ITBS20090243A1 - Metodo di trattamento dei rifiuti - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo di trattamento dei rifiuti, in particolare per materiali contenenti metalli pesanti.
I materiali di scarto sono generalmente emessi durante la produzione di energia, ad es. in centrali elettriche alimentate a carbone fossile o a lignite, in inceneritori di rifiuti, come sottoprodotti dei processi industriali, ad esempio negli altiforni, scorie di acciaio e fosforose, e nelle attività di alterazione del paesaggio, per esempio durante gli scavi e i dragaggi.
Una strategia comunemente utilizzata per lo smaltimento di questi rifiuti consiste nella loro incorporazione nel cemento, nel calcestruzzo e in altri materiali edili.
Questo approccio si dimostra tuttavia insoddisfacente a causa delle inadeguate proprietà di percolazione dei prodotti finali.
Una strategia di smaltimento alternativa à ̈ indicata nel brevetto US5,626,552 (Nomura et al.), in base al quale i prodotti dell’incinerazione dei rifiuti sono miscelati con una soluzione di vetro solubile e successivamente trattati con il calore per ottenere un prodotto sostanzialmente solido.
Anche il processo illustrato nel suddetto documento presenta tuttavia diversi inconvenienti.
In particolare, la solidificazione del prodotto solido in esso proposto richiede una fase di riscaldamento della miscela a una temperatura prestabilita compresa tra 40°C e 100°C.
È facile comprendere come, data l’enorme quantità di materiali di rifiuto emessi (ad esempio, la quantità annua delle sole ceneri ventilate da incenerimento da smaltire negli U.S.A. à ̈ di circa 40 milioni di tonnellate), l’aspetto economico di questi processi di smaltimento sia un problema fondamentale e ampiamente diffuso.
Una finalità della presente invenzione à ̈ quella di risolvere gli inconvenienti dei metodi precedenti e, in particolare, lo svantaggio sopra citato.
Questo scopo à ̈ raggiunto tramite un metodo di smaltimento dei rifiuti in conformità con la presente invenzione, particolarmente adatta ai materiali di rifiuto contenenti metalli pesanti.
Questo metodo prevede innanzitutto la fornitura di almeno una cenere ventilata e un materiale di rifiuto, preferibilmente polverizzato.
Nella descrizione che segue, l’espressione “contenuto complessivo†sta a significare che il sistema formato dalla cenere ventilata e dal materiale di rifiuto frammentato contiene almeno un metallo pesante; di conseguenza, tale metallo può essere contenuto solo nella cenere ventilata, solo nel materiale di rifiuto frammentato, o in entrambi.
A titolo esemplificativo, i metalli pesanti potenzialmente contenuti nel materiale di rifiuto sono piombo, arsenico, bario, bismuto, cadmio, cromo, rame, ferro, nickel, manganese, selenio, argento e/o zinco.
Preferibilmente, la cenere ventilata e il materiale di rifiuto frammentato sono miscelati in un rapporto compreso tra 1:10 e 10:1.
La massa di ceneri ventilate deve essere idealmente compresa tra il 5 e il 50% del peso del materiale di rifiuto totale.
Secondo una modalità di realizzazione ancor più conveniente, la massa delle ceneri ventilate à ̈ compresa tra il 10 e il 20% del peso.
Preferibilmente, la cenere ventilata per la presente invenzione si origina da centrali elettriche a carbon fossile e a lignite e/o da un processo di incinerazione.
Secondo una modalità di realizzazione preferibile dell’invenzione, la fase di fornitura del materiale di rifiuto frammentato prevede una fase di fornitura di uno o più dei composti selezionati dal gruppo che comprende residui del trattamento dei gas di combustione (FGT), delle ceneri di carbone (CA), della desulfurizzazione dei gas di combustione (FGD) e/o altre ceneri prodotte dai processi industriali e/o agricoli.
Un residuo FGD à ̈ un prodotto tipicamente generato in processi di riduzione delle emissioni di SO2dal sistema di gas di scarico di un inceneritore. La natura fisica di questo materiale varia tra la melma umida e il materiale a polvere asciutta a seconda del processo che l’ha generato.
Secondo una modalità di realizzazione dell’invenzione, il metodo comprende altresì una fase di essiccazione di detto materiale di rifiuto.
Infatti, una fase di essiccazione almeno parziale si dimostra vantaggiosa nei casi in cui il materiale di rifiuto à ̈ fangoso o sottoforma di melma, vale a dire nei casi in cui il metallo pesante, e in via opzionale gli ologenuri di seguito indicati, sono diluiti in modo inaccettabile nel materiale di rifiuto.
