IT202100014195A1 - Metodo per la fabbricazione di un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue, materiale composito ottenuto e relativo uso - Google Patents
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Description
Descrizione di Brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:
?METODO PER LA FABBRICAZIONE DI UN MATERIALE COMPOSITO PER IL RECUPERO DI NUTRIENTI E/O INQUINANTI DA ACQUE REFLUE, MATERIALE COMPOSITO OTTENUTO E RELATIVO USO?.
DESCRIZIONE
La presente invenzione si riferisce a un metodo per la fabbricazione di un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue, a un materiale composito cos? ottenuto e al relativo uso.
? noto che le acque reflue non possono essere reimmesse nell'ambiente tal quali poich? i recapiti finali come il terreno, il mare, i fiumi e i laghi non sono in grado di ricevere una quantit? di sostanze inquinanti superiore alla propria capacit? auto-depurativa.
Di conseguenza, il trattamento di depurazione dei reflui urbani e/o industriali ? reso obbligatorio per legge e consiste in una successione di pi? fasi, o processi, durante i quali dalle acque reflue vengono rimosse le sostanze indesiderate, che vengono concentrate successivamente sotto forma di fanghi, dando luogo ad un effluente finale di qualit? tale da risultare compatibile con la capacit? auto-depurativa del corpo ricettore come terreni, laghi, fiumi o i mari.
Il ciclo depurativo consiste in una combinazione di pi? processi di natura chimica, fisica e biologica.
I fanghi provenienti dal ciclo di depurazione sono spesso anch?essi contaminati e, pertanto, devono subire una serie di trattamenti necessari a renderli idonei allo smaltimento, ad esempio, in discariche speciali o al riutilizzo in agricoltura tal quale o previo compostaggio.
I trattamenti che sono svolti durante il ciclo depurativo sono di natura meccanica o chimica.
Questi ultimi si basano sull'aggiunta di specifiche sostanze per lo svolgimento di particolari reazioni chimiche.
Ad esempio, a tale categoria appartengono le reazioni di neutralizzazione o l'aggiunta di sostanze per facilitare la precipitazione di nutrienti o composti inquinanti e per la disinfezione.
Nel dettaglio, oltre alla rimozione degli inquinanti, i cicli depurativi vengono implementati con fasi di recupero dei nutrienti disciolti nelle acque reflue.
A questo proposito, ? doveroso sottolineare che ad oggi ? particolarmente sentita l?esigenza di mettere a punto procedimenti di recupero di nutrienti da acque reflue che presentino un basso impatto ambientale.
Attualmente i nutrienti vengono fatti precipitare mediante trattamento chimico nel fango, senza che essi possano essere efficacemente recuperati. Tale processo presenta numerosi inconvenienti, tra i quali va annoverato il fatto che il largo impiego di sostanze di natura chimica, oltre che ad essere nocivo per l?ambiente, presenta numerosi rischi per la salute delle persone. In un primo aspetto, il compito della presente invenzione ? quello di escogitare un metodo per la fabbricazione di un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue che consenta di ridurre notevolmente gli sprechi energetici, presenti un ridotto impatto ambientale e preveda l?impiego di sostanze eco-compatibili.
In un secondo aspetto, lo scopo del presente trovato ? quello di escogitare un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti che consenta di recuperare i nutrienti e/o inquinanti stessi in modo rapido e agevole.
In un terzo aspetto, un altro scopo del presente trovato ? quello di escogitare un metodo per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue che consenta di impiegare l?anidride carbonica prodotta durante il processo di fabbricazione del materiale composito stesso, evitandone la dispersione nell?ambiente circostante.
Altro scopo del presente trovato ? quello di escogitare un metodo per la fabbricazione di un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue, il materiale cos? ottenuto e il relativo uso che consentano di superare i menzionati inconvenienti della tecnica nota nell?ambito di una soluzione semplice, razionale, di facile ed efficace impiego e dal costo contenuto.
Gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal metodo per la fabbricazione di un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue avente le caratteristiche di rivendicazione 1.
Ulteriormente, gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue avente le caratteristiche di rivendicazione 12.
In aggiunta, gli scopi sopra esposti sono raggiunti dall?uso del materiale composito avente le caratteristiche della rivendicazione 13.
Infine, gli scopi sopra esposti sono raggiunti dal metodo per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue avente le caratteristiche della rivendicazione 14.
Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di esecuzione preferita, ma non esclusiva, di un metodo per la fabbricazione di un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue, illustrata a titolo indicativo, ma non limitativo, nelle unite tavole di disegni in cui:
la figura 1 ? un grafico riportante l?efficienza di adsorbimento nel tempo di ioni fosfato mediante l?impiego del materiale composito in accordo con il presente trovato;
la figura 2 ? un grafico riportante l?efficienza di adsorbimento nel tempo di ioni fosfato mediante l?impiego del materiale composito, ottenuto ad una temperatura compresa tra 730?C e 860?C, in accordo con il presente trovato;
la figura 3 rappresenta due tabelle riportanti i dati relativi all?efficienza di adsorbimento del materiale composito ottenuto ad una temperatura compresa tra 730?C e 860?C;
la figura 4 ? uno schema a blocchi rappresentativo del metodo in accordo con il presente trovato.
In un primo aspetto, il presente trovato riguarda un metodo per la fabbricazione di un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue.
Si specifica che nell?ambito della presente trattazione con l?espressione ?acqua reflua? si fa riferimento a tutte quelle acque la cui qualit? ? stata pregiudicata dall'azione antropica dopo il loro utilizzo in attivit? domestiche, agricole e industriali, diventando quindi non idonee a un loro uso diretto in quanto contaminate da diverse tipologie di sostanze organiche e inorganiche pericolose per la salute pubblica e per l'ambiente naturale.
Ad esempio, tale tipologia di acque pu? derivare da siti contaminati. Si specifica che con l?espressione ?sito contaminato? si fa riferimento a un sito nel quale i valori delle concentrazioni soglia di rischio (CSR) risultano superati.
Il metodo comprende, in successione, le seguenti fasi:
- fornitura di almeno un materiale carbonatico;
- fornitura di almeno un materiale carbonioso;
- miscelazione del materiale carbonatico con il materiale carbonioso a ottenere una miscela;
- riscaldamento della miscela a una temperatura superiore a 600?C a ottenere un materiale composito.
Si specifica che nell?ambito della presente trattazione con l?espressione ?materiale carbonatico? si fa riferimento a rocce sedimentarie che contengono pi? del 50% di minerali carbonatici, tra i quali predominano la calcite (CaCO3) e la dolomite (Mg, Ca(CO3)2). Tra gli altri minerali carbonatici sono presenti anche l'aragonite, la siderite (FeCO3) e la magnesite (MgCO3). Tali rocce carbonatiche possono essere di origine chimica e/o biochimica, nel primo caso derivano dalla precipitazione diretta di sali da soluzione o a causa delle variazioni nelle condizioni chimico-fisiche, come la concentrazione, la temperatura e il pH. Nel secondo caso si formano quando in tale processo intervengono anche organismi animali e vegetali.
Preferibilmente, il materiale carbonatico comprende uno o pi? materiali biogenici e/o uno o pi? materiali minerali.
Ci? significa che la miscela comprende una combinazione di uno o pi? materiali biogenici con uno o pi? materiali carboniosi o una combinazione di uno o pi? materiali minerali con uno o pi? materiali carboniosi.
Tuttavia, non si esclude dall?ambito della presente trattazione che la miscela comprenda una combinazione di uno o pi? materiali carbonatici con uno o pi? materiali minerali e con uno o pi? materiali biogenici.
Si specifica che nell?ambito della presente trattazione con le espressioni ?uno o pi? materiali biogenici? e ?uno o pi? materiali minerali? si fa riferimento alla presenza nella miscela di uno o pi? materiali biogenici e/o uno o pi? materiali minerali sia appartenenti alla medesima specie e/o tipologia mineralogica, sia appartenenti a specie e/o tipologie mineralogiche diverse.
Vantaggiosamente, gli uno o pi? materiali biogenici comprendono conchiglie e/o gli uno o pi? materiali minerali comprendono dolomia.
In accordo con una preferita forma di realizzazione del metodo secondo il trovato, le conchiglie comprendono Capasanta (Pecten Jacobaeus).
In aggiunta, si specifica che nell?ambito della presente trattazione con l?espressione ?materiale carbonioso? si fa riferimento a un qualunque materiale ottenuto mediante processi di degradazione termochimica quali, ad esempio, gassificazione e carbonizzazione idrotermale.
Nello specifico, con l?espressione ?materiale carbonioso? si fa riferimento indistintamente a char, biochar o a un materiale carbonioso ottenuto da una o pi? biomasse.
Preferibilmente, il materiale carbonioso ? ottenuto da pirolisi.
