ITMI20081312A1

ITMI20081312A1 - Processo di distillazione a membrana di una soluzione liquida e relativo apparato

Info

Publication number: ITMI20081312A1
Application number: IT001312A
Authority: IT
Inventors: Aldo Bottino; Gustavo Capannelli
Original assignee: Techint Spa
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2010-01-19

Description

“Processo di distillazione a membrana di una soluzione liquida e relativo apparato”

La presente invenzione riguarda un processo di distillazione a membrana di una soluzione liquida e il relativo apparato.

In particolare la presente invenzione riguarda un processo di distillazione a membrana per separare un solvente depurato da una soluzione liquida contenente impurità disciolte e/o in sospensione.

La presente invenzione origina nel settore dei metodi di separazione, purificazione e concentrazione di soluzioni contenenti soluti disciolti (si veda ad esempio il metodo per la concentrazione di soluzioni acquose concentrate descritto in GE99A000143).

A titolo esemplificativo ma non limitativo, il processo della presente invenzione è adatto per dissalare l’acqua di mare e recuperare acqua purificata. Più in generale, il processo della presente invenzione è adatto per rimuovere la fase solvente (a maggior tensione di vapore) di una soluzione e purificare soluzioni fortemente aggressive (acide, alcaline), inquinanti o ad alta salinità. Il processo della presente invenzione è, inoltre, adatto nelle operazioni di concentrazione o di cristallizzazione di soluzioni, ad esempio nell’ambito dei cicli di trattamento acque a scarico zero.

Tra i processi noti per depurare soluzioni liquide da impurità di varia natura i processi di distillazione a membrana sono oggetto di crescente attenzione per via dei numerosi vantaggi che essi offrono rispetto ad altri processi quali la distillazione convenzionale e l’osmosi inversa.

Nei processi di distillazione a membrana la soluzione da distillare è posta a contatto con una membrana porosa che consente il passaggio attraverso i pori del solvente esclusivamente in forma di vapore; la membrana non consente, invece, il passaggio del solvente in forma liquida ed il passaggio delle impurità disciolte o presenti in sospensione.

Il processo di distillazione a membrana si basa sull’equilibrio liquido-vapore, analogamente ai tradizionali processi di distillazione. Nella distillazione a membrana, però, all’interfaccia liquido-vapore del solvente è posta una membrana porosa idrofobica che agisce essenzialmente da barriera fisica consentendo la sola permeazione del solvente in fase vapore. Grazie alla porosità della membrana, questo tipo di processo di distillazione opera con una superficie di contatto liquido-vapore considerevolmente superiore rispetto a quella di una distillazione tradizionale, con ovvi vantaggi dal punto di vista della produttività e della riduzione dell’ingombro delle apparecchiature utilizzate.

Il processo di distillazione a membrana si differenzia anche dal processo di osmosi inversa, largamente impiegato nel settore tecnico della dissalazione dell’acqua marina. Nel processo di osmosi inversa la soluzione da depurare è posta a contatto con una membrana altamente idrofilica che, sotto l’applicazione di un’elevata pressione alla soluzione da depurare, consente il passaggio del solvente in fase liquida, mentre impedisce quello delle impurità disciolte e/o in sospensione. Nella pratica, tuttavia, per separare efficacemente un solvente depurato è necessario operare ad una pressione decisamente più elevata della pressione osmotica della soluzione salina. Ad esempio, nel caso dell’acqua di mare, la cui pressione osmotica è circa 20 bar, è possibile ottenere velocità di permeazione dell’acqua accettabili per applicazioni di tipo industriale solo operando a pressioni superiori a questo valore, ad a partire da circa 25 bar fino a valori di circa 70 bar.

Nel processo di distillazione a membrana non è necessario applicare alcuna pressione sulla soluzione da distillare o depurare. Ciò comporta notevoli vantaggi sia dal punto di vista dei consumi energetici sia dei costi di investimento per le apparecchiature. Anzi, per evitare la permeazione della soluzione attraverso la membrana, la pressione della soluzione deve essere mantenuta al di sotto di un valore limite, valore che dipende dalle specifiche caratteristiche di idrofobicità della membrana utilizzata e dalla dimensione dei suoi pori.