Inoltre, secondo un’ulteriore alternativa, la fase che prevede la fornitura di almeno un materiale di rifiuto frammentato comprende un passaggio di frammentazione, ad esempio tramite macinatura, polverizzazione, taglio o simile, di un materiale solido di grandi dimensioni.
Si tratta del caso in cui il materiale di rifiuto iniziale ha una forma fisica che impedirebbe la formazione di un’omogeneizzazione accettabile tra i vari reagenti più avanti descritti.
Secondo un’altra variante, il processo di fornitura del materiale di rifiuto frammentato comprende una fase di fornitura di una o più melme contaminate, fanghiglie, scarichi, acque di rifiuto, fognature, acqua di miniera, carbone e/o sabbie esauste, catalizzatori esauriti, adsorbenti esausti dai processi di purificazione di gas e liquidi, ulteriori ceneri provenienti da processi industriali e/o agricoli.
Il metodo prevede inoltre la fase di fornitura di una soluzione acquosa contenente silice colloidale.
Preferibilmente, la quantità di soluzione acquosa à ̈ compresa tra il 5 e il 40% del peso del materiale di rifiuto da trattare.
In altre parole, la suddetta quantità di soluzione acquosa à ̈ valutata rispetto alla massa totale delle ceneri ventilate e del materiale di rifiuto frammentato.
Secondo i modi di realizzazione convenienti, la quantità di soluzione acquosa à ̈ compresa tra il 5 e il 10%, tra il 10 e il 15%, tra il 15 e il 20%, tra il 20 e il 25%, tra il 25 e il 30%, tra il 30 e il 35% o tra il 35 e il 40% del peso del materiale di rifiuto da trattare.
Ad ogni modo, la quantità adeguata di soluzione acquosa deve essere stabilita caso per caso, al fine di ottenere una miscela con le proprietà meccaniche adeguate per le successive fasi dell’invenzione.
In altre parole, la miscela tra la soluzione acquosa e il materiale di rifiuto deve essere sufficientemente liquida da renderla adeguatamente lavorabile, ad esempio nel caso in cui il metodo preveda una fase di modellazione, ma non tanto liquida da rendere la fase successiva di solidificazione della miscela difficoltosa o addirittura impossibile.
Preferibilmente, la quantità di silice colloidale all’interno della soluzione acquosa deve essere compresa tra il 15 e il 45% del peso.
Secondo i modi di realizzazione preferibili, la quantità di silice colloidale all’interno della soluzione acquosa à ̈ tra il 15 e il 20%, tra il 20 e il 25%, tra il 25 e il 30%, tra il 30 e il 35%, tra il 35 e il 40% o tra il 40 e il 45% del peso.
Ancor più preferibilmente, la quantità di silice colloidale all’interno della soluzione acquosa à ̈ compresa tra il 25 e il 35% del peso.
In una fase successiva dell’invenzione, le ceneri ventilate, il materiale di rifiuto frammentato e la soluzione acquosa sono miscelati fino ad ottenere una miscela colloidale sostanzialmente omogenea.
A titolo esemplificativo, la fase di miscelazione avviene tramite un reattore continuo a tank (CSTR) per il tempo necessario ad ottenere la miscela colloidale omogenea.
A seconda della velocità di miscelazione del reattore e della quantità di reagenti utilizzati, tale tempo varia tra 30 minuti e qualche ora.
Secondo i modi di realizzazione preferibili, la fase di miscelazione e la fase di frammentazione avvengono almeno parzialmente simultaneamente, vale a dire nello stesso tempo e nello stesso reattore.
In una fase successiva del metodo, la miscela colloidale à ̈ solidificata in un prodotto inerte semifinito, in cui il metallo pesante à ̈ intrappolato in un composto metallo-silice sostanzialmente insolubile.
In altre parole, una volta che la miscela colloidale à ̈ solidificata, il metallo pesante rimane intrappolato all’interno del prodotto semi-finito. In questo modo, il metallo pesante non può dissolversi e propagarsi nell’ambiente durante l’uso.
Inoltre, la fase di solidificazione comprende una fase di riposo della miscela colloidale a una temperatura inferiore ai 40°C.
Per questa ragione, e in modo innovativo, il metodo relativo alla presente invenzione consente uno smaltimento economico dei materiali di rifiuto contenenti metalli pesanti.
