ITRM20130537A1 - Metodo di trattamento di acque inquinate e la contestuale generazione di energia elettrica - Google Patents
Metodo di trattamento di acque inquinate e la contestuale generazione di energia elettricaInfo
- Publication number
- ITRM20130537A1 ITRM20130537A1 IT000537A ITRM20130537A ITRM20130537A1 IT RM20130537 A1 ITRM20130537 A1 IT RM20130537A1 IT 000537 A IT000537 A IT 000537A IT RM20130537 A ITRM20130537 A IT RM20130537A IT RM20130537 A1 ITRM20130537 A1 IT RM20130537A1
- Authority
- IT
- Italy
- Prior art keywords
- waters
- water
- polluted
- cells
- processes
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 81
- 239000003643 water by type Substances 0.000 title claims description 41
- 238000011282 treatment Methods 0.000 title claims description 23
- 230000005611 electricity Effects 0.000 title claims description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 69
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 48
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims description 35
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 34
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 claims description 29
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 claims description 29
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 25
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 25
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 20
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 20
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 20
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 claims description 18
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 17
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 15
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 14
- 231100001240 inorganic pollutant Toxicity 0.000 claims description 9
- 125000000129 anionic group Chemical group 0.000 claims description 8
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 claims description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 239000003295 industrial effluent Substances 0.000 claims description 2
- 159000000014 iron salts Chemical class 0.000 claims 1
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 claims 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 8
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 7
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 7
- QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N hypochlorous acid Chemical compound ClO QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 4
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 4
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 4
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 3
- 150000001735 carboxylic acids Chemical class 0.000 description 3
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 3
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 3
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 description 2
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 description 2
- 150000001345 alkine derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 150000001491 aromatic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000987 azo dye Substances 0.000 description 2
- 150000001728 carbonyl compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000007857 degradation product Substances 0.000 description 2
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005518 electrochemistry Effects 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L iron(2+) sulfate (anhydrous) Chemical compound [Fe+2].[O-]S([O-])(=O)=O BAUYGSIQEAFULO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910000359 iron(II) sulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017464 nitrogen compound Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002830 nitrogen compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 description 2
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical class [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N Fe3+ Chemical compound [Fe+3] VTLYFUHAOXGGBS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YJZATOSJMRIRIW-UHFFFAOYSA-N [Ir]=O Chemical class [Ir]=O YJZATOSJMRIRIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ROZSPJBPUVWBHW-UHFFFAOYSA-N [Ru]=O Chemical class [Ru]=O ROZSPJBPUVWBHW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 150000008280 chlorinated hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004040 coloring Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- WQYVRQLZKVEZGA-UHFFFAOYSA-N hypochlorite Chemical compound Cl[O-] WQYVRQLZKVEZGA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002505 iron Chemical class 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000006385 ozonation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 1
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013535 sea water Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
- C02F1/4676—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electroreduction
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/461—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis
- C02F1/467—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction
- C02F1/4672—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrolysis by electrochemical disinfection; by electrooxydation or by electroreduction by electrooxydation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
- C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
- C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
- C02F1/4693—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis electrodialysis
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/10—Inorganic compounds
- C02F2101/20—Heavy metals or heavy metal compounds
- C02F2101/22—Chromium or chromium compounds, e.g. chromates
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2101/00—Nature of the contaminant
- C02F2101/30—Organic compounds
- C02F2101/38—Organic compounds containing nitrogen
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/009—Apparatus with independent power supply, e.g. solar cells, windpower, fuel cells
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2201/00—Apparatus for treatment of water, waste water or sewage
- C02F2201/46—Apparatus for electrochemical processes
- C02F2201/461—Electrolysis apparatus
- C02F2201/46105—Details relating to the electrolytic devices
- C02F2201/4618—Supplying or removing reactants or electrolyte
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2303/00—Specific treatment goals
- C02F2303/10—Energy recovery
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
- C02F2305/00—Use of specific compounds during water treatment
- C02F2305/02—Specific form of oxidant
- C02F2305/026—Fenton's reagent
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A20/00—Water conservation; Efficient water supply; Efficient water use
- Y02A20/20—Controlling water pollution; Waste water treatment
- Y02A20/208—Off-grid powered water treatment
- Y02A20/212—Solar-powered wastewater sewage treatment, e.g. spray evaporation
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
- Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
- Y02W10/30—Wastewater or sewage treatment systems using renewable energies
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Hydrology & Water Resources (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Water Supply & Treatment (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Electrostatic Separation (AREA)
Description
Metodo di trattamento di acque inquinate e la contestuale generazione
di energia elettrica
DESCRIZIONE
La presente invenzione riguarda un metodo e un impianto per il trattamento di depurazione di acque inquinate da inquinanti organici e, o inorganici e la contestuale generazione di energia elettrica tramite processi di elettrodialisi inversa che utilizzano acque a diversa concentrazione salina. L’impianto prevede l’utilizzazione di uno stack per elettrodialisi inversa alimentato da due correnti acquose a diversa concentrazione salina e attraversato da almeno una corrente acquosa contaminata che viene purificata per via elettrochimica.
