ITMI971205A1 - Impianto di osmosi inversa e procedimento di trattamento di liquidi ad elevata salinita'e/o fortemente inquinati - Google Patents

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo:

"Impianto di osmosi inversa e procedimento di trattamento di liquidi ad elevata salinità e/o fortemente inquinati"

1. Campo dell'invenzione

La presente invenzione riguarda un impianto di osmosi inversa ed il procedimento di trattamento di liquidi ad elevata salinità e/o fortemente inquinati mediante tale impianto.

L'osmosi inversa è una tecnica di separazione dei soluti inorganici e/o organici presenti in un liquido dalla fase acquosa in cui sono disciolti, basata sull'applicazione al liquido da trattare di una pressione tale da vincere la pressione osmotica, forzando l'acqua pura a permeare attraverso la membrana di osmosi, con produzione di una fase acquosa (permeato Px), sostanzialmente priva o comunque fortemente impoverita di detti soluti, ed una fase residua (concentrato Cx), in cui è concentrata la maggior parte di detti soluti.

L'osmosi inversa trova applicazione in vari campi, ad esempio nella purificazione di acque di scarto residue di lavorazioni industriali o di liquami da rifiuti solidi urbani; nella desalinizzazione di acque salmastre o salate; nella concentrazione di soluzioni diluite di sostanze organiche in genere.

2 . Stato della tecnica

Uno dei problemi più rilevanti connessi con l'osmosi inversa risiede nel fatto che, man mano che il liquido da trattare procede nelle unità di osmosi, la sua concentrazione aumenta per effetto della rimozione continua di fase acquosa nel permeato, con riduzione del rendimento e dell’efficacia della separazione. Per contrastare il progressivo incremento di pressione osmotica del liquido da trattare, mantenendo il più possibile costante il rendimento di purificazione (volume di permeato in uscita dalla sezione di osmosi nell'unità di tempo), occorre lavorare ad una pressione di esercizio abbastanza alta da vincere la pressione osmotica del liquido da trattare anche nelle fasi finali dell'osmosi, con conseguente spreco di energia nelle prime fasi di purificazione.

Secondo la tecnica nota, ogni stadio di osmosi inversa è effettuato a pressione di esercizio costante.

U. Theilen in Process Combinations, Trade Related Artid e, Chemical Plants and Processing, November 199*1, pag. 12-1*1 riporta che alcuni stadi di osmosi a 30"50 bar possono essere seguiti da alcuni stadi condotti ad una pressione più elevata, compresa fra 120 e 200 bar, per concentrare ulteriormente il liquido. Tale metodo, basato sul fatto di condurre un intero stadio di osmosi a pressione elevata, presenta l'inconveniente di richiedere un' ulteriore dispendio energetico, e quindi economico. E' quindi sentita l'esigenza di disporre di nuovi procedimenti di osmosi inversa, efficaci, economici, adatti alla realizzazione su scala .industriale, che superino gli inconvenienti della tecnica nota.

3 . Sommario

La Richiedente ha ora trovato che è possibile conseguire elevati rendimenti ed efficienza di separazione minimizzando i consumi energetici , inserendo almeno una pompa ausiliaria PB in serie in un circuito di osmosi inversa 01, consentendo di lavorare in quello stadio ad almeno due diverse pressioni di esercizio, ad una pressione più bassa in una fase precedente, e a pressione più elevata nelle fasi successive all'inserimento di detta pompa. Costituisce pertanto oggetto della presente invenzione una unità (o apparato) di osmosi inversa 01, caratterizzata dal fatto di comprendere almeno una pompa ausiliaria (o pompa "booster" PB) inserita in serie nel circuito di una singola unità di osmosi 01, detta pompa ausiliaria PB essendo interposta fra due gruppi successivi di membrane di osmosi, facenti parte di una stessa unità di osmosi, così da -realizzare un incremento di pressione nel circuito del liquido che circola sotto pressione (cioè superiore alla pressione atmosferica) in detta unità di osmosi, e l'impianto per il trattamento di liquidi comprendente almeno una unità di osmosi secondo la presente invenzione.

Costituisce ulteriore, oggetto della presente invenzione un procedimento per la purificazione o concentrazione di liquidi mediante separazione dei soluti in essi disciolti dalla fase acquosa, comprendente almeno uno stadio di osmosi inversa, caratterizzato dal fatto che almeno uno stadio di osmosi inversa è condotto realizzando almeno un incremento di pressione del liquido che circola sotto pressione in una data unità di osmosi (e quindi in un singolo stadio di osmosi), inserendo in serie nel circuito di detto liquido almeno una pompa ausiliaria PB (pompa di rilancio, o pompa "booster"), che produce un aumento di pressione in detto circuito.