Infatti, a causa della presenza di ceneri ventilate nella miscela colloidale, la solidificazione avviene sostanzialmente a temperature ambienti comprese tra 10 e 35°C, variabili in base alla localizzazione e alla stagione.
Preferibilmente, la fase di riposo avviene sostanzialmente a temperatura ambiente, vale a dire tra i 20 e i 25°C, in via opzionale a pressione atmosferica.
Secondo un modo di realizzazione preferibile, la fase di riposo deve avere una durata di almeno 24 ore.
Secondo ulteriori alternative, il periodo di riposo à ̈ compreso tra 24 e 120 ore, preferibilmente tra le 24 e le 36 ore, tra le 36 e le 48 ore, tra le 48 e le 60 ore, tra le 60 e le 72 ore, in modo ottimale tra le 72 e le 84 ore, tra le 84 e le 96 ore, tra le 96 e le 108 ore o tra le 108 e le 120 ore.
Secondo un modo di realizzazione preferibile, la cenere ventilata e i materiali di rifiuto frammentati nel complesso comprendono inoltre almeno un ologenuro idrosolubile.
A titolo esemplificativo, i possibili ologenuri contenuti nel materiale di rifiuto sono il cloruro, il fluoruro, il bromuro e/o lo ioduro di vari metalli, ad es. piombo e/o sodio.
È importante notare che questi composti ologenuri, oltre a provocare gli ovvi problemi di corrosione alle attrezzature, limitano drasticamente i possibili (ri-)utilizzi del prodotto semi-finito poiché quest’ultimo à ̈ ancora un materiale pericoloso.
A causa di questi aspetti ambientali e di sicurezza, l’incorporazione del prodotto semi-finito nei materiali edili quali il cemento o il calcestruzzo à ̈ fuori questione.
Secondo questo modo di realizzazione, il metodo relativo all’invenzione comprende successivamente una fase di eliminazione dell’ologenuro idrosolubile.
In altre parole, a seconda che la fase di eliminazione avvenga prima o dopo la solidificazione del prodotto semi-finito, durante questa fase gli ologenuri idrosolubili pericolosi e corrosivi sono convenientemente eliminati dalla miscela colloidale e/o dal prodotto semi-finito.
In questo modo, il prodotto semi-finito ottenuto secondo la presente invenzione ha una maggiore varietà di possibili (ri-)utilizzi rispetto ai prodotti solidi tradizionalmente ottenuti.
Preferibilmente, la fase di eliminazione comprende una fase di lavaggio della miscela colloidale e/o del prodotto semi-finito.
Un modo di realizzazione preferibile prevede una fase di lavaggio con acqua, data la sua facile disponibilità e il suo costo.
Secondo un ulteriore modo di realizzazione, la fase di eliminazione à ̈ seguita da una fase di recupero dell’ologenuro solubile dal liquido di lavaggio, vale a dire dall’acqua nella variante preferibile.
Secondo le alternative preferibili del presente metodo, la fase di recupero comprende una fase di (ultra-)filtrazione meccanica, centrifuga, decantazione, separazione a membrana, evaporazione, estrazione, distillazione, elettrolisi e/o cristallizzazione.
Preferibilmente, questa fase di rimozione comprende inoltre una fase di eliminazione dei composti solubili e/o percolabili, ad esempio solfati, nitrati e/o carbonati, e opzionalmente anche una fase di recupero di tali composti, ad esempio tramite lavaggio e opzionalmente recupero come precedentemente indicato.
Preferibilmente, la fase di solidificazione comprende una fase di congelamento della miscela colloidale tramite eliminazione dell’acqua, variazione del pH, aggiunta di almeno un solvente salino e/od organico, e/o esposizione di tale miscela agli ultrasuoni.
Secondo un ulteriore modo di realizzazione, il metodo comprende una fase di modellamento del prodotto semi-finito, ad esempio tramite (co-)estrusione, iniezione, fusione e processo simile, tramite cui a questo prodotto à ̈ data la forma desiderata.
Tale forma desiderata può essere stabilita in relazione all’uso finale del prodotto semi-finito.
A titolo esemplificativo, il prodotto semi-finito può essere usato come materiale edile, ad esempio come tegola, mattone o altro elemento strutturale, come riempitivo (polverizzato), ad es. per polimeri o matrici differenti al fine di migliorarne le proprietà meccaniche, come sostanza inerte o additivo generico a gomma, tecnopolimeri, asfalto, calcestruzzo, cemento, così come per prodotti edili a base di gomma, polimeri, asfalto, calcestruzzo e cemento e applicazioni simili. Preferibilmente, la fase di modellazione avviene almeno parzialmente in contemporanea con la fase di solidificazione.
