altro scopo della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un?apparecchiatura per la purificazione di un fluido, la quale consenta di essere impiegata in modo versatile in differenti ambiti applicativi, regolata e adattata agevolmente per ottimizzare il suo rendimento energetico e di captazione in ogni applicazione in cui si presta a essere adoperata.

Un altro scopo della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un?apparecchiatura compatta, che possa essere trasportata agevolmente nel luogo in cui si renda necessaria e che abbia bisogno, per il suo funzionamento, solo di una fonte di energia elettrica adeguata.

Breve descrizione dei disegni

Le caratteristiche tecniche del trovato, secondo i suddetti scopi, sono chiaramente riscontrabili dal contenuto delle rivendicazioni sotto riportate ed i vantaggi dello stesso risulteranno maggiormente evidenti nella descrizione dettagliata che segue, fatta con riferimento ai disegni allegati, che ne rappresentano alcune forme di realizzazione puramente esemplificative e non limitative, in cui:

? La Fig. 1 mostra uno schema a blocchi del dispositivo per la purificazione di un fluido, secondo la presente invenzione;

? La Fig. 2 mostra un esempio di tubo forato, in acciaio inossidabile o materiale similare, che trova applicazione nel filtro a cartuccia componente il dispositivo, secondo la presente invenzione;

? La Fig. 3 mostra una porzione rettangolare di adeguate dimensioni di un materiale filtrante quale polipropilene o similare, la cui faccia superiore ? cosparsa di polvere di grafene mista a sabbia di quarzo, ugualmente distribuiti su tutta la superficie, secondo la presente invenzione;

? La Fig. 4 mostra l?insieme di porzione rettangolare mostrata nella figura precedente avvolta sul tubo forato mostrato nella Fig. 2, insieme che va a costituire l?elemento filtrante finale, denominato anche filtro a cartuccia, dello schema del dispositivo, secondo la presente invenzione.

Descrizione dettagliata di un esempio di realizzazione preferito

Con riferimento alle figure allegate ? illustrato un esempio di apparecchiatura per la purificazione di un fluido, oggetto della presente invenzione. Da quanto descritto appare evidente che lo strumento secondo l?invenzione raggiunge gli scopi prefissati. L'oggetto dell?invenzione ? suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate. Tutti i particolari potranno essere sostituiti da altri elementi tecnicamente equivalenti, ed i materiali potranno essere diversi a seconda delle esigenze, senza uscire dall'ambito di tutela della presente invenzione.

Anche se l'oggetto ? stato descritto con particolare riferimento alle figure allegate, i numeri di riferimento usati nella descrizione e nelle rivendicazioni sono utilizzati per migliorare l'intelligenza dell?invenzione e non costituiscono alcuna limitazione all'ambito di tutela rivendicato.

L?impianto ? costituito essenzialmente da quattro vasche o recipienti aventi base conica ad imbuto, costruite in modo tale da riempirsi e riversare sequenzialmente il volume elaborato nella vasca adiacente successiva. Tali vasche hanno capienza compresa tra 200 e 500 litri, costruite e affiancate in modo da sfruttare al meglio lo spazio a disposizione, in modo da rendere l?apparecchiatura il pi? compatta possibile, importante punto di forza di tale invenzione.

L?esempio di apparecchiatura in questione sfrutta le propriet? della calce, gi? consolidate nella pratica industriale, per svolgere un primo trattamento del fluido da trattare. L?esempio di apparecchiatura in questione sfrutta in particolare le propriet? di addolcimento, correzione del pH, neutralizzazione, rimozione dei composti metallici e a base di zolfo, fosforo e fluoro. Il trattamento a base di calce che precede quello tramite grafene ? per? suscettibile di modifiche e variazioni, potendo differire dall?esempio riportato di seguito, rientrando comunque nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate.

La calce idrata viene diluita con acqua all?interno di un serbatoio, in adeguate proporzioni a seconda delle esigenze, formando una miscela comunemente nota come latte di calce. Detta miscela viene prelevata dalla pompa P2 a valle del serbatoio e introdotta nel processo.

L?acqua da trattare viene convogliata in un serbatoio di omogeneizzazione, fornito di un agitatore, movimentato a sua volta dal motore M1, la cui potenza ? compresa tra 0,5 e 1 kW, prelevata dalla pompa sommersa P1 e inviata alla sezione vasche.