Peraltro, nei processi di osmosi inversa l’applicazione di alte pressioni alla soluzione da depurare favorisce il decadimento nel tempo della velocità di permeazione del solvente attraverso la membrana a causa di fenomeni quali la compattazione della membrana, la cosiddetta “concentrazione di polarizzazione” (legata all’accumulo delle specie trattenute alla superficie della membrana) e lo sporcamento (fouling) della membrana (legato alla formazione di depositi sulla superficie).

Nei processi di distillazione a membrana i fenomeni di compattazione sono praticamente inesistenti e quelli di fouling e concentrazione di polarizzazione sono decisamente limitati.

Le membrane utilizzate per i processi di distillazione devono possedere una porosità controllata, un’elevata stabilità termica ed essere idrofobiche. I materiali comunemente usati per realizzare le membrane per distillazione sono, ad esempio, a base di polimeri fluorurati, quali il politetrafluoroetilene (PTFE) e il fluoruro di polivinilidene, oppure a base di poliolefine quali, ad esempio, il polipropilene. Tutti questi materiali, oltre alle sopra citate proprietà di stabilità termica e di idrofobicità, possiedono una resistenza agli agenti chimici decisamente superiore rispetto a quella che caratterizza le membrane usate nei processi di osmosi inversa (generalmente a base di esteri della cellulosa e poliammidi). Grazie a queste superiori proprietà, l’eventuale sporcamento delle membrane nel processo di distillazione a membrana può essere facilmente e rapidamente eliminato mediante lavaggio con soluzioni di acidi, alcali, agenti ossidanti o sanitizzanti. Questo genere di lavaggio è, invece, impossibile da realizzare con le membrane utilizzate per l’osmosi inversa, in quanto meno resistenti agli agenti chimici e termicamente più instabili. Anche la natura dei materiali che compongono le membrane per distillazione rappresenta, quindi, un indubbio vantaggio del processo di distillazione a membrana rispetto agli altri processi di depurazione. Gli apparati di distillazione a membrana noti allo stato della tecnica sono costituiti, essenzialmente, da un serbatoio, che contiene la soluzione da distillare (mantenuta ad una temperatura relativamente alta) e da un modulo contenente una o più membrane idrofobiche. La soluzione da distillare viene prelevata dal serbatoio per mezzo di una pompa ed inviata nel modulo, all’interno del quale è fatta scorrere a contatto con un lato della membrana idrofobica ivi presente.

I vapori del solvente attraversano i pori della membrana, miscelandosi con un fluido di trasporto (ad esempio una corrente gassosa, oppure di acqua fredda) che scorre a contatto con la membrana, sul lato opposto. Il fluido di trasporto, che trascina con sé i vapori distillati, è successivamente raffreddato per separare e recuperare il solvente purificato.

L’utilizzo degli apparati noti allo stato della tecnica per i processi di distillazione a membrana presenta diversi svantaggi. Innanzitutto, il loro utilizzo è economicamente poco conveniente dal punto di vista dei consumi energetici. Elevate quantità di energia sono, infatti, necessarie sia per trasferire la soluzione da distillare dal serbatoio di alimentazione al modulo contenente le membrane, posto esternamente e a distanza dal serbatoio, sia per compensare l’inevitabile perdita di calore della soluzione, che si verifica durante il suo trasferimento dal serbatoio al modulo contenente le membrane.

In secondo luogo, i suddetti apparati sono caratterizzati da costi di investimento e di manutenzione piuttosto elevati,soprattutto quando si trattano soluzioni molto concentrate, essendo necessaria una manutenzione piuttosto frequente per via delle incrostazioni causate dalle impurità che si depositano nei condotti di transito della soluzione. I suddetti apparati sono inoltre considerevolmente ingombranti.

