ITAN20130204A1 - Processo per la rigenerazione di resine a scambio ionico. - Google Patents

Description

PROCESSO PER LA RIGENERAZIONE DI RESINE A SCAMBIO IONICO

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a un processo di rigenerazione di resine a scambio ionico, in particolare di resine a scambio cationico, che può essere sfruttato, fra l'altro, in enologia.

Recentemente, l'impiego di resine a scambio ionico è stato autorizzato dalle principali normative in materia di produzione e affinamento di vini. In pratica, si fa passare il vino su resine a scambio ionico, di solito contenute in apposite colonne. Le resine a scambio ionico sono resine che hanno impiego in numerose attività di diverso genere, in settori anche molto diversi da quello enologico. Si tratta di resine che presentano sulla loro superficie funzioni fortemente acide, che, a contatto coi cationi metallici, liberano un idrogenione per catturare detto catione. Nel caso specifico dei vini, l'idrogenione va a sostituire lo ione potassio, aumentando della misura desiderata l'acidità del vino, così da conferirgli un sapore migliore. Le resine a scambio ionico risultano estremamente efficaci nel primo periodo di utilizzo e vanno man mano a perdere di efficacia, visto che, nel tempo, i siti di scambio ionico vengono via via occupati dal nuovo ione con il quale il legame è più stabile. L'efficienza e la velocità dello scambio vanno così diminuendo, man mano che il trattamento prosegue.

Una volta che tale efficienza sia scesa al disotto di un valore prestabilito, si interrompe il trattamento e la resina deve essere rigenerata. La rigenerazione consiste, generalmente, nel far passare soluzioni acide, come soluzioni acquose di acido solforico o di acido cloridrico, sulla superficie della resina, così da staccare i cationi e far tornare gli idrogenioni nelle posizioni iniziali. Operativamente, le soluzioni vengono fatte fluire nella colonna, così da mantenere alta la concentrazione di ioni idrogeno sulla superficie della resina.

Dato che le resine hanno un'affinità maggiore per i cationi metallici che per gli idrogenioni, la rigenerazione è un processo piuttosto complicato, che richiede di alimentare forti eccessi di acido, così da ottenere la rimozione più completa possibile dei cationi metallici per azione di massa. Ciò significa che la soluzione in uscita dalla rigenerazione contiene una forte concentrazione di ioni idrogeno, così che il pH arriva normalmente addirittura a 0,8. Le normative in materia di acque reflue proibiscono espressamente di scaricare soluzioni così acide, cosicché il gestore delle resine a scambio ionico si trova in difficoltà per lo smaltimento di queste soluzioni.

Per ovviare al problema dell'acidità, si usa neutralizzare la soluzione in uscita dalla colonna in rigenerazione, aggiungendovi una soluzione acquosa di idrossido di sodio, che è la sostanza alcalina efficace più a buon mercato. Si alza così il pH, ma si creano grandi quantitativi di cloruro e solfato di sodio. Anche per queste due sostanze vi sono forti limitazioni di legge alle possibilità di scaricarli nell'ambiente (per esempio in fogna).

Molti produttori, con un discreto immobilizzo di capitale, immagazzinano in recipienti le soluzioni in uscita dalla rigenerazione e le scaricano aggiungendovi acqua, così da ridurre la concentrazione di tali sostanze. Lo scarico avviene, così, in tempi relativamente lunghi e si rischia di dover immagazzinare quantitativi anche notevoli di soluzione che vengono smaltite nel tempo in cui la resina viene esercita regolarmente. Tuttavia, pur aggirando i divieti di scarico, in questo modo si scaricano nell'ambiente quantitativi importanti di cloruri e solfati, che potrebbero dunque accumularsi, con un grande spreco di acqua, spesso potabile e con costi non trascurabili, sia di immagazzinamento che di consumo di acqua.