Ad esempio, il suddetto materiale carbonioso ottenuto da pirolisi ? prodotto a partire da biomasse di fanghi di depurazione.
Tali fanghi di depurazione comprendono numerose sostanze di scarto, come ad esempio residui di farmaci, microplastiche, contaminanti emergenti, che vengono degradate a seguito della pirolisi, producendo il materiale carbonioso utilizzato.
Vantaggiosamente, una o pi? biomasse sono ottenute o sono rappresentate da sottoprodotti agro-forestali o da fanghi di depurazione.
Si specifica che nell?ambito della presente trattazione, con l?espressione ?una o pi? biomasse? si fa riferimento sia a biomasse ottenute o rappresentante da un unico sottoprodotto agro-forestale sia ottenute o rappresentate da diversi sottoprodotti agro-forestali o da fanghi di depurazione.
Tali biomasse, ad esempio, sono rappresentate da una porzione di pianta. Preferibilmente, in accordo con una preferita forma di realizzazione del metodo secondo il trovato, tali biomasse sono ottenute da potature di vite. Vantaggiosamente, tali biomasse sono ottenute da vite di specie Vitis Vinifera.
La miscela comprende il materiale carbonatico presente in una concentrazione in peso, valutata rispetto al peso complessivo della miscela, superiore a 50% e il materiale carbonioso ? presente in una concentrazione in peso, valutata rispetto al peso complessivo della miscela, inferiore a 50%.
Vantaggiosamente, il materiale carbonatico ? in forma polverulenta presentante una granulometria media inferiore a 150 ?m e il materiale carbonioso ? in forma polverulenta e presenta una granulometria media compresa tra 70 ?m e 200 ?m.
Preferibilmente, il materiale carbonioso presenta una granulometria media compresa tra 90 ?m e 180 ?m.
Nel dettaglio, la fase di riscaldamento ? eseguita ad una temperatura superiore a 100?C con un incremento fino ad una temperatura superiore 600?C.
Preferibilmente, la temperatura ? incrementata fino a 900?C.
Convenientemente, la temperatura ? incrementata fino a 1.300?C.
Vantaggiosamente, la fase di riscaldamento comprende un?isoterma a 850?C.
Preferibilmente, durante la fase di riscaldamento, la miscela non viene movimentata.
Tuttavia, non si esclude dall?ambito della presente trattazione che la fase di riscaldamento comprenda un passo di movimentazione della miscela.
Tale movimentazione avviene mediante un dispositivo di movimentazione, come ad esempio, una coclea alloggiata all?interno di un condotto riscaldato e coibentato. La miscela, essendo movimentata da una coclea, si sposta all?interno del condotto e simultaneamente riscaldata.
Nel dettaglio, la fase di riscaldamento determina la calcinazione degli uno o pi? materiali carbonatici e la deposizione di queste sostanze sul substrato carbonioso.
Inoltre, la fase di riscaldamento comprende un passo di produzione di anidride carbonica.
A seguire, il procedimento comprende una fase di granulazione del materiale composito ottenuto dal metodo in accordo con il presente trovato. Pi? nel dettaglio, il materiale composito ottenuto dal metodo secondo il trovato ? in forma polverulenta o granulare presentante una granulometria media compresa tra 160 ?m e 3 mm.
Preferibilmente, il suddetto materiale composito presenta una granulometria media compresa tra 80 ?m e 2 mm.
A seguire, il metodo secondo la presente invenzione comprende almeno una fase di recupero di anidride carbonica prodotta dalla fase di riscaldamento.
A questo proposito, il metodo comprende almeno una fase di erogazione dell?anidride carbonica nell?acqua reflua.
Nel dettaglio, l?anidride carbonica prodotta a seguito del riscaldamento della miscela, invece che essere dispersa nell?ambiente, viene erogata all?interno delle acque reflue da trattare.
Ci? ? dovuto al fatto che il trattamento delle acque reflue con il materiale composito ottenuto dal metodo secondo il trovato determina un incremento del pH che pu? essere neutralizzato o acidificato con l?aggiunta di anidride carbonica.
Inoltre, il metodo in accordo con il presente trovato ? eseguito in assenza di ossigeno.
In un secondo aspetto, il presente trovato riguarda un materiale composito per il trattamento di acque reflue, ottenuto dal metodo precedentemente descritto e comprendente la miscela del materiale carbonatico presente in una concentrazione in peso compresa tra il 40% e 80% e il materiale carbonioso presente in una concentrazione in peso compresa tra 20% e 60%.