Un ulteriore svantaggio dell’utilizzo degli attuali apparati di distillazione a membrana è legato ai rischi di danneggiamento delle apparecchiature di pompaggio dovuti a fenomeni di cavitazione. Tali fenomeni sono piuttosto ricorrenti nelle operazioni di movimentazione di liquidi ad elevata temperatura, a causa dell’aumento della tensione di vapore del liquido e quindi della diminuzione del cosiddetto NPSH disponibile.

Un ultimo svantaggio è rappresentato dal difficile controllo della pressione della soluzione all’ingresso e all’uscita del modulo in cui è alloggiata la membrana.

È noto, infatti, che il solvente di una soluzione può penetrare in forma liquida attraverso i pori di una membrana porosa asciutta quando la sua pressione supera quella “critica” definita dall’equazione di Cantor:

dove γ è la tensione superficiale fra aria e liquido, θ è l’angolo di contatto del sistema aria-liquidomembrana e r è il raggio del poro.

La soluzione da distillare, avente una pressione superiore a quella critica, quando posta a contatto con la membrana, penetrerà attraverso quei pori il cui raggio soddisfa l’equazione di Cantor. Viceversa, se la pressione della soluzione all’uscita del modulo è inferiore a quella critica, sarà il fluido di trasporto, che scorre sull’altro lato della membrana, a invadere il comparto dove scorre la soluzione. Pertanto, se le pressioni all’ingresso ed all’uscita del modulo non sono mantenute rigorosamente sotto controllo, l’efficienza del processo di distillazione a membrana può diminuire drasticamente.

Gli apparati noti nello stato della tecnica, tuttavia, non consentono un agevole controllo della caduta di pressione legata al passaggio della soluzione all’interno del modulo. A causa della loro elasticità e per effetto del passaggio della soluzione, le membrane possono essere soggette a movimenti che alterano il regolare scorrimento della soluzione con conseguenti variazioni della pressione all’interno del modulo.

Scopo della presente invenzione è quello di superare gli inconvenienti evidenziati dallo stato della tecnica.

È un primo oggetto della presente invenzione un processo di distillazione a membrana di una soluzione liquida comprendente le seguenti fasi operative:

a) far fluire una corrente di trasporto gassosa o liquida in un condotto, detto condotto avendo una porzione centrale immersa nella soluzione da distillare, costituita da una membrana idrofobica, almeno una superficie di detta porzione centrale del condotto essendo permeabile ai soli vapori del solvente della soluzione;

b) opzionalmente, separare il solvente permeato attraverso detta membrana dalla corrente gassosa di trasporto.

Un secondo oggetto della presente invenzione è un apparato per la distillazione a membrana di una soluzione liquida comprendente:

i) un serbatoio atto a contenere la soluzione da distillare;

ii) almeno un condotto per il flusso di una corrente di trasporto, detto condotto prevedendo una porzione centrale direttamente immersa nella soluzione da distillare contenuta all’interno del serbatoio, almeno una superficie di detta porzione centrale del condotto essendo costituita da una membrana idrofobica permeabile ai soli vapori del solvente della soluzione, detta porzione centrale del condotto essendo collegata con l’esterno del serbatoio mediante un ingresso e un’uscita;

iii) opzionalmente, un dispositivo per separare il solvente distillato presente nella corrente di trasporto.

L’invenzione sarà illustrata in dettaglio con riferimento alle seguenti figure:

- Figura 1: rappresentazione schematica del processo e di una forma di realizzazione dell’apparato;

- Figura 2: diagramma del flusso di acqua distillata in funzione della velocità della corrente di trasporto (temperatura della soluzione: 70°C);

- Figura 3: diagramma del flusso di acqua distillata in funzione della velocità della corrente di trasporto (temperatura della soluzione: 80°C);

- Figura 4: rappresentazione schematica di alcune possibili configurazioni (4a, 4b, 4c) del condotto all’interno del serbatoio;

- Figura 5: diagramma del flusso di acqua distillata in funzione della velocità della corrente di trasporto (membrana: APP-1);

- Figura 6: diagramma del flusso di acqua distillata in funzione della velocità della corrente di trasporto (membrana: APP-2);

Il processo di distillazione a membrana secondo la presente invenzione può essere utilizzato per separare efficacemente un solvente depurato da una soluzione contenente impurità disciolte o in sospensione. In modo particolarmente vantaggioso, il processo oggetto dell’invenzione può essere applicato per dissalare l’acqua di mare, recuperando acqua depurata.