Stato della tecnica
A cavallo tra gli anni 50 e 60 diversi autori hanno spiegato come sia potenzialmente possibile ottenere energia elettrica utilizzando soluzioni acquose con diversa concentrazione salina, quali acque di mare e acque di fiume, tramite processi di elettrodialisi inversa. Benché l’idea fosse potenzialmente molto interessante le conoscenze tecnologiche del periodo non avevano permesso uno sviluppo adeguato della tecnologia per fini applicativi. Negli ultimi anni l’utilizzazione di questa metodologia è stata oggetto di una crescente attenzione da parte di gruppi di ricerca universitari e privati che hanno consentito un miglioramento sostanziale del processo grazie innanzi tutto all’utilizzazione di membrane con caratteristiche migliori e costi più bassi. Ciò ha spinto la comunità europea a finanziare diversi programmi di ricerca in questo ambito. Al fine di rendere il processo applicativamente più interessante è necessario migliorare le prestazioni di diversi componenti dell’impianto di elettrodialisi inversa quali ad esempio le membrane, gli spaziatori, la geometria della cella, i processi elettrodici, i materiali elettrodici. In particolare i processi elettrodici condizionano l’economicità del processo a causa dell’energia consumata e del costo delle materie prime e sono fonte di numerosi problemi.
I singoli processi di elettrodialisi inversa per la generazione di energia elettrica sono stati descritti da diversi autori. Si cita ad esempio il lavoro di Veerman e coautori (“Electrical power from sea and river water by reverse electrodialysis: A first step from the laboratory to a real power plant”, Veerman, J., Saakes, M., Metz, S.J., Harmsen, G.J. 2010, Environmental Science and Technology 44 (23), pp. 9207-9212). Altri rilevanti riferimenti sul processo di elettrodialisi inversa sono: (1) R.E. Pattle, Nature 174, 660(1954); (2). J. W. Post, H. V. M. Hamelers, C. J. N. Buisman, Environ. Sci. Technol, 42, 5785 (2008). Alcuni autori hanno mostrato come l’individuazione di idonei processi redox sia di fondamentale importanza per migliorare le prestazioni del dispositivo elettrochimico (J. Veerman, M. Saakes, S. Metz, G. J. Harmsen, 2010, Journal of Applied Electrochemistry 40, 1461; O. Scialdone, C. Guarisco, S. Grispo, A. D’ Angelo, A. Galia, J. Electroanal. Chem., 2012, 681, 66-75). Sono stati proposti diversi processi redox ma non è stato ad oggi mai utilizzato nei processi di elettrodialisi inversa uno stadio redox che consenta la purificazione di acque contaminante da inquinanti resistenti agli usuali trattamenti. I processi elettrodici, in particolare, devono consentire un efficace trasformazione del flusso ionico in soluzione in flusso elettronico con un limitato dispendio energetico.