La miscelazione del latte di calce con l?acqua da trattare, in ingresso all?apparecchiatura, inizia nella tubazione di mandata alla vasca V1. La vasca V1 riempendosi riversa il volume elaborato nella vasca V2. All?interno della vasca V2 avviene, in uno stato di calma, la decantazione della miscela di acqua e latte di calce: la calce idrata si lega ai metalli pesanti formando aggregati che precipitano sul fondo, avendo peso specifico decisamente maggiore rispetto alle altre particelle (acqua e impurit? rimanenti) che restano in sospensione nella soluzione. L?introduzione di calce idrata, sostanza fortemente alcalina, nell?acqua in trattamento ha come effetto l?innalzamento del pH del fluido. La lettura di tale innalzamento pu? risultare utile per ottenere un?indicazione di come stia avvenendo la reazione di formazione di composti pesanti in grado di decantare. I tempi di decantazione sono propri della specifica acqua da trattare, ci? rientra comunque nel concetto inventivo espresso dalle rivendicazioni allegate.

Completata la decantazione, il fluido in trattamento tracima dalla vasca V2 alla vasca V3, in cui avviene la miscelazione con il grafene. La pompa di servizio P5 preleva una portata prestabilita di acqua trattata a valle dell?ultimo filtro del trattamento F3, tale portata viene elaborata dalla pompa ad alta pressione P6, dimensionata per un campo di pressione compreso tra 120 e 160 bar, per la successiva alimentazione dell?eiettore. L?eiettore trasforma la componente energetica di pressione del fluido in uscita dalla pompa P6 in energia cinetica del fluido miscelato in uscita da esso. L?eiettore richiama cos?, per effetto Venturi, il grafene dalla sezione di alimento, consistente in una coclea per la movimentazione e in un serbatoio per lo stoccaggio, tenuto in pressione da un compressore. L?eiettore riversa un getto di acqua contenente polvere di grafene finemente miscelata nella vasca V3. Il grafene contenuto nel getto ha cos? modo di espandersi all?interno della vasca di miscelazione V3.

Finita la miscelazione in vasca V3 l?acqua oggetto di trattamento, una volta raggiunto il livello massimo, tracima nella vasca V4. La vasca V4 ha un tubo centrale che fa da scarico del troppo pieno, a un livello inferiore della tracimazione da V3 a V4. Lo scarico avviene in un ambiente chiuso in cui il filtro F1, formato da una sezione filtrante a calza seguita da strati di sabbia di quarzo a granulometria variabile, trattiene il grafene che ha assorbito gli inquinanti presenti formando agglomerati di dimensioni tali da essere efficacemente trattenuti dal filtro.

A valle del filtro F1, la pompa P3 aspira l?acqua filtrata convogliandola verso una sezione filtrante composta da due filtri, il filtro a calza F2 e il filtro a cartuccia F3. In particolare, quest?ultimo ? composto da una cartuccia costituita da un materiale filtrante arrotolato in pi? strati, intervallati uno strato di grafene misto a sabbia di quarzo, di granulometria compresa tra 0,1 e 0,2 mm, attorno a un tubo forato di acciaio, secondo il concetto inventivo espresso dalle rivendicazioni allegate. In particolare, nell?esempio descritto, il materiale filtrante risulta essere un materasso di polipropilene, dello spessore di 10 mm, e avente restanti dimensioni tali da essere arrotolato attorno al tubo forato di acciaio lungo 40 cm e spesso 34 mm. I fori praticati sul tubo hanno invece diametro pari a 4 mm.

Infine il fluido trattato giunge nel serbatoio di raccolta per le acque trattate, ultima interfaccia prima dello scarico nella rete fognaria.

La sezione di alimentazione del grafene ? costituita da un serbatoio a caduta verticale, dal compressore a monte per agevolare la caduta del materiale sul fondo e dalla coclea che, come descritto in precedenza, ha il compito di dosare la quantit? di grafene che deve essere introdotta nel processo.

Le vasche V1, V2, V3 e V4 sono dotate di un fondo a imbuto che riversa, previa apertura di una valvola a sfera, i fanghi depositati sul fondo in un circuito adibito al loro recupero. Detti fanghi, contenenti diversi composti pesanti, vengono richiamati all?interno del circuito dalla pompa P4 e successivamente vengono fatti transitare attraverso il filtro a calza F4. All?uscita del detto filtro si ha un fluido di recupero diretto verso la vasca V1.