Problema alla base dell’invenzione è di proporre un processo per la rigenerazione di resine a scambio cationico che superi gli inconvenienti menzionati e che non produca scarichi dannosi per l'ambiente. Questo scopo viene raggiunto attraverso un processo di rigenerazione di resine a scambio ionico, che prevede una fase di trattamento della resina esaurita con soluzioni acide e una successiva fase di neutralizzazione dell'effluente contenente acido in eccesso, caratterizzato da ciò che detta neutralizzazione avviene aggiungendo alla soluzione effluente contenente gli acidi in eccesso una soluzione di idrossido di potassio. La presente invenzione riguarda anche un impianto per la realizzazione di un processo come sopra definito, comprendente una colonna contenente una resina a scambio ionico, mezzi di alimentazione di acqua e soluzione acida di rigenerazione, una conduttura per l'uscita dell'effluente da detta colonna e mezzi per l'alimentazione di una soluzione di idrossido di potassio all'effluente, caratterizzato da ciò che detta soluzione di idrossido di potassio viene alimentata direttamente a un serbatoio dove viene scaricato l'effluente.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell’invenzione risultano comunque meglio evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una forma di esecuzione preferita, data a puro titolo esemplificativo e non limitativo ed illustrata nell'unico disegno allegato, che rappresenta uno schema di flusso di un impianto che mette in opera il processo secondo la presente invenzione.

Nel caso esemplificato in figura, la resina a scambio ionico è contenuta in un'apposita colonna 1, che viene alimentata da una conduttura 2 per fluidi. Il flusso di fluido da alimentare alla colonna 1 attraverso la conduttura 2 viene regolato da una valvola 3. Una pompa di processo 4 alimenta alla valvola 3 acqua, mentre la soluzione acida di rigenerazione, contenente preferibilmente HCl o H2SO4viene alimentata da una pompa dosatrice 5. Alla testa della colonna 1 è prevista una conduttura 6, atta a trasportare il liquido effluente dalla colonna 1. Sulla stessa conduttura 6 si inserisce un'altra conduttura 7, alimentata da una pompa dosatrice 8 con una soluzione di KOH (idrossido di potassio o potassa). Una valvola 9 è in grado di aprire o chiudere il passaggio della potassa, attraverso la conduttura 9 alla conduttura 6. La conduttura 6 porta un pHmetro 10 e sbocca in un serbatoio 11 il quale, a sua volta, alimenta un dispositivo di confezionamento 12.

Il funzionamento dell'impianto mostrato in figura e il processo secondo la presente invenzione verranno nel seguito illustrati in riferimento all'utilizzo nel trattamento dei vini. E', tuttavia, chiaro che quanto segue può applicarsi, mutatis mutandis, anche a qualsiasi altro procedimento che richieda l'utilizzo di resine a scambio ionico.

Durante il trattamento dei vini, il vino viene alimentato con una certa portata, compresa normalmente fra 500 l/ora e 13.000 l/ora, alla colonna 1. Attraversando la colonna 1, il vino viene a contatto con la resina a scambio ionico. Il contatto del vino con la superficie della resina fa sì che gli ioni potassio presenti nel vino lo lascino e sostituiscano gli ioni idrogeno (lasciati liberi in soluzione, grazie alla forza dell'acido) sulla superficie della resina. Normalmente, all'uscita della colonna 1 vengono misurati alcuni parametri, per esempio la concentrazione di ioni potassio o il pH della soluzione, così da verificare l'efficienza dello scambio ionico. In modo noto, quando l'efficienza dello scambio scende al disotto di una soglia di accettabilità prefissata, per esempio, se il pH resti al disopra di un certo valore, il trattamento viene arrestato e non viene più alimentato vino alla colonna 1. Preferibilmente, si prosegue col trattamento, fino a quando il pH non abbia un incremento di 0,4 rispetto all'inizio della rigenerazione.