4. Breve descrizione delle Figure

Figura 1 rappresenta lo schema a blocchi di una sezione di osmosi inversa 01 secondo la presente invenzione, comprendente 4 "loops" di membrane per osmosi ed una pompa ausiliaria PB.

5 Descrizione dettagliata

Nel presente testo, per unità di osmosi si intende l'apparato comprendente un raggruppamento di più membrane di osmosi nel quale viene condotto un singolo stadio di osmosi, dalla -immissione del liquido da trattare precedentemente portato alla pressione di esercizio mediante un’apposita pompa, fino allo scarico del permeato, a pressione atmosferica.

L'osmosi inversa secondo la presente invenzione si applica più in particolare al trattamento di fluidi ad elevata conducibilità, ad esempio fino a 20.000 yS/cm, compresa ad esempio fra 5000 e 20.000 yS/cm (micro Siemens/centimetro), permettendo di ottenere una concentrazione dei soluti di almeno 8-10 volte rispetto al volume iniziale trattato, corrispondente a fattori di concentrazione volumetrica FCV per singolo stadio di osmosi preferibilmente pari ad almeno 8, più preferibilmente ad almeno 10, dove FCV è definito come segue:

in cui Vg è il volume di liquido in entrata in uno stadio di osmosi inversa e Vg è il volume di concentrato in uscita dallo stesso stadio.

La presente invenzione si applica alla purificazione di vari tipi di acque contaminate, quali acque residue da lavorazioni dell’industria chimica, farmaceutica o alimentare, o i percolati di discarica; alla desalinizzazione di acque salmastre ed altri liquidi salini; alla concentrazione di soluzioni acquose di principi attivi farmaceutici e più in particolare di brodi di fermentazione nella produzione di antibiotici.

Il sistema di alimentazione della osmosi inversa può essere ad esempio del tipo in continuo, noto come "fleed and bleed", in cui si allontana mano a mano il permeato che si forma, alimentando in continuo la sezione di osmosi con nuovo fluido da trattare, che va ad aggiungersi al concentrato che viene riprocessato in continuo in ogni gruppo di membrane di osmosi. Nella presente invenzione, l'alimentazione del permeato Px alla unità di osmosi avviene tipicamente mediante una pompa di alimentazione PA1 ed una pompa ad alta pressione PA2 (Figura 1). Secondo una forma di realizzazione tipica della presente invenzione, ogni sezione (unità) di osmosi inversa contiene più gruppi di membrane di osmosi, dette "loop" L1 (ad esempio in numero da 2 a 6), ognuno a sua volta contenente uno o più contenitori a pressione ("pressure vessels" ), ad esempio in numero da 2 a 6, posti in serie e/o in parallelo all'interno di ogni "loop" : ogni contenitore a pressione a sua volta contiene due o più singole membrane di osmosi, ad esempio da 2 a 6, poste in serie al suo interno. Ogni "loop" L1-L4 è alimentato da una pompa di ricircolo PR1-PR4, che fa ricircolare in continuo al suo interno il liquido da filtrare.

Il permeato Px in uscita da ogni loop viene man mano raccòlto con quello dei "loop" successivi, per essere raccolto a fine processo, oppure ulteriormente trattato, ad esempio mediante un ulteriore stadio di osmosi inversa, oppure ad altra tecnica di lavorazione, a seconda del tipo di separazione specifica che si vuole ottenere.

Si descrive a titolo di esempio, per illustrare senza voler limitare la presente invenzione, la forma di realizzazione illustrata in Figura 1, in cui è rappresentata una unità di osmosi contenente 4 "loops" collegati fra loro in serie, ognuno alimentato dalla propria pompa di ricircolo PR1-PR4 ogni "loop" a sua volta contiene 3 contenitori a pressione, disposti in serie e/o in parallelo all'interno del "loop", ognuno dei quali contiene 3 membrane di osmosi (non illustrate in Figura 1). Come visto, secondo una caratteristica essenziale della presente invenzione, almeno una pompa ausiliaria PB è inserita in serie nel circuito del fluido che circola all'interno di detta unità di osmosi a pressione superiore a quella atmosferica: la pressione del fluido che circola nella unità di osmosi è quindi ulteriormente incrementata, senza interromperne il circuito. Una pompa ausiliaria PB è in genere sufficiente per la maggior parte degli scopi.