Altri usi del processo di distillazione a membrana secondo la presente invenzione comprendono:

- la rimozione della fase solvente a maggior tensione di vapore da una soluzione;

- la purificazione di soluzioni fortemente aggressive acide o alcaline, di soluzioni inquinanti o di soluzioni ad alta salinità;

- operazioni di concentrazione di soluzioni o di cristallizzazione di soluzioni, ad esempio nell’ambito dei cicli di trattamento acque a scarico zero.

In accordo con la presente invenzione, per realizzare la distillazione a membrana di una soluzione liquida contenente impurità disciolte, la membrana idrofobica è posta all’interno di un serbatoio in cui è contenuta la soluzione da distillare, è immersa nella soluzione da distillare ed è collegata con l’esterno del serbatoio mediante un ingresso e un’uscita. Tali aperture di ingresso e uscita permettono di immettere e fare fluire una corrente di trasporto all’interno del condotto le cui pareti sono costituite in tutto o in parte dalla membrana stessa (fase a) del processo).

Il condotto all’interno del quale fluisce la corrente di trasporto può avere qualunque forma e, come detto, le sue pareti possono essere costituite in tutto o in parte da una membrana idrofobica permeabile ai soli vapori del solvente da distillare.

Il condotto deve, inoltre, possedere almeno una frazione della superficie a contatto con la soluzione costituita da una membrana semipermeabile idrofobica in grado di essere attraversata dai vapori del solvente della soluzione da distillare.

Preferibilmente, il condotto è costituito interamente da una membrana semipermeabile. In tal caso, la permeazione dei vapori della soluzione durante la distillazione può avvenire attraverso tutta la superficie del condotto a contatto con la soluzione. In una forma di realizzazione preferita, il condotto può essere costituito da una membrana avente forma “a capillare”, “a foglio piano” o “a fibra cava”, nel cui lume è possibile fare scorrere la corrente gassosa di trasporto.

In un’altra forma di realizzazione preferita dell’invenzione, la superficie permeabile della membrana disponibile per la distillazione è incrementata utilizzando contemporaneamente una pluralità di condotti all’interno del serbatoio, ciascuno dei quali è attraversato da una corrente di trasporto. Nel caso di condotti costituiti da membrane a capillare o a fibra cava è, inoltre, possibile aumentare la superficie disponibile per la distillazione anche ripiegando i condotti su sé stessi per formare, ad esempio, delle spire elicoidali, come schematicamente rappresentato in Figura 4 (moduli A e B).

In un’ulteriore forma di realizzazione è possibile utilizzare una o più membrane semipermeabili idrofobiche di forma piana (a foglio), disposte parallelamente una all’altra e connesse opportunamente fra loro in modo da realizzare un condotto avente un’apertura di ingresso ed una di uscita per il passaggio della corrente di trasporto.

Le membrane preferibilmente utilizzate ai fini della presente invenzione sono le membrane del tipo comunemente impiegato nel settore della distillazione, quali ad esempio quelle a base di polimeri fluorurati (ad esempio PTFE e fluoruro di polivinilidene), oppure a base di poliolefine (ad esempio polipropilene).

In una forma di realizzazione la corrente di trasporto utilizzata nel processo è, preferibilmente, una corrente di aria. Tuttavia, ai fini della presente invenzione, è possibile utilizzare qualunque gas o miscela di gas da cui sia possibile separare per condensazione i vapori del solvente distillato.

In un’ulteriore forma di realizzazione preferita la corrente di trasporto è una corrente liquida, ad esempio una corrente d’acqua, ad una temperatura inferiore a quella della soluzione da distillare.

La velocità della corrente di trasporto influisce sull’efficacia del processo di distillazione.