Alla colonna 1 viene applicata la conduttura 2 e si invia acqua dalla pompa di processo 4, così da rimuovere dalla colonna, lavandola, il vino restante. A questo punto, si alimenta una soluzione di HCl o H2SO4tramite la pompa dosatrice 5. Preferibilmente, se si impiega HCl, la concentrazione della soluzione è del 33% in peso, mentre, se si impiega H2SO4la concentrazione è del 50% in peso. Generalmente, si usano 20 litri di soluzione acida ogni 100 litri di resina. La soluzione acida attraversa la colonna 1 e passa sulla superficie della resina scambiatrice. La concentrazione di acido è molto alta e si raggiungono valori di pH inferiori a 1, preferibilmente di circa 0,8. Ciò consente agli ioni idrogeno, in forte eccesso rispetto agli ioni K<+>presenti sulla superficie, di sostituire questi ultimi, per azione di massa, spostando l'equilibrio verso la formazione di acido. La soluzione di rigenerazione esce dalla sommità della colonna 1, attraverso la conduttura 6. La pompa dosatrice 8 alimenta alcali, attraverso la conduttura 7, addizionandoli alla soluzione acida nella conduttura 6. Secondo la tecnica anteriore, l'alcali utilizzato era NaOH, data la sua elevata disponibilità e il suo costo basso, causando, però, i problemi elencati nell'introduzione. L'utilizzo di KOH, secondo la presente invenzione, non era neppure concepibile, stante il costo decisamente più elevato (circa il 150% in più) e un comportamento chimico estremamente simile, che non faceva presagire dal suo impiego vantaggi tali da compensare i maggiori costi. Tuttavia, si è riscontrato che l'utilizzo di KOH permetteva di formare K2SO4o KCl. Contrariamente ai corrispondenti sali sodici, i sali di potassio hanno proprietà fertilizzanti note. Ciò fa sì che, anziché costituire un costo per il loro smaltimento, i reflui trattati, uscenti dal processo di rigenerazione della colonna 1 secondo la presente invenzione, sono prodotti da valorizzare e che possono essere venduti come sottoprodotto, con un suo mercato. A valle dell'aggiunta di alcali, la conduttura 6 incontra un pH metro 10, che verifica che il pH della soluzione sia intorno a 7. Il pH metro 10 può essere collegato logicamente alla pompa dosatrice 8, in modo da aumentare la portata qualora il pH venga misurato inferiore a 7 o da ridurla, qualora il pH venga riscontrato maggiore di 7.

Successivamente alla misurazione del pH, la conduttura 6 sfocia in un serbatoio 11, dove si accumula la soluzione di sali di potassio ottenuta come prodotto. Il serbatoio 11, a sua volta, alimenta il prodotto risultante a un dispositivo di confezionamento 12 (di per sé noto), per confezionare il prodotto da mettere in commercio. L'intera rigenerazione dura un tempo di circa 40 minuti. Secondo questa forma d'esecuzione, la soluzione di idrossido di potassio viene aggiunta direttamente nella conduttura 6 che porta il refluo.

Secondo una forma d'esecuzione alternativa, la neutralizzazione non avviene più in linea, come appena descritto e come rappresentato in figura, ma direttamente nel serbatoio 11 entro cui viene scaricato l'effluente contenente acido in eccesso; in questo caso, anche il pH metro 10 è disposto nello stesso serbatoio 11.

Secondo un'altra forma d'esecuzione alternativa, la rigenerazione avviene come descritto nel seguito. Dopo la fase di risciacquo della resina con acqua, quest'ultima viene rimossa quasi completamente dalla colonna 1. Si alimenta, grazie alla pompa dosatrice 5 la sola soluzione acida, riempiendo così la colonna 1 quasi completamente. La valvola 3 viene chiusa, cosicché non si ha più alcuna alimentazione e la soluzione acida resta quiescente all'interno della colonna 1. A intervalli regolari, viene insufflata aria dal basso. In questo modo, la soluzione viene agitata e si riforniscono ioni H<+>all'interfaccia fra la soluzione e la resina, così da continuare a spingere lo scambio. Le concentrazioni di acido rimangono le stesse viste con la prima forma d'esecuzione. Il tempo di permanenza in colonna della soluzione acida è di circa 40 minuti, dopo di che la colonna viene svuotata e il refluo viene avviato allo stesso processo di neutralizzazione visto nelle due forme d'esecuzione precedenti. In questo modo, si ha una forte riduzione del consumo di acqua, arrivando a un risparmio d'acqua pari a circa il 70%. Inoltre, la concentrazione finale della soluzione neutra ha, in questo modo, un valore circa pari a quello delle soluzioni fertilizzanti normalmente in commercio -ovvero tra il 15 e il 30% in peso-, così che viene a mancare l'esigenza di una fase di evaporazione dell'acqua, ottenendo un ulteriore risparmio energetico. Si ha così un processo di rigenerazione come descritto in precedenza, comprendente una fase di risciacquo preliminare, che comprende le seguenti fasi: a) l'acqua di risciacquo viene rimossa quasi completamente dalla colonna 1; b) si alimenta la soluzione acida, riempiendo la colonna 1 quasi completamente; c) si arresta l'alimentazione e l'acido resta quiescente all'interno della colonna 1; d) a intervalli regolari, viene insufflata aria dal basso; e) si esegue la neutralizzazione.