In pratica, la pompa ausiliaria PB preleva il concentrato Cx in uscita da un gruppo di membrane di osmosi, e lo invia a pressione incrementata al successivo gruppo di membrane nella stessa unità di osmosi, consentendo quindi di lavorare nello stesso circuito di osmosi, tipicamente a due diverse pressioni di esercizio: più bassa a monte della pompa ausiliaria PB, in un primo gruppo di membrane o "loop", e più elevata a valle della pompa ausiliaria PB, nei successivi gruppi di membrane di osmosi inversa.

Secondo una forma di realizzazione particolare della presente invenzione, la pompa ausiliaria PB è inserita in serie fra una prima serie ed una seconda serie di gruppi di membrane ausiliare o "loops" di una singola unità di osmosi, ogni serie essendo preferibilmente costituita da due "loops" L1-2 ed L3-4 (Fig. 1). A seconda del fluido da trattare e delle caratterisitiche finali del permeato richieste, la frazione di permeato Px in uscita dall'ultimo "loop" L4 della prima sezione di osmosi 01-1 può essere eventualmente riciclata in testa al primo "loop" e riprocessata, ottenendo un ulteriore incremento di qualità della separazione.

A seconda della applicazione specifica da effettuare, il liquido grezzo da trattare è preferibilmente sottoposto ad opportuni pretrattamenti fisici, chimici o chimico-fisici, per renderlo idoneo alla osmosi inversa, quali ad esempio omogeneizzazione, chiariflocculazione, chiarificazione mediante filtrazione su setacci per eliminare i materiali particolati grossolani, ultrafiltrazione, ossidazione, trattamenti biologici o altri.

Per gli scopi della presente invenzione, possono essere utilizzati vari tipi di membrane di osmosi, di natura chimica, configurazione e porosità variabile in funzione della specifica applicazione che si desidera effettuare, scegliendole fra quelle note nell'arte.

Secondo una forma di realizzazione particolare della presente invenzione, si utilizzano come membrane di osmosi inversa membrane ad alta reiezione salina, in particolare pari ad almeno -il 95% , più in particolare ad elevata reiezione di NaCl (ad esempio a reiezione di NaCl pari a 98 ,8%-99%) .

Esempi di membrane utili per gli scopi della presente invenzione sono quelle commercializzate dalla DESAL Membrane Products.

La reiezione salina esprime la % di sale, in particolare di NaCl, che è trattenuta nel concentrato da una membrana di osmosi, operando nelle seguenti condizioni: soluzione sottosposta ad osmosi: soluzione acquosa di NaCl contenente 32.000 mg/litro, pressione operativa di 800 psig (5-516 kPa), 25°C, pH 6.5. 15# di recupero dopo 24 ore.

Ad esempio, il flusso negli elementi individuali può variare del ± 15#·

Possono essere inoltre utilizzate membrane da nanofiltrazione. Secondo una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, si utilizzano in un unico stadio di osmosi (e quindi in un'unica unità di osmosi) membrane ad elevata reiezione salina, in combinazione con membrane da nanofiltrazione.

Ad esempio, si possono utilizzare membrane di nanofiltrazione nei primi "loops" di una unità di osmosi, che funzionano a pressione inferiore, e membrane ad alta reiezione di NaCl nei "loops" a valle della pompa ausiliaria, che lavorano a pressione più elevata.

Il presente trattamento di osmosi inversa è effettuato a pressioni di esercizio ampiamente variabili in funzione del tipo di purificazione specifica che si intende effettuare.

A titolo generale e meramente indicativo , possono essere utilizzate pressioni di esercizio orientativamente comprese fra 30 e 120 bar (ad esempio ≥ 30 bar e < 120 bar) .

L'incremento di pressione determinato dalla pompa ausiliaria fra un gruppo di membrane di osmosi ed il gruppo successivo può essere ad esempio compreso fra 10 e 60 bar, più tipicamente fra 20 e 50 bar, a seconda dell'applicazione specifica.

Il procedimento di osmosi inversa secondo la presente invenzione può essere effettuato a freddo, cioè a temperature del fluido da trattare inferiori a 15°C, ad esempio comprese fra 5°C e ≤ 15°C, oppure più elevate, ad esempio fino a 90°C.

L'uso della pompa ausiliaria PB secondo la presente invenzione consente di vincere l'incremento di pressione osmotica nelle ultime fasi di concentrazione, contrastando la conseguente riduzione della differenza fra pressione applicata e pressione osmotica, che si riscontra al procedere dell'osmosi per la continua rimozione di permeato Px e la progressiva concentrazione del liquido trattato, e che determina rallentamento del flusso e diminuzione del rendimento dell'osmosi.