Per esempio, la miscela colloidale può essere fusa in uno stampo della forma desiderata, o può essere forzata attraverso una matrice per estrusione in uno stato semi-solido di tale miscela.
Preferibilmente, il metodo comprende inoltre una fase di incorporazione del prodotto semi-finito in un prodotto finale.
A titolo esemplificativo, il prodotto finale comprende gomme, tecnopolimeri, asfalto, calcestruzzo, cemento, così come prodotti edili a base di gomma, polimeri, asfalto, calcestruzzo e cemento.
La presente invenzione riguarda inoltre l’uso del prodotto semi-finito, ottenuto secondo il metodo precedentemente illustrato, come materiale edile, come substrato per pavimenti o soffitti, come riempitivo per questi usi, e/o come materiale di stabilizzazione ad esempio per scopi geologici.
Lo scopo della presente applicazione sarà ora spiegato sulla base di due esempi non limitativi.
ESEMPIO 1
Fabbricazione del prodotto semi-finito.
Sono previsti i seguenti materiali di rifiuto frammentati ed essiccati: residui del trattamento dei gas di combustione (FGT), delle ceneri di carbone (CA) e di desulfurizzazione dei gas di combustione (FGD). Le polveri sono miscelate con i seguenti rapporti: FGT 65%, CA 15% e FGD 20% del peso.
Una soluzione acquosa di silice colloidale Ludox SM 30 e acqua deionizzata à ̈ aggiunta alla miscela di polveri nelle percentuali rispettivamente di 25% e 50% del peso per ottenere una miscela omogenea tramite agitazione continua in un reattore CSTR per 1 ora.
La miscela colloidale ottenuta riposa all’aria per 24 ore.
ESEMPIO 2
Eliminazione degli ologenuri idrosolubili.
Successivamente, il prodotto inerte semi-finito così ottenuto à ̈ macinato a polvere e quindi percolato in acqua per 12 ore per eliminare i sali solubili.
Da un’analisi TXRF condotta sull’acqua di percolazione, si può notare la presenza di una grande quantità di cloro. È importante notare che l’acqua usata per la percolazione era inizialmente completamente priva di cloro, dal che si deduce che questo elemento à ̈ stato rilasciato dal prodotto semifinito durante il processo relativo alla presente invenzione.
Un’analisi XRD del materiale reso inerte mostra che i sali solubili sono costituiti principalmente di cloruro di sodio, che non à ̈ più presente nel prodotto semi-finito.
In modo innovativo, la metodologia della presente invenzione à ̈ adatta a uno smaltimento economico dei materiali di rifiuto contenenti metalli pesanti.
In effetti, la metodologia della presente invenzione, oltre a consentire condizioni di processo più convenienti e più ecosostenibili, à ̈ realizzata con sostanze chimiche a basso costo e altamente disponibili, contribuendo così a mantenere bassi i costi generali del processo.
Inoltre, il prodotto solido semi-finito così ottenuto à ̈ sicuro a livello ambientale grazie alle proprietà di percolazione ampiamente migliorate. Per questa ragione la strategia di smaltimento per sotterramento tradizionalmente diffusa può essere evitata perché il prodotto semi-finito ottenuto con la presente applicazione può essere riutilizzato come materiale secondario.
Vantaggiosamente, la metodologia della presente invenzione à ̈ altamente versatile, cosicché può essere utilizzata con una varietà di materiali di rifiuto, indipendentemente dalle loro origini.
Vantaggiosamente, la metodologia della presente invenzione non richiede un’eliminazione preliminare di ologenuri, solfati, nitrati, carbonati, e/o di altri sali, che potrebbero ad esempio impedire fasi successive o limitare gli utilizzi possibili del prodotto semi-finito o finale, dal momento che questi componenti non impediscono la corretta esecuzione delle fasi principali.
Vantaggiosamente, la metodologia della presente invenzione ben si adatta alla realizzazione con apparecchiature a bassa tecnologia, cosicché qualsiasi impianto industriale generatore di rifiuti può realizzare il prodotto semi-finito in loco con un impegno economico minimo e un grande vantaggio ambientale.
Vantaggiosamente, data la minore percolabilità del prodotto semi-finito, la varietà dei possibili impieghi del prodotto semi-finito ottenuto con la presente invenzione à ̈ drasticamente aumentata.