S’intende comunque che l’invenzione non deve considerarsi limitata alla particolare disposizione illustrata sopra, che costituisce soltanto una forma di esecuzione esemplificativa di essa, ma che diverse varianti sono possibili, tutte alla portata di un tecnico del ramo, senza per questo uscire dall’ambito di protezione dell’invenzione stessa, come definito dalle rivendicazioni che seguono. In particolare, benché sia stato descritto l'uso in enologia, il presente processo può essere usato, con uguali vantaggi, anche in qualsiasi altro settore che richieda l'impiego di una colonna con resina a scambio ionico, da rigenerarsi con soluzioni acide.

ELENCO CARATTERI DI RIFERIMENTO

1 Colonna con resina a scambio ionico 2 Conduttura di alimentazione (a 1) 3 Valvola (di 2)

4 Pompa di processo

5 Pompa dosatrice

6 Conduttura

7 Conduttura

8 Pompa dosatrice

9 Conduttura

10 pH metro

11 Serbatoio

12 Dispositivo di confezionamento

Claims (8)

1. RIVENDICAZIONI 1) Processo di rigenerazione di resine a scambio ionico, che prevede una fase di trattamento della resina esaurita con soluzioni acide e una successiva fase di neutralizzazione dell'effluente contenente acido in eccesso, caratterizzato da ciò che detta neutralizzazione avviene aggiungendo alla soluzione effluente contenente gli acidi in eccesso una soluzione di idrossido di potassio.
2. 2) Processo come in 1), caratterizzato da ciò che la soluzione di idrossido di potassio viene aggiunta direttamente nella conduttura (6) che porta il refluo.
3. 3) Processo come in 1), caratterizzato da ciò che la soluzione di idrossido di potassio viene aggiunta nel serbatoio (11) entro cui viene scaricato l'effluente contenente acido in eccesso.
4. 4) Processo come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che nel serbatoio (11) si raccoglie come prodotto finale una soluzione acquosa di KCl o di K2SO4avente una concentrazione compresa fra il 15 e il 30% in peso.
5. 5) Processo come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente una fase di risciacquo preliminare, caratterizzato da ciò che comprende le seguenti fasi: a) l'acqua di risciacquo viene rimossa quasi completamente dalla colonna (1); b) si alimenta la soluzione acida, riempiendo la colonna (1) quasi completamente; c) si arresta l'alimentazione e l'acido resta quiescente all'interno della colonna (1); d) a intervalli regolari, viene insufflata aria dal basso; e) si esegue la neutralizzazione.
6. 6) Processo come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato da ciò che viene impiegato in enologia.
7. 7) Impianto per la realizzazione di un processo secondo una qualsiasi dlle rivendicazioni 3) a 6), comprendente una colonna (1) contenente una resina a scambio ionico, mezzi di alimentazione di acqua e soluzione acida di rigenerazione (2, 3, 4, 5), una conduttura (6) per l'uscita dell'effluente da detta colonna (1) e mezzi (7, 8, 9) per l'alimentazione di una soluzione di idrossido di potassio all'effluente, caratterizzato da ciò che detta soluzione di idrossido di potassio viene alimentata direttamente a un serbatoio (11) dove viene scaricato l'effluente.
8. 8) Uso di un impianto secondo la rivendicazione 7) per il trattamento di vini.