In un terzo aspetto, il presente trovato riguarda l?uso del materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti, la depurazione di acque reflue.
Nel dettaglio, il materiale in accordo con il presente trovato consente di sequestrare gli ioni fosfato dalle acque reflue.
La rimozione del fosforo ? determinata dalla sinergica combinazione tra la precipitazione di minerali contenenti fosforo innescata dagli ossidi metallici di calcio e magnesio presenti sulla struttura carboniosa del materiale composito e dall?adsorbimento dell?anione fosfato dovuto a interazioni elettrostatiche tra cationi bivalenti anch?essi presenti sulla struttura carboniosa del materiale composito.
In un ulteriore aspetto, la presente invenzione riguarda un metodo per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue.
Tale metodo comprende la fase di porre a contatto tali acque reflue con il materiale composito in accordo con il presente trovato.
A seguire, il suddetto metodo comprende una fase di adsorbimento dei nutrienti e/o inquinanti sul materiale composito.
Preferibilmente, i nutrienti comprendono fosforo, azoto, carbonio organico, composti umici e fulvici.
Successivamente il metodo comprende una fase di separazione dei nutrienti e/o inquinanti dalle acque reflue trattate con il materiale composito in accordo con il presente trovato.
Nel dettaglio, la fase di separazione comprende un passo di separazione solido-liquido in cui il materiale composito su cui sono adsorbiti i nutrienti e/o gli inquinanti viene rimosso, ad esempio per filtrazione, dalle acque reflue trattate con il materiale composito stesso.
A questo punto, il metodo comprende una fase di riduzione o neutralizzazione del pH delle acque reflue mediante l?introduzione di anidride carbonica ottenuta dal metodo di fabbricazione del materiale composito in accordo con la presente invenzione.
Infine, non si esclude dall?ambito della presente trattazione che l?invenzione in accordo con il trovato riguardi una preparazione fertilizzante o ammendante comprendente il materiale composito precedentemente descritto e uno o pi? nutrienti ottenuti da acque reflue trattate.
ESEMPIO 1
Il materiale carbonioso ottenuto da pirolisi consiste in biochar di Romagna Carbone (CAMPIONE RC), vagliato ad una granulometria media compresa tra 50 ?m e 500 ?m.
Tale biochar viene miscelato con il materiale carbonatico consistente in polvere di dolomia (campione RC+D) o conchiglia (campione RC+C) in proporzione una proporzione compresa tra 30-70% biochar e 30-70% dolomia o conchiglia.
I suddetti componenti sono miscelati mediante l?impiego di una spatola. A seguire, la fase di riscaldamento ? realizzata mediante un forno a muffola in cui i campioni sono sottoposti ad un ciclo di riscaldamento.
Durante il riscaldamento, i campioni sono sottoposti ad una temperatura iniziale pari a 105?C, incrementata ad una temperatura compresa tra 730?C e 860?C nella prima ora e poi mantenuta costante ad una temperatura compresa tra 730?C e 860?C per un?altra ora, per un totale di 2 ore.
Il materiale composito ottenuto, al dosaggio di 1 g/l, ? stato poi utilizzato per rimuovere ioni fosfato da una soluzione di KH2PO4 con concentrazione di 1000 mg/l tramite test, della durata di 1 ora, condotti in miscelatore rotorbitale alla temperatura di 25 ?C (figure 2 e 3).
Da tale test comparativo emerge chiaramente che la sinergica combinazione tra biochar e dolomia o conchiglie consente sorprendentemente di recuperare ioni fosfato con un?efficienza di adsorbimento notevolmente superiore all?impiego di ciascun singolo componente trattato termicamente
Ci? ? dovuto al fatto che la sinergica presenza del materiale carbonatico e del materiale carbonioso, calcinando insieme, determinano la formazione di cristalli di ossido di calcio e di magnesio aventi dimensioni notevolmente inferiori a cristalli formati a seguito della calcinazione dei singoli componenti. Tali ossidi, aventi dimensioni dell?ordine dei nanometri, depositandosi sulla superficie del materiale composito consentono di ottenere maggior efficienza di adsorbimento degli ioni fosfato rispetto all?impiego dei singoli componenti, ossia del materiale carbonioso e del materiale carbonatico.
Dalla lettura della descrizione sopra riportata della presente invenzione, saranno evidenti alla persona esperta nel settore i numerosi vantaggi offerti dall?impiego del procedimento per la fabbricazione del materiale composito, dall?impiego di quest?ultimo e del metodo per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue proposti.
