ITMI992092A1 - Processo di demineralizzazione delle acque in particolare mediante elettrodeionizzazione - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un processo di demineralizzazione delle acque, in particolare mediante elettrodeionizzazione.

Specificatamente, la presente invenzione si riferisce ad un procedimento e relativo impianto per la rimozione dei sali disciolti nelle acque per uso industriale in cui la deionizzazione viene realizzata combinando uno specifico trattamento preliminare di addolcimento acque con un trattamento di elettrodeionizzazione.

Il campo di applicazione della presente invenzione è quello dei trattamenti industriali di demineralizzazione delle acque che si avvalgono di apparecchiature di elettrodialisi (ED).

Il processo di elettrodeionizzazione è una procedura di demineralizzazione acque in cui viene realizzato il trasferimento degli elettroliti presenti nelle acque, da un primo fluido ad un secondo fluido, sotto l'influenza di un flusso di corrente alimentato da un'apparecchiatura di elettrodialisi, in cui almeno parte dei compartimenti di flusso sono impaccati o riempiti con materiale a scambio ionico, solitamente costituito da perline di resina.

L'elettrodeionizzazione è un trattamento di deionizzazione delle acque che non si avvale dell'utilizzo di reagenti chimici e che produce acque demineralizzate di elevata qualità, a bassissima conduttività elettrica. Questo tipo di acque trova oggigiorno svariati utilizzi che spaziano dall'alimentazione di reattori nucleari, centràli elettriche e alla tecnologia di produzione di semiconduttori, prodotti chimici, farmaceutici e componenti di microelettronica.

L'utilizzo dell'elettrodeionizzazione nel trattamento di acque è ampiamente descritto nella letteratura scientifica, ad esempio, nei brevetti americani No. 2.815.320 a nome Kollsman, 3.149.061, 3.291.713, 4.871.431, 5.066.375 a nome Parsi, 4.632.745, 4.931.160, 4.956.071 a nome Giuffrida ed altri ancora.

L'impiego principale dell'elettrodeionizzazione nelle installazioni industriali è nel polishing finale della produzione di acque ultrapure in sostituzione dei tradizionali sistemi a scambio ionico a letto misto. Pertanto le installazioni tipiche comprendono solitamente, a monte dell ' elettrodeionizzazione uno stadio di elettrodialisi o uno stadio di osmosi inversa che provvedono alla rimozione della maggior parte del contenuto salino delle acque di alimento.

Pur in queste situazioni, il processo di elettrodeionizzazione non è scevro dal presentare alcuni inconvenienti di utilizzo poiché consente una efficace deionizzazione delle acque a condizione che esse abbiano un ridotto contenuto di sali di calcio, che potrebbero originare inconvenienti di trattamento.

In particolare, si é riscontrato che la precipitazione di sali poco solubili, quali il carbonato ed il solfato di calcio, quando la loro concentrazione eccede valori soglia, porta alla formazione di incrostazioni nell'apparecchiatura di elettrodeionizzazione. Ad esempio, nei sistemi di elettrodeionizzazione convenzionali si riscontra sovente la formazione di incrostazioni di carbonato di calcio sulla superficie catodica, dove l'elettrolisi dell'acqua porta alla generazione della base e di idrogeno gassoso. In particolare, la base può reagire con bicarbonato per dare carbonato insolubile.

La formazione di incrostazioni porta ad una ridotta efficienza del sistema di elettrodeionizzazione sia per il verificarsi di un incremento della resistenza elettrica, sia perché causa un rallentamento del flusso d'acqua lungo l'apparecchiatura di elettrodeionizzazione.

E' stato ora individuato un livello soglia per la concentrazione degli ioni calcio disciolti nell'acqua al di sopra del quale sopravvengono con frequenza inconvenienti di utilizzo e si riscontrano difficoltà nel mantenere in efficiente stato di servizio il sistema di elettrodeionizzazione. Questo livello soglia è pari ad una concentrazione di Calcio superiore a 10pg/l.

E' evidente che livelli così bassi di calcio non sono normalmente ottenibili, anche con i sopraccitati trattamenti di dissalazione ad Elettrodialisi ed Osmosi Inversa.