Il sistema ? dotato di sensori di misura dei parametri di processo. Tali sensori danno indicazione del corretto funzionamento del dispositivo. Nell?esempio riportato sono installate due sonde per la misura del pH, due per la misura della conducibilit? elettrica e una per la quantit? di solidi disciolti totali (TDS). Tipo, quantit? e posizione dei sensori sono suscettibili di modifiche e variazioni, potendo differire dall?esempio riportato di seguito, rientrando comunque nel concetto inventivo espresso nelle rivendicazioni allegate.

Claims (6)

1. Rivendicazioni 1. Dispositivo per la purificazione di un fluido comprendente: - una struttura di contenimento; - un serbatoio di raccolta e omogeneizzazione iniziale dotato di agitatore in immersione, movimentato dal motore M1, dalla potenza compresa tra 0,5 e 1 kW; - una serie di quattro vasche (V1, V2, V3 e V4) di capacit? compresa tra 100 e 500 litri ciascuna, attraversate consequenzialmente dal fluido in trattamento, costruite in modo che il fluido, riempita la vasca V1 tracima nella vasca V2, poi, riempita questa, tracima a sua volta nella vasca V3, infine riempita anche questa tracima nella vasca V4; - suddette vasche V1, V2 e V3 dotate di fondo convergente a imbuto in cui sul fondo ? posizionata una valvola che permette di estrarre i solidi sedimentati e convogliarli verso un apposito circuito di recupero, mentre la vasca V4 dotata di un tubo centrale che fa da scarico del troppo pieno, a un livello inferiore della tracimazione da V3 a V4; - una sezione di filtrazione finale, alimentata dal tubo di scarico del troppo pieno della vasca V4, composta da almeno 3 filtri (F1, F2 e F3), seguiti dal serbatoio di raccolta per il fluido trattato; - collegamenti idraulici, comprensivi di tubazioni e valvole poste sulla mandata e sul ritorno di ogni elemento, atti allo scorrimento del fluido in trattamento dal serbatoio di omogeneizzazione, alle 4 vasche V1, V2, V3 e V4 e infine verso i filtri F1, F2 e F3.
2. 2. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di avere una linea di alimentazione del latte di calce uscente dal serbatoio omonimo, in cui si ottiene detta miscela dall?azione dell?agitatore movimentato dal motore M2, anch?esso di potenza compresa tra i 0,5 e 1 kW, e successivamente introdotta nel processo dalla pompa dosatrice P2.
3. 3. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di avere una sezione composta da un serbatoio di stoccaggio tenuto in pressione da un compressore, una successiva coclea azionata dal motore M3, seguita a sua volta da un eiettore i cui ugelli scaricano sulla vasca V3, componenti adibiti allo stoccaggio e movimentazione del grafene usato come assorbente degli inquinanti presenti nel fluido in trattamento, grafene introdotto dall?eiettore in vasca V3 sotto forma di miscela con acqua.
4. 4. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 e la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto di comprendere una linea di ricircolo di parte dell?acqua trattata all?uscita del filtro F3 atta a alimentare l?eiettore, passando attraverso la pompa di circolazione P5 e la pompa a alta pressione P6, avente pressione massima di esercizio compresa tra i 120 e i 160 bar.
5. 5. Dispositivo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che il filtro a cartuccia F3, terzo filtro attraversato dal fluido in trattamento, ? composto da un materasso di polipropilene, di spessore compreso tra 5 e 15 mm, sulla cui faccia superiore ? cosparso uno strato sottile di grafene misto a sabbia di quarzo dalla granulometria compresa tra 0,1 e 0,2 mm, avvolto, formando almeno 2 giri completi, attorno a un tubo forato di acciaio, le cui dimensioni sono comprese tra 30 e 40 mm di spessore, 30 e 50 cm di lunghezza e tra 3 e 5 mm per il diametro dei fori.
6. 6. Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di avere una linea di recupero dei solidi sedimentati, composta da tubazioni e valvole che prelevano lo scarico di fondo delle quattro vasche, che riversa la portata elaborata dentro la vasca V1, percorrendo la pompa di recupero P4 e il filtro F4.