Inoltre, la pompa ausiliaria consente di lavorare nei primi "loops", cioè nelle prime fasi di concentrazione, in modo ottimale, ad una pressione media di esercizio inferiore a quella che sarebbe necessario applicare lavorando a pressione costante per mantenere un pari rendimento, rivelandosi in particolare estremamente vantaggioso rispetto ai procedimenti della tecnica -nota prima ricordati, rispetto ai quali comporta risparmio energetico ed una minore usura delle membrane, dovuta all'impiego di pressioni esercizio mediamente inferiori. L'uso di pressioni di esercizio inferiori consente di preservare più, a lungo la vita delle membrane di osmosi, riduce i consumi di energia e quindi i costi operativi.

Claims (25)

1. RIVENDICAZIONI 1. Unità di osmosi inversa, caratterizzata dal fatto di comprendere almeno una pompa ausiliaria PB inserita in serie nel circuito di una singola unità di osmosi 01, detta pompa ausiliaria PB essendo interposta, fra due gruppi successivi di membrane di osmosi, facenti parte di detta unità, così da realizzare un incremento di pressione nel circuito del liquido che circola sotto pressione in detta unità di osmosi.
2. 2. Unità di osmosi secondo la rivendicazione 1, comprendente una più gruppi di membrane di'osmosi, dette "loop" L1, ognuno a sua volta contenente uno o più contenitori a pressione posti in serie e/o in parallelo all'interno di ogni "loop", e in cui ogni contenitore a pressione a sua volta contiene due o più singole membrane di osmosi, poste in serie al suo interno; ogni "loop" L·1 essendo alimentato da una pompa di ricircolo PR1 , che fa ricircolare in continuo il liquido da filtrare al suo interno.
3. 3- Unità di osmosi secondo la rivendicazione 2, in cui detti "loop" sono in numero da 2 a 6, detti contenitori a pressione sono in numero da 2 a 6, dette singole membrane di osmosi sono in numero da 2 a 6.
4. 4. Unità di osmosi secondo la rivendicazione 2, in cui la unità di osmosi contiene 4 "loops" collegati fra loro in serie, ognuno alimentato dalla propria pompa di ricircolo PR1-PR4; ogni "loop" a sua volta contiene 3 contenitori a pressione, disposti in serie e/o in parallelo all'interno del "loop", ognuno dei quali contiene 3 membrane di osmosi.
5. 5- Unità di osmosi secondo la rivendicazione 2, in cui detta pompa ausiliaria PB è inserita in serie fra una prima serie ed una seconda serie di gruppi di membrane ausiliare o "loops" L1-4· ogni serie essendo costituita da due "loops" L1-2 ed L3-4.
6. 6. Unità secondo la rivendicazione 1, in cui le membrane di osmosi sono scelte fra membrane ad elevata reiezione salina, membrane da nanofiltrazione, eventualmente in combinazione.
7. 7. Unità secondo la rivendicazione 6, in cui le membrane ad elevata reiezione salina sono membrane a reiezione di NaCl pari ad almeno il 95#. dove la reiezione di NaCl esprime la % di NaCl, che è trattenuta nel concentrato da una membrana di osmosi, operando nelle seguenti condizioni: soluzione sottosposta ad osmosi: soluzione acquosa di NaCl contenente 32.000 mg/litro, pressione operativa di 800 psig (5-516 kPa), 25°C, pH 6,5. 15# di recupero dopo 24 ore.
8. 8. Unità secondo la rivendicazione 6, in cui si utilizzano in una unica unità di osmosi membrane ad elevata reiezione salina, in combinazione con membrane di nanofiltrazione, quelle di nanofiltrazione essendo utilizza nei primi "loops" di una unità di osmosi, che funzionano a pressione inferiore, e quelle ad alta reiezione di NaCl .nei "loops" successivi, a valle della pompa ausiliaria, che lavorano a pressione più elevata.
9. 9- Impianto per la purificazione o la concentrazione di liquidi. comprendente almeno una unità di osmosi, come definita nelle rivendicazioni da 1 a 8.
10. 10. Procedimento per la purificazione o concentrazione di liquidi mediante separazione dei soluti in essi disciolti dalla fase acquosa comprendente almeno uno stadio di osmosi inversa, caratterizzato dal fatto che almeno uno stadio di osmosi inversa è condotto realizzando almeno un incremento di pressione del liquido che circola sotto pressione in detto stadio di osmosi inversa, inserendo almeno una pompa ausiliaria PB (pompa di rilancio, o pompa "booster") in serie nel circuito di detto liquido.
11. 11. Procedimento secondo la rivendicazione 6, in cui il liquido sottoposto ad osmosi ha una conducibilità compresa fra 5000 e 20.000 pS/cm (micro Siemens/centimetro), ed in cui il fattore di concentrazione volumetrica FCV è pari ad almeno 8, dove FCV è