Risulta immediato che questo livello si discosta nettamente dalla concentrazione di calcio presente comunemente nelle acque che è compreso tra pochi mg/1 e alcune centinaia di mg/1.

I tentativi sortiti per eliminare gli inconvenienti riscontrati nell 'utilizzo della elettrodeionizzazione non hanno sinora sortito l'effetto ricercato.

I tentativi di rimuovere gli ioni bivalenti presenti nelle acque attraverso la precipitazione chimica o allo scambio ionico hanno dato, per questa applicazione, risultati poco incoraggianti sia perché la rimozione ricorrendo all'uso di reagenti chimici va contro al principio fondamentale della elettrodeionizzazione, sia a causa delle difficoltà riscontrate nel ridurre la concentrazione di calcio al di sotto del valore soglia di 10 A»g/i.

Allo stato attuale si sente quindi l'esigenza di disporre di una procedura di addolcimento delle acque che sia in grado di rimuovere quantitativi elevati di Ca, fino ad oltre il 99,98%, per fornire un'acqua con contenuto di ioni bivalenti particolarmente idoneo ad essere sottoposto a demineralizzazione per via elettrodeionizzazione.

Uno degli scopi generali della presente invenzione consiste nel minimizzare l'incidenza degli inconvenienti che si riscontrano nella realizzazione delle procedure di demineralizzazione delle acque mediante elettrodeionizzazione.

Uno scopo primario della presente invenzione consiste nel fornire un processo di demineralizzazione delle acque, in particolare mediante elettrodeionizzazione, in grado di produrre un'acqua altamente pura, con elevata resistività.

Un altro scopo della presente invenzione consiste nel fornire un impianto di demineralizzazione delle acque in grado di rimuovere efficacemente gli ioni presenti nell'acqua con contenuti costi di esercizio.

Un ulteriore scopo della presente invenzione consiste nel fornire un procedimento per la demineralizzazione delle acque che si avvalga di un impianto di elettrodeionizzazione la cui operatività non sia limitata dall'incidenza dei fenomeni di incrostazione, dovuti al deposito dei sali di calcio, comunemente presenti nelle acque.

Alla luce di questi scopi e di altri ancora che appariranno più evidenti in seguito viene fornito, in accordo con un primo aspetto della presente invenzione, un processo di demineralizzazione delle acque, in particolare mediante elettrodeionizzazione, caratterizzato dal fatto di combinare:

- un trattamento preliminare ad elettrodialisi o ad osmosi inversa di rimozione selettiva degli ioni bivalenti residui dall’acqua osmotizzata mediante assorbimento su resina cationica debole in ciclo acido, per dare un'acqua addolcita avente una concentrazione in ioni bivalenti ≤10μ%/1, preferibilmente £5μg/l, con

- un trattamento di elettrodeionizzazione dell'acqua addolcita. il trattamento iniziale dell'invenzione è vantaggiosamente volto a rimuovere dall'acqua gli ioni magnesio e calcio, in particolare questi ultimi.

Nell'ambito dell'invenzione si è verificato che una rimozione particolarmente efficace viene ottenuta utilizzando, una resina cationica debole (resina carbossilica). L'utilizzo preferenziale di queste resine é dovuto, oltre alla loro elevata efficienza e selettività di rimozione, alla loro facoltà di pater essere rigenerate, una volta che hanno raggiunto livelli prossimi alla saturazione, ad esempio mediante circolazione di una soluzione acida in controcorrente.

E' stato verificato che, realizzando una iniziale rimozione selettiva di ioni bivalenti dalle acque, sino al raggiungimento del valore soglia di lOfig/l, si ottiene un'acqua avente caratteristiche ottimali per essere deionizzata in maniera efficace mediante trattamento di elettrodeionizzazione.

In particolare, la Richiedente ha individuato che una rimozione selettiva particolarmente efficace viene realizzata mediante trattamento di scambio ionico su resina cationica debole in ciclo acido.