Nel caso in cui la corrente di trasporto sia una corrente gassosa, essa è fatta fluire all’interno del condotto con una velocità variabile da 0,1 m/s a 20 m/s, preferibilmente da 0,5 a 10 m/s.

Nel caso in cui la corrente di trasporto sia una corrente liquida, essa è fatta fluire all’interno del condotto con una velocità variabile da 0,1 m/s a 5 m/s, preferibilmente da 0,5 a 2 m/s.

Nel caso in cui la corrente di trasporto sia una corrente gassosa, la temperatura della corrente di trasporto varia da 5°C a 90°C, preferibilmente da 15°C a 60°C.

Il processo di distillazione è però principalmente influenzato dalla temperatura e pressione della soluzione che deve essere riscaldata e mantenuta ad elevata temperatura. Fissata la pressione, all’aumentare della temperatura della soluzione da distillare, aumenta il flusso di distillato per unità di superficie della membrana. Per elevata temperatura si intende una temperatura superiore alla temperatura ambiente ed inferiore alla temperatura di ebollizione del solvente alla pressione operativa del processo.

Nel caso di soluzioni acquose, la temperatura della soluzione è compresa generalmente tra 40°C e 90°C.

Il processo di distillazione a membrana della presente invenzione può essere condotto sfruttando la sola pressione esercitata dal battente idrostatico della soluzione nel serbatoio oppure anche applicando una modesta pressione alla soluzione da distillare.

La corrente di trasporto uscente dal condotto ed arricchita dei vapori distillati del solvente è inviata ad un dispositivo di separazione del solvente distillato posto a valle e funzionalmente collegato con l’uscita del condotto.

Nel caso in cui la corrente di trasporto sia costituita da una corrente gassosa, come dispositivo di separazione del solvente distillato si può utilizzare un condensatore, il quale condensa i vapori di solvente distillati presenti nella corrente gassosa di trasporto e li separa da questa in forma liquida (fase b) del processo). La corrente gassosa, dopo la separazione, può essere convenientemente riutilizzata: può infatti essere nuovamente inviata all’interno del condotto come corrente gassosa di trasporto.

Nel caso in cui la corrente di trasporto sia costituita da una corrente liquida, ad esempio una corrente d’acqua, il solvente distillato, ad esempio acqua, non verrebbe separato dalla corrente di trasporto liquida, perché lo scopo dell’operazione sarebbe la concentrazione o purificazione della soluzione di partenza, anziché il recupero del solvente.

Il processo secondo la presente invenzione può essere condotto sia in modalità batch sia in modalità continua. In quest’ultimo caso, la soluzione da distillare è alimentata al serbatoio a mano a mano che il processo di distillazione procede.

La Figura 1 è una rappresentazione schematica del processo oggetto dell’invenzione e di una possibile forma di realizzazione del relativo apparato. Il condotto, che nella forma di realizzazione rappresentata schematicamente in Figura 1 è costituito interamente da una membrana (M), attraverso cui fluisce la corrente di trasporto (che nel caso raffigurato in Figura 1 è una corrente gassosa) è rappresentato schematicamente da due linee tratteggiate verticali, è posto all’interno del serbatoio (SS) ed è immerso nella soluzione da distillare o depurare.

Nella forma di realizzazione rappresentata schematicamente in Figura 1, l’apparato è provvisto anche di un secondo condensatore (CS) per impedire la perdita per evaporazione del solvente dalla soluzione da distillare, la quale è mantenuta ad elevata temperatura attraverso opportuni mezzi di riscaldamento (non mostrati in figura 1).

La corrente gassosa di trasporto (1) percorre il condotto (M), arricchendosi con i vapori del solvente permeati attraverso la membrana nel suo percorso verso l’uscita del condotto. La corrente gassosa di trasporto uscente (4) dal condotto (M) è inviata al condensatore (CA), dove il solvente distillato viene separato e recuperato in forma liquida (5), raccogliendolo nel serbatoio (SA). La corrente gassosa di trasporto uscente dal condensatore (6) è inviata nuovamente all’ingresso del condotto e riutilizzata come corrente gassosa di trasporto (1) per il processo di distillazione.