Innanzitutto, potendo evitare processi produttivi che impiegano additivi o sostanze chimiche, il materiale non viene alterato e conserva una completa riciclabilit? nell?ambiente.
Non deve essere sottovalutato, inoltre, che l?anidride carbonica prodotta durante la fabbricazione del materiale composito in accordo con il presente trovato viene anch?essa impiegata nel metodo di recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue, invece che essere dispersa nell?ambiente.
Sorprendentemente, ? quindi stato osservato che la combinazione sinergica tra un materiale di origine carbonatica, conchiglie o dolomia, in combinazione con un materiale di origine carboniosa ottenuto da pirolisi, quale il biochar, consente la fabbricazione di un materiale composito che, grazie alla struttura altamente porosa, offre un?elevata superficie utile all?adsorbimento di nutrienti e/o inquinanti sulla struttura esterna e all?interno dei pori.
In particolare, nutrienti quali fosforo e azoto e sostanza organica si depositano sulla superficie del materiale composito, venendo sequestrati e successivamente recuperati con procedimenti di separazione solido/liquido.
Claims (17)
1) Metodo per la fabbricazione di un materiale composito per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue, comprendente, in successione, le seguenti fasi:
- fornitura di almeno un materiale carbonatico;
- fornitura di almeno un materiale carbonioso;
- miscelazione di detto materiale carbonatico con detto materiale carbonioso a ottenere una miscela;
- riscaldamento di detta miscela ad una temperatura superiore a 600?C ad ottenere un materiale composito.
2) Metodo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto materiale carbonatico comprende uno o pi? materiali biogenici e/o uno o pi? materiali minerali.
3) Metodo secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti uno o pi? materiali biogenici comprendono conchiglie e uno o pi? detti materiali minerali comprendono dolomia.
4) Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto materiale carbonioso ? ottenuto da pirolisi di una o pi? biomasse.
5) Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di riscaldamento ? eseguita ad una temperatura superiore a 750?C.
6) Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta fase di riscaldamento comprende un passo di movimentazione di detta miscela.
7) Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detta miscela comprende detto materiale carbonatico presente in una concentrazione in peso, valutata rispetto al peso complessivo di detta miscela, superiore al 60% e detto materiale carbonioso ? presente in una concentrazione in peso, valutata rispetto al peso complessivo di detta miscela, inferiore al 40%.
8) Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto materiale carbonatico ? in forma polverulenta presentante una granulometria media inferiore a 150 ?m e detto materiale carbonioso ottenuto da pirolisi ? in forma polverulenta e presenta una granulometria media compresa tra 70 ?m e 200 ?m.
9) Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto materiale composito ? in forma polverulenta o granulare presentante una granulometria media compresa tra 160 ?m e 3 mm.
10) Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una fase di recupero di anidride carbonica prodotta da detta fase di riscaldamento.
11) Metodo secondo una o pi? delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una fase di erogazione di detta anidride carbonica in un?acqua reflua.
12) Materiale composito per il trattamento di acque reflue, ottenuto dal metodo secondo le rivendicazioni 1-11, caratterizzato dal fatto che comprende una miscela di detto materiale carbonatico presente in una concentrazione in peso compresa tra il 40% e 80% e detto materiale carbonioso presente in una concentrazione in peso compresa tra 20% e 60%.
13) Uso del materiale composito secondo la rivendicazione 12, per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue, la depurazione di acque reflue o per la bonifica di siti contaminati.
14) Metodo per il recupero di nutrienti e/o inquinanti da acque reflue, caratterizzato dal fatto di comprendere la fase di porre a contatto dette acque reflue con detto materiale composito secondo la rivendicazione 12.
15) Metodo per il recupero di nutrienti e/o inquinanti secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di adsorbimento di detti nutrienti e/o di detti inquinanti su detto materiale composito, detti nutrienti comprendendo fosforo, azoto, carbonio organico, composti umici e fulvici.
16) Metodo per il recupero di nutrienti e/o inquinanti secondo le rivendicazioni 14-15, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di riduzione del pH di dette acque reflue mediante l?introduzione di anidride carbonica ottenuta dal metodo per la fabbricazione di detto materiale composito secondo una o pi? delle rivendicazioni 1-12.
17) Preparazione fertilizzante o ammendante comprendente il materiale composito secondo la rivendicazione 12.
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