La combinazione di un trattamento di scambio ionico su resina con un trattamento di elettrodeionizzazione, produce un'acqua altamente pura, particolarmente idonea ad alimentare reattori nucleari, centrali elettriche, o per realizzare prodotti chimici, farmaceutici e di microelettronica, quali semiconduttori.

In accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione l'acqua di alimentazione viene sottoposta ad una fase preliminare di trattamento.

In particolare, quando le acque di alimentazione sono altamente saline viene vantaggiosamente previsto un trattamento preliminare di osmosi inversa per realizzare un abbattimento iniziale degli ioni. La fase preliminare di trattamento può prevedere anche la rimozione delle sostanze organiche, colloidali e di altre impurità presenti nell'acqua, ad esempio mediante assorbimento su carbone attivo. L'acqua pre-trattata si trova così in una forma altamente idonea per essere sottoposta al procedimento di demineralizzazione dell'invenzione.

In accordo con un altro aspetto della presente invenzione viene fornito un impianto per la demineralizzazione delle acque, in particolare mediante elettrodeionizzazione, comprendente una colonna di scambio ionico posizionata a monte di un'apparecchiatura di elettrodeionizzazione.

Vantaggiosamente, la colonna di scambio ionico comprende una resina cationica debole per la rimozione selettiva degli ioni dall'acqua, immobilizzata da una massa inerte, preferibilmente costituita da granuli di polietilene .

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione di una forma di realizzazione preferita, ma non esclusiva, dell'impianto dell'invenzione, illustrata a titolo indicativo e non limitativo nell'unito disegno in cui:

la figura 1 rappresenta una vista in alzato di una sezione longitudinale di una colonna di scambio ionico in accordo con una forma di realizzazione dell'impianto dell'invenzione;

la figura 2 rappresenta, schematicamente, un particolare di un'apparecchiatura di elettrodeionizzazione secondo una forma di realizzazione dell'impianto dell'invenzione.

Con riferimento alla citata figura 1, l'acqua grezza viene prelevata da una vasca l e pompata da una pompa di alimentazione 2 all'interno di una colonna di scambio ionico 3 dove viene realizzato il trattamento di rimozione selettivo degli ioni bivalenti, all'interno della colonna é disposto uno strato inferiore 12, costituito da una resina cationica debole, preferibilmente una resina carbossilica in forma granulare con dimensione particellare compresa tra 0,3 e 0,7 mm, ed uno strato superiore 13 costituito da una massa inerte per immobilizzare la resina. Lo strato di massa inerte è vantaggiosamente costituito da granuli di polietilene.

La colonna di scambio ionico 3 viene alimentata con acqua prelevata mediante pompaggio dalla vasca 1 e fatta circolare all'interno della colonna 3. Durante il tragitto lungo la colonna ha luogo lo scambio ionico tra la resina e l'acqua. All'uscita dalla colonna l'acqua è addolcita del suo contenuto in ioni calcio e viene trasferita all'apparecchiatura di elettrodeionizzazione, non mostrata.

L'acqua in uscita dalla colonna presenta vantaggiosamente valori di concentrazione di calcio uguali od inferiori a lC^g/l.

La resina cationica debole viene rigenerata facendo scorrere una soluzione acida (da HC1) preferibilmente in controcorrente.

Nell'allegata figura 2 viene schematicamente illustrato il particolare di un'apparecchiatura di elettrodeionizzazione dotata di membrana cationica (21) ed anionica (22), investite da un flusso di corrente elettrica generato di natura continua. Nella figura vengono illustrati gli ioni (23) costretti dal campo elettrico a migrare dai compartimenti di diluizione (25) a quelli di concentrazione (2G, 27). Un sistema di questo tipo é ad esempio utilizzato nelle unità di elettrodeionizzazione realizzate dalla IONICS Incorporated, di Watertown, MA; USA.

Il seguente esempio viene fornito a solo scopo illustrativo della presente invenzione e non deve essere inteso in senso limitativo dell'ambito dell'invenzione, quale risulta definito dalle accluse rivendicazioni.