Anche i processi elettrochimici per il trattamento di acque contaminate da inquinanti di diversa natura anche molto resistenti ai processi biologici convenzionali sono stati ampiamente studiati (si vedano ad esempio gli articoli (1) Electrochemical oxidation of organic pollutants for the wastewater treatment: Direct and indirect processes”, Martínez-Huitle, C.A., Ferro, S., 2006, Chemical Society Reviews 35 (12) , pp. 1324-1340; (2) C. Comninellis, G. Chen, in Electrochemistry for the Enviroment, Springer New York. 2010 p. 5; (3). C. A. Martinez-Huitle, S. Ferro, Chemical Society Reviews 35, 1324 (2006); (4) E. Brillas, I. Sires, M. A. Oturam, Chem. Rev. 109, 6570 (2009); (5). C.A. Martínez-Huitle, E. Brillas, Angewandte Chemie 47, 1998 (2008)). Questi processi benché molto efficaci dal punto di visita della rimozione degli inquinanti richiedono un dispendio energetico consistente che ne limita l’applicazione.
Negli ultimi anni, anche se è stato mostrato come i processi elettrochimici possano permettere di trattare soluzioni acquose contaminate da numerosi inquinanti anche molto resistenti ai trattamenti convenzionali delle acque, la loro utilizzazione effettiva su scala applicativa per il trattamento di acque inquinate è stata limitata sostanzialmente a causa dal costo dell’energia elettrica che deve essere fornita al processo.
E’ stato ora sorprendentemente trovato che un impianto in cui si utilizzano processi di elettrodialisi inversa e contemporaneamente processi elettrodici redox consente la produzione di energia elettrica per il contestuale trattamento di acque inquinate realizzando i miglioramenti nel risparmio energetico e nel trattamento degli inquinanti di cui si sentiva il bisogno nello stato della tecnica.
Formano pertanto oggetto della presente invenzione l’impianto e il metodo rivendicati nelle rivendicazioni indipendenti. Ulteriori realizzazioni sono presenti nelle rivendicazioni dipendenti.
Breve descrizione delle figure
Alla presente descrizione sono allegate tre figure che mostrano:
la Fig. 1. uno schema rappresentante due celle centrali dello stack costituite da comparti dove fluisce la soluzione a maggiore concentrazione salina, comparti dove fluisce la soluzione a minore concentrazione salina, membrane anioniche, membrane cationiche, spaziatori e guarnizioni;
la Figura 2. Schema di uno stack raffigurante le soluzioni in ingresso (soluzione concentrata, soluzione diluita, acque contaminate, le membrane cationiche e anioniche, le membrane esterne a contatto con i comparti elettrodici e gli elettrodi) e la Figura 3 l’abbattimento di Acido arancio 7 (AO7), un colorante azoico resistente ai trattamenti di degradazione biologica, e del carico organico (computato tramite la chemical oxygen demand COD) presente in una soluzione acquosa tramite un processo di elettrodialisi inversa con uno stack di 40 celle centrali, un anodo a base di ossidi di Iridio e Tantalio, un catodo di feltro di Carbonio. Processo anodico: elettrogenerazione di cloro attivo; processo catodico: elettro-Fenton. Soluzione concentrata: soluzione acquosa di NaCl 0.5 M; Soluzione diluita: soluzione acquosa di NaCl 0.01 M. La soluzione contaminata contenente 150 mg/L di AO7, NaCl (0.1 M) e FeSO4(0.05 mM) viene fatta riciclare tramite una pompa attraverso comparto catodico, comparto anodico e un recipiente dove la stessa viene saturata con aria. Sulla parte destra della figura vengono riportate le densità di potenza e le densità di corrente computate in rapporto alla superficie elettrodica (100 cm2) ottenute attraverso una resistenza esterna di 1 ohm
Descrizione dell’invenzione
La presente invenzione è basata sulla utilizzazione di potenziali redox ottenuti da elettrodialisi inversa in processi elettrochimici di depurazione di soluzioni acquose contaminate da inquinanti organici e, o inorganici. Operando secondo l’invenzione, i processi redox consentono la depurazione di acque inquinate da contaminanti resistenti agli usuali trattamenti il cui abbattimento richiederebbe l’utilizzazione di processi con costi significativi quali i processi Fenton o l’ozonizzazione. L’invenzione realizza l’integrazione di due diversi processi: (i) processi di elettrodialisi inversa miranti a estrarre energia elettrica da due correnti acquose a diversa concentrazione salina e (ii) processi elettrochimici che utilizzano l’energia elettrica ottenuta dai processi (i), e dunque non fornita dall’esterno, per la depurazione di acque contaminate da inquinanti organici e, o inorganici anche molto resistenti ai trattamenti convenzionali.