Con il procedere della distillazione, la concentrazione delle impurità nella soluzione da trattare aumenta, formando una soluzione concentrata (3) che deve essere progressivamente rimossa dal serbatoio (spurgo). Nel caso di un processo continuo, la quantità di soluzione concentrata (3) che viene spurgata dipende dalla portata di solvente liquido distillato (5) e dalla portata e concentrazione della soluzione da distillare (2) immessa nel serbatoio (SS).

L’apparato di distillazione a membrana secondo la presente invenzione non necessita di sistemi di riciclo esterni per il controllo della concentrazione di polarizzazione o del fouling, in quanto è sufficiente usare semplici sistemi di promozione di turbolenza del tipo agitatore meccanico e/o a base di ultrasuoni e/o distributore di bolle. L’apparato di distillazione a membrana secondo la presente invenzione è quindi dotato, ove necessario, di mezzi per agitare la soluzione (distributori di bolle, ultrasuoni, ecc.) e di strumenti di misura e controllo delle portate dei fluidi e delle temperature (non mostrati in figura 1). Il processo e l’apparato oggetto dalla presente invenzione presentano sensibili vantaggi rispetto ai processi e agli apparati di distillazione a membrana noti dallo stato della tecnica. In particolare, il processo secondo la presente invenzione comporta una riduzione considerevole del consumo energetico complessivo per la distillazione di una soluzione.

L’inserimento della membrana all’interno del serbatoio contenente la soluzione da distillare consente, infatti, di evitare la movimentazione di grossi volumi di soluzione dal serbatoio di alimentazione al modulo contenente la membrana.

L’apparato secondo la presente invenzione, inoltre, risulta decisamente più compatto rispetto agli apparati noti dallo stato della tecnica, in quanto comprende in un’unica unità la soluzione da distillare e la membrana (o le membrane) di distillazione, eliminando la necessità di disporre di appositi moduli esterni al serbatoio.

L’apparato consente, inoltre, di realizzare un’elevata densità di impaccamento fra superficie della membrana e volume di soluzione usato.

Anche il controllo di parametri operativi come la pressione e la temperatura della soluzione risulta semplificato. In particolare, poiché la pressione della soluzione è essenzialmente quella derivante dal suo battente idrostatico, la possibilità di permeazione indesiderata della soluzione in fase liquida o del fluido di trasporto attraverso la membrana risulta trascurabile.

Anche il controllo della temperatura della soluzione è più efficace, essendo la dispersione del calore dell’apparato molto limitata, con conseguente riduzione delle componenti e della strumentazione dell’apparato, che risulta così estremamente compatto.

A questo proposito è importante notare che in considerazione delle temperature relativamente basse richieste per riscaldare la soluzione da distillare, il processo secondo la presente invenzione si presta ad essere vantaggiosamente affiancato o integrato in altri processi produttivi per recuperare l’energia termica (anche di moderato contenuto entalpico) che sarebbe altrimenti dissipata da questi processi.

Ad esempio, il processo oggetto dell’invenzione può utilizzare il calore dell’acqua uscente da un circuito di raffreddamento di un impianto industriale (che normalmente viene ceduto a torri di raffreddamento, aerotermi, ecc.) per pre-riscaldare la soluzione da distillare, contribuendo a raffreddare l’acqua ad una temperatura idonea per potere essere riutilizzata nel ciclo di raffreddamento.

Una seconda fonte di energia termica che è possibile recuperare ed utilizzare nel processo oggetto dell’invenzione per riscaldare la soluzione da distillare è quella del blow-down di caldaia delle centrali di produzione di energia elettrica basate su un ciclo vapore. Il blow-down consiste, infatti, in una corrente di acqua liquida in equilibrio con il vapore (100°C a pressione atmosferica) che normalmente viene raffreddata, disperdendo il calore in ambiente, prima di essere scaricata nell’ambiente o prima di essere riutilizzata.