ESEMPIO 1

E’ stato realizzato il trattamento iniziale per la rimozione selettiva degli ioni bivalenti dall'acqua mediante assorbimento su resina cationica debole in ciclo acido per fornire un'acqua addolcita avente una concentrazione in ioni bivalenti uguale od inferiore a 10 μg/l , particolarmente idonea ad essere sottoposta ad un successivo trattamento di elettrodeionizzazione in accordo con l'invenzione.

Per la realizzazione del trattamento iniziale si è utilizzata una colonna di scambio ionico del tipo illustrato nella figura 1. La colonna è stata alimentata con un flusso di acqua generato da una pompa di alimentazione con portata di 961/h, determinante una velocità di passaggio a colonna vuota di 41,9 m/h ed una portata specifica pari a 34,9 volumi di resina/ora. La colonna presentava un diametro di 0,054 m, un'altezza di 2 m, un'altezza di strato pari a 1,2 m, un volume di resina pari a 2,751.

La stessa pompa veniva utilizzata per far scorrere in controcorrente una soluzione di HC1 per la rigenerazione della resina.

I risultati dell'azione selettiva di addolcimento sono ricapitolati nella seguente Tabella 1 in cui sono evidenziate le concentrazioni di ioni bivalenti di Ca e Mg prima e dopo il trattamento. I valori di concentrazione riscontrati al fine del trattamento per detti ioni erano inferiori o pari a 10 μg, fino al 12° giorno, data in cui ci si avvicinava a valori prossimi alla saturazione della resina cationica.

I valori di carico specifico espresso come carbonato di calcio raggiunti durante i giorni di esercizio dell'impianto, sono riportati in Tabella 2.

TABELLA 1

TABELLA 2

La resina della colonna di scambio ionico è stata quindi sottoposta a procedura di rigenerazione seguendo le specifiche dettagliate nella seguente Tabella 3.

TABELLA 3

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Processo di demineralizzazione delle acque, in particolare mediante elettrodeionizzazione, caratterizzato dal fatto di combinare - un trattamento iniziale di rimozione selettiva degli ioni bivalenti dall'acqua mediante assorbimento su resina cationica debole in ciclo acido per dare acqua addolcita avente una concentrazione di ioni bivalente uguale od inferiore a 10 jig/l, con - un trattamento di elettrodeionizzazione dell'acqua addolcita.
2. 2. Processo secondo la rivendicazione l, caratterizzato dal fatto che detti ioni bivalenti sono ioni di calcio.
3. 3. Processo secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta resina cationica debole è una resina carbossilica.
4. 4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, caratterizzato dal fatto che detto trattamento iniziale ha luogo in una colonna di scambio ionico.
5. 5. Processo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta colonna di scambio ionico comprende una massa inerte per immobilizzare la resina cationica debole.
6. 6. Processo secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta resina cationica debole è di tipo rigenerabile per circolazione di una soluzione acida.
7. 7. Processo secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detta soluzione acida è una soluzione di acido cloridrico.
8. 8. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-7, caratterizzato dal fatto che detta concentrazione di ioni bivalente è uguale od inferiore a 5 Mg/l.
9. 9. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8 caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una fase preliminare di trattamento delle acque.
10. 10. Processo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detta fase preliminare comprende un trattamento di osmosi inversa.
11. 11. Processo secondo la rivendicazione 9 o 10, caratterizzato dal fatto che detta fase preliminare comprende la rimozione delle sostanze organiche, colloidali e di altre impurità presenti nell'acqua.
12. 12. Processo secondo la rivendicazione 11, caratterizzato dal fatto che detta fase preliminare di rimozione avviene per assorbimento su carbone attivo.
13. 13. Impianto per la demineralizzazione delle acque, in particolare mediante elettrodeionizzazione, caratterizzato dal fatto di comprendere una colonna di scambio ionico posizionata a monte e connessa ad un'apparecchiatura di elettrodeionizzazione.
14. 14. Impianto secondo la rivendicazione 13, caratterizzato dal fatto che detta colonna include una massa inerte per immobilizzare una resina cationica debole.
15. 15. Impianto secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che detta massa inerte è costituita da granuli di polietilene e detta resina cationica debole è una resina carbossilica.