L’impianto secondo la presente invenzione – si fa riferimento alle figure 1 e 2 – comprende n celle (1, 1’, 1’’,O1n con n maggiore di 2) per processi di elettrodialisi inversa. In ogni cella è presente un comparto 2 dove fluisce l’acqua a maggiore concentrazione salina (comparto ad elevata concentrazione) e un comparto 3 dove fluisce l’acqua a minore concentrazione salina (comparto a bassa concentrazione), almeno una membrana anionica 4, almeno una membrana cationica 5 e spaziatori e guarnizioni (cumulativamente indicati con 6) per tenere separate le membrane. L’impianto comprende inoltre dispositivi di movimentazione delle soluzioni e relative tubazioni di spostamento/convogliamento (non mostratI). Le soluzioni concentrate 2A e diluite 3A fluiscono nei rispettivi comparti (2,3) e sono separate da una serie alternata di membrane cationiche 5 ed anioniche 4. Le membrane cationiche permettono quasi esclusivamente il passaggio di cationi e, rispettivamente, quelle anioniche di anioni. Di conseguenza a causa della differenza di concentrazione tra i comparti concentrati e diluiti e dell’uso alternato delle membrane anioniche e cationiche si genera una corrente di ioni positivi verso una direzione e una corrente di ioni negativi nella direzione opposta. Con riferimento alle figure 1 e 2, il flusso cationico và verso sinistra mentre quello anionico verso destra.
Nell’ambito della presente invenzione con i termini acque a minore concentrazione salina e acque a maggiore concentrazione salina si intendono acque che differiscono tra di loro di per valori di concentrazione salina di almeno 0,05 moli/litro (0,86 mg/litro espressi come cloruro di sodio).
Nella realizzazione di figura 2, che comprende diverse celle, è mostrato il catodo 7 separato dagli altri comparti da una membrana 12 che impedisce l’afflusso degli inquinanti e degli eventuali prodotti di degradazione entro le celle e confina tale afflusso nella zona 10 A delimitata dal catodo 7 e dalla membrana 12. L’anodo indicato con 8 è separato dagli altri comparti da una membrana 11 che impedisce l’afflusso degli inquinanti e degli eventuali prodotti di degradazione entro le celle e confina tale afflusso nella zona 11 A delimitata dall’anodo 8 e dalla membrana 11. In figura 2 viene riportata una realizzazione dell’impianto della presente invenzione in cui sono previsti due flussi di acque contaminate in ingresso.
In generale tuttavia, almeno una delle zone 11 A e 10 A è alimentata da una soluzione acquosa contaminata e il processo redox viene selezionato in modo tale da consentirne la depurazione degli inquinanti contenuti. Nel caso in cui solo una delle zone 10 A o 11 A sia adibita al trattamento di acque inquinate, l’altra sarà alimentata da una soluzione acquosa scelta per la realizzazione di un contro-processo redox a basso costo (utilizzando sali o complessi di ferro, riduzione di acqua o ossigeno, ossidazione di acqua, etc.).