Nel processo di distillazione a membrana della presente invenzione è anche possibile recuperare il calore di condensazione del vapore proveniente dai processi industriali in cui si utilizzano turbogeneratori con ciclo Rankine a fluido organico (ORC), e utilizzarlo per riscaldare la soluzione da distillare. Questa operazione può, infatti, avvenire tramite un condensatore raffreddato ad acqua con temperature tipicamente di 60-80°C.

L’apparato oggetto della presente invenzione può essere anche utilizzato convenientemente in abbinamento con un impianto solare, ad esempio scaldando la soluzione da distillare per mezzo di tradizionali pannelli solari termici; questo tipo di applicazione è particolarmente adatta ad impianti di piccola potenzialità.

Le caratteristiche ed i vantaggi del procedimento e dell’apparato secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa dell’ambito di protezione definito dalle accluse rivendicazioni.

ESEMPIO 1

Il processo oggetto dell’invenzione è stato utilizzato per distillare acqua di mare mediante un apparato del tipo esemplificato in Figura 4. In ciascuna prova, all’interno del serbatoio sono state poste delle membrane del tipo a configurazione capillare (tipo Accurel® PP, prodotte dalla società tedesca Membrana GmbH). Le principali caratteristiche delle membrane utilizzate sono riportate in Tabella 1.

La Figure 2 e 3 riportano i diagrammi relativi al flusso di acqua depurata (espresso in litri su metro quadrato di superficie di membrana per ora, L/(m<2>⋅h)), in funzione della velocità (espressa in metri al secondo, (m/s)) della corrente di trasporto (aria) che ha attraversato il lume della membrana APP-1. La membrana è stata immersa nella soluzione salina di acqua di mare mantenuta alla temperatura di 70°C (Figura 2) e 80 °C (Figura 3). All’interno del serbatoio la membrana è stata ripiegata su sé stessa secondo le tre diverse forme riportate schematicamente in Figura 4 (Moduli A, B e C), al fine di valutare l’effetto della posizione delle linee di ingresso e di uscita della corrente di trasporto e delle diverse forme assunte dalla membrana immersa. Nei moduli A e B della Figura 4 la membrana è stata ripiegata facendole assumere la forma di una spira. L’inclinazione della spira nei moduli A e B è differente, così come è differente nei due casi la posizione della linea di ingresso ed uscita dell’aria di trasporto. Nel modulo C di Figura 4 la membrana è inclinata ed assume un profilo quasi rettilineo.

Dalle Figure 2 e 3 si evince che il flusso di distillato per unità di superficie della membrana non è praticamente influenzato dalla forma assunta dalla membrana immersa nella soluzione, mentre è strettamente dipendente dalla velocità dell’aria di trasporto e dalla temperatura dell’acqua di mare.

Il flusso di distillato aumenta all’aumentare della velocità dell’aria, così come aumenta all’aumentare della temperatura della soluzione.

L’influenza di queste ultime due variabili operative sul flusso di distillato è evidente anche dal confronto delle Figure 5 e 6 che riportano i risultati di flusso ottenuti operando con la soluzione da distillare mantenuta a diverse temperature per la membrana APP-1 (Figura 5) e APP-2 (Figura 6), quest’ultima membrana avendo diametro e spessore della parete maggiore rispetto a APP-1.