Anche se non precedentemente specificato, una persona esperta d’arte può prevedere, facendo ricorso alla perizia tipica del settore, di variare o sostituire alcuni degli aspetti sopra indicati con altri elementi tecnicamente equivalenti.
Anche queste variazioni o sostituzioni rientrano nell’ambito definito dalle seguenti rivendicazioni.
Inoltre, ogni alternativa illustrata in relazione a un modo di realizzazione particolare può essere realizzata in modo indipendente dagli altri modi di realizzazione descritti.
Claims (13)
- RIVENDICAZIONI 1. Metodo di trattamento dei rifiuti, in particolare per materiali di rifiuto contenenti metalli pesanti, comprese le fasi di: - fornitura di almeno una cenere ventilata, preferibilmente da centrali elettriche alimentate a carbone fossile o a lignite e/o da processi di incinerazione; - fornitura di almeno un materiale di rifiuto frammentato, preferibilmente polverizzato; in cui la cenere ventilata e il materiale di rifiuto frammentato contengono complessivamente almeno un metallo pesante o più; - fornitura di una soluzione acquosa contenente silice colloidale; - miscelazione della cenere ventilata, del materiale di rifiuto frammentato e della soluzione acquosa per ottenere una miscela colloidale sostanzialmente omogenea; e - solidificazione della miscela colloidale in un prodotto inerte semi-finito, in cui il metallo pesante à ̈ imprigionato in un composto metallo-silice sostanzialmente insolubile; in cui la fase di solidificazione comprende una fase di riposo della miscela colloidale a una temperatura inferiore ai 40°C.
- 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la fase di riposo avviene sostanzialmente a temperatura ambiente.
- 3. Metodo secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui la cenere ventilata e il materiale di rifiuto frammentato comprendono altresì nel complesso almeno un ologenuro idrosolubile e in cui il metodo comprende una fase di eliminazione dell’ologenuro idrosolubile.
- 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui la fase di eliminazione comprende una fase di lavaggio della miscela colloidale e/o del prodotto semi-finito.
- 5. Metodo secondo le rivendicazioni 3 o 4, in cui la fase di eliminazione à ̈ seguita da una fase di recupero dell’ologenuro solubile dal liquido di lavaggio, ad esempio dall’acqua.
- 6. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di fornitura del materiale di rifiuto frammentato comprende una fase di fornitura di uno o più dei composti selezionati dal gruppo che comprende residui del trattamento dei gas di combustione (FGT), delle ceneri di carbone (CA) e/o di desulfurizzazione dei gas di combustione (FGD), melme contaminate, fanghiglie, scarichi, acque di rifiuto, fognature, acqua di miniera, carbone e/o sabbie esauste, catalizzatori esauriti, adsorbenti esausti dai processi di purificazione di gas e liquidi, ulteriori ceneri provenienti da processi industriali e/o agricoli.
- 7. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, che comprende un'ulteriore fase di modellamento del prodotto semi-finito, ad es. tramite (co-)estrusione, iniezione, fusione e processi simili, in cui al prodotto à ̈ data la forma desiderata.
- 8. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, che comprende inoltre una fase di incorporazione del prodotto semi-finito in un prodotto finale.
- 9. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di solidificazione comprende una fase di congelamento della miscela colloidale tramite eliminazione dell’acqua, variazione del pH, aggiunta di almeno un solvente salino e/od organico e/o esposizione di detta miscela agli ultrasuoni.
- 10. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di fornitura di almeno un materiale di rifiuto frammentato comprende una fase di frammentazione, ad esempio tramite macinatura, polverizzazione, taglio o simile, di un materiale di rifiuto solido di grandi dimensioni e una fase opzionale di essiccazione del materiale di rifiuto.
- 11. Metodo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, in cui la fase di rimozione comprende una fase di rimozione di ulteriori composti solubili e/o percolabili, quali solfati, nitrati e/o carbonati.
- 12. Prodotto semi-finito ottenuto con il metodo relativo a una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
- 13. Impiego del prodotto semi-finito secondo la rivendicazione 11 come materiale edile, per substrati di pavimentazioni o soffitti, come fondo per uno di questi impieghi, come riempitivo, sostanza inerte o additivo generico per gomma, tecnopolimeri, asfalto, calcestruzzo, cemento, così come per prodotti edili a base di gomma, polimeri, asfalto, calcestruzzo e cemento.
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