    dove Vg è il volume di liquido in entrata in uno stadio di osmosi inversa e VQ è il volume di concentrato in uscita dallo stesso stadio.
12. 12. Procedimento secondo la rivendicazione 10, applicato alla purificazione di acque residue da lavorazioni dell'industria chimica, farmaceutica o alimentare, alla purificazione di percolato di discarica; alla concentrazione di soluzioni acquose di principi attivi farmaceutici o di brodi di fermentazione per la preparazione di antibiotici; alla desalinizzazione di acque salmastre e liquidi salini.
13. 13. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui detta unità di osmosi inversa contiene più gruppi di membrane di osmosi, dette "loop" , ognuno a sua volta contenènte uno o più contenitori a pressione posti in serie e/o in parallelo all'interno di ogni "loop", e in cui ogni contenitore a pressione a sua volta contiene due o più singole membrane di osmosi, poste in serie al suo interno; ogni "loop" essendo alimentato da una pompa di ricircolo PR1, che fa ricircolare in continuo il liquido da filtrare al suo interno. l4<'>.
14. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui detti "loop" sono in numero da 2 a 6, detti contenitori a pressione sono in numero da 2 a 6, dette singole membrane di osmosi sono in numero da 2 a 6.
15. 15. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui detta pompa ausiliaria PB preleva il concentrato Cx in uscita da un gruppo di membrane di osmosi, e lo invia a pressione incrementata al successivo gruppo di membrane nella stessa unità di osmosi, consentendo quindi di lavorare nello stesso circuito di osmosi a due diverse pressioni di esercizio: ad una pressione più bassa a monte della pompa ausiliaria PB, in un primo gruppo di membrane o "loop", e a pressione più elevata a valle della pompa ausiliaria PB, nei successivi gruppi di membrane di osmosi inversa.
16. 16. Procedimento secondo la rivendicazione 15 , in cui detta pompa ausiliaria PB è inserita in serie fra una prima serie ed una seconda serie di gruppi di membrane ausiliare o "loops" ogni serie essendo costituita da due "loops" L-2 ed L3-4'
17. 17. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui la frazione di permeato Px in uscita dall'ultimo "loop" L4 della prima sezione di osmosi 01-1 è riciclata in testa al primo "loop" e riprocessata.
18. 18. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui le membrane di osmosi sono scelte fra membrane ad elevata reiezione salina, membrane da nanoflibrazione e loro miscele.
19. 19. Procedimento secondo la rivendicazione 18, in cui le membrane ad elevata reiezione salina hanno reiezione di NaCl pari ad almeno il 35% > dove la reiezione di NaCl esprime la % di NaCl, che è trattenuta nel concentrato da una membrana di osmosi, operando nelle seguenti condizioni: soluzione sottosposta ad osmosi: soluzione acquosa di NaCl contenente 32.000 mg/litro, pressione operativa di 800 psig (5-516 kPa), 25°C, pH 6,5. 15# di recupero dopo 24 ore.
20. 20. Procedimento secondo la rivendicazione 18, in cui si utilizzano in un unica unità di osmosi membrane ad elevata reiezione salina, in combinazione con membrane di nanofiltrazione, quelle di nanofiltrazione essendo utilizza nei primi "loops" di una unità di osmosi, che funzionano a pressione inferiore, e quelle ad alta reiezione di NaCl nei "loops" successivi, a valle della pompa ausiliaria, che lavorano a pressione più elevata.
21. 21. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui la pressione di esercizio è compresa fra 30 e 120 bar.
22. 22. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui si realizza un incremento di pressione fra un primo gruppo di membrane di osmosi ed il successivo di 10 - 60 bar.
23. 23. Procedimento secondo la rivendicazione 22, in cui detto incremento è di 20-50 bar.
24. 24. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui l'osmosi inversa è effettuata ad una temperatura compresa fra 5°C e 90°C.
25. 25. Uso di una pompa ausiliaria PB per incrementare la pressione all'interno di un circuito di liquido in circolazione sotto pressione in una singola unità di osmosi inversa.