Dal confronto tra i dati relativi di flusso di distillato riportati nelle Figure 5 e 6, si evince che, a parità di condizioni operative di velocità dell’aria di trasporto e della temperatura dell’acqua di mare, un aumento del diametro del capillare e dello spessore della parete abbassa il flusso di distillato.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Processo di distillazione a membrana di una soluzione liquida comprendente le seguenti fasi operative: a) far fluire una corrente di trasporto gassosa o liquida in un condotto, detto condotto avendo una porzione centrale immersa nella soluzione da distillare, costituita da una membrana idrofobica, almeno una superficie di detta porzione centrale del condotto essendo permeabile ai soli vapori del solvente della soluzione; b) opzionalmente, separare il solvente permeato attraverso detta membrana dalla corrente gassosa di trasporto.
2. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui la corrente di trasporto è una corrente gassosa, preferibilmente aria, e la fase b) consiste nel condensare i vapori del solvente permeati attraverso detta membrana e recuperare il solvente in forma condensata dalla corrente gassosa di trasporto.
3. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui la soluzione da distillare ha una temperatura inferiore alla temperatura di ebollizione del solvente alla pressione operativa del processo.
4. Processo secondo la rivendicazione 1 in cui la soluzione da distillare è una soluzione acquosa avente una temperatura variabile da 40°C circa a 90°C circa.
5. Processo secondo la rivendicazione 1 o 3 o 4 in cui la corrente di trasporto è liquida e ha una temperatura inferiore a quella della soluzione da distillare.
6. Processo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1-4 in cui la corrente di trasporto è una corrente gassosa avente una temperatura variabile da 5°C a 90°C, preferibilmente tra 15°C a 60°C.
7. Processo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1-4 e 6 in cui la corrente di trasporto è gassosa e ha una velocità variabile da 0,1 m/s a 20 m/s, preferibilmente da 0,5 m/s a 10 m/s.
8. Processo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni 1, 3-5 in cui la corrente di trasporto è liquida e ha una velocità variabile da 0,1 m/s a 5 m/s, preferibilmente da 0,5 m/s a 2 m/s.
9. Processo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni in cui la corrente di trasporto uscente dalla fase b) è re-immessa nel condotto nella fase a).
10. Processo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni caratterizzato dal fatto che il processo è condotto in continuo.
11. Processo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il processo è condotto in modalità batch.
12. Processo per dissalare l’acqua di mare comprendente il processo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni.
13. Processo per rimuovere la fase solvente a maggior tensione di vapore da una soluzione comprendente il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11.
14. Processo per purificare soluzioni fortemente aggressive acide o alcaline, soluzioni inquinanti o soluzioni ad alta salinità comprendente il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11.
15. Processo per operazioni di concentrazione di soluzioni o di cristallizzazione di soluzioni, ad esempio nell’ambito dei cicli di trattamento acque a scarico zero, comprendente il processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11.
16. Apparato per la distillazione a membrana di una soluzione liquida comprendente: i) un serbatoio atto a contenere la soluzione da distillare; ii) almeno un condotto per il flusso di una corrente di trasporto, detto condotto prevedendo una porzione centrale direttamente immersa nella soluzione da distillare contenuta all’interno del serbatoio, almeno una superficie di detta porzione centrale del condotto essendo costituita da una membrana idrofobica permeabile ai soli vapori del solvente della soluzione, detta porzione centrale del condotto essendo collegata con l’esterno del serbatoio mediante un ingresso e un’uscita; iii) opzionalmente, un dispositivo per separare il solvente distillato presente nella corrente di trasporto.
17. Apparato secondo la rivendicazione 16 in cui la corrente di trasporto è una corrente gassosa ed il dispositivo per separare il solvente distillato dalla corrente di trasporto è un condensatore.
18. Apparato secondo la rivendicazione 15 o 16 comprendente una pluralità di condotti, costituiti almeno in parte da membrane idrofobiche, immersi direttamente nella soluzione da distillare, ciascun condotto essendo percorribile da una corrente gassosa di trasporto.
19. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 15 a 18 in cui il condotto è costituito da una membrana idrofobica avente forma capillare o di fibra cava.
20. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 15 a 19 in cui il condotto è ripiegato su sé stesso in qualunque forma, preferibilmente in forma di spira elicoidale.
21. Apparato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 15 a 20 in cui il condotto è costituito da una o più membrane a foglio.
22. Apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni da 15 a 21 comprendente, inoltre, un secondo condensatore per condensare i vapori di solvente provenienti dalla soluzione da distillare.
23. Apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni da 15 a 22 in cui il serbatoio comprende, inoltre, un’apertura per lo spurgo della soluzione concentrata.
24. Apparato secondo una qualunque delle rivendicazioni da 15 a 23 in cui il serbatoio comprende inoltre sistemi di promozione di turbolenza, preferibilmente del tipo agitatore meccanico e/o a base di ultrasuoni e/o distributore di bolle.