La depurazione dagli inquinanti avviene attraverso diversi possibili processi redox selezionati sulla base dell’inquinante/i presente/i nelle correnti acquose contaminate: Questi processi possono essere applicati ad una vasta gamma di inquinanti. La presente invenzione si applica vantaggiosamente a inquinanti solubili in acqua che possono essere degradati in processi di ossidazione diretta da potenziali redox superiori a quelli di evoluzione dell’ossigeno per mantenere una sufficiente attività dell’anodo (a titolo di esempio si possono menzionare potenziali superiori a 1.6 V vs. SCE su elettrodi a base di ossidi di Iridio o Rutenio) o di riduzione diretta ai potenziali redox dell’inquinante esaminato. Sono state trattate con l’impianto della presente invenzione soluzioni acquose contaminate da coloranti azoici, acidi carbossilici, idrocarburi clorurati e inquinanti inorganici costituiti da coppie redox di metalli come il Cr (VI). Vantaggiosamente gli inquinanti trattabili con processi redox diretti appartengono alla classe formata da inquinanti organici acidi, clorurati e coloranti e a quella dei metalli.
I processi di depurazione possono essere processi di riduzione o ossidazione, processo diretto o indiretto, processi singoli e accoppiati In particolare, tra i processi redox possono essere citati
- Processi anodici e/o catodici diretti su elettrodi a base di metalli, ossidi metallici, carbonio, etc. supportati o meno e a diversa geometria in presenza degli opportuni agenti droganti.
a) Riduzione diretta:
inquinante n e- → sostanze innocue
b) Ossidazione diretta:
inquinante → sostanze innocue m e-I processi di riduzione e ossidazione diretta possono essere applicati per il trattamento di soluzioni acquose inquinate da metalli al fine di convertire forme redox tossiche in forme redox meno nocive o facilmente separabili (esempio: riduzione del Cr(VI) a Cr(III) e da Hg(II) a Hg(0)). I processi riduttivi possono essere applicati a inquinanti alogenati al fine di convertirli in composti organici de-alogenati. I processi di ossidazione diretta possono essere applicati a inquinanti organici elettro-attivi (alcani, alcheni, alchini, acidi carbossilici, composti carbonilici, composti aromatici, composti azotati, etc.).
- Processi di ossidazione indiretta tramite generazione elettrochimica catodica e/o anodica di ossidanti su elettrodi a base di metalli, ossidi metallici, carbonio, etc. supportati o meno e a diversa geometria in presenza degli opportuni droganti. Ad esempio possono essere coinvolte la generazione anodica di cloro attivo e/o il processo elettro-Fenton di seguito descritti.
a) Abbattimento tramite cloro elettro-generato. Il processo anodico prevalente consiste nell’ossidazione di cloruri a cloro attivo (eq. 1) che a seconda del pH viene convertito in acido ipocloroso (eq.2) e ione ipoclorito (eq.3) i quali possono tutti reagire con sostanze organiche consentendone l’ossidazione a sostanze più innocue (eq.4 per il caso dell’ossidazione ad opera di acido ipocloroso).
2 Cl- → Cl2+ 2e- (1)
Cl2+ H2O = HOCl H+ Cl- (2)
HOCl = ClO- H+ (3)
HOCl inquinante → prodotti di ossidazione (4)
b) Abbattimento tramite processo elettro-Fenton. Il processo catodico prevalente consiste nella riduzione di ossigeno (fornito come ossigeno o aria o generato anodicamente per ossidazione dell’acqua) a perossido di idrogeno (Eq. 5) che a pH acidi e in presenza di Fe(II) evolve verso la formazione dei radicali idrossidi (Eq. 6) che possono ossidare le specie inquinanti convertendole in sostanze innocue (Eq. 8). Il Fe(II) viene rigenerato per riduzione catodica del Fe(III) (Eq.7).
O2+ 2H+ 2e- → H2O2(5)
H 2+
2O2+ Fe H+ → Fe3+ OH● H2O- (6)
Fe3+ e- → Fe2+ (7)
OH● inquinante → prodotti di ossidazione (8)
I processi di ossidazione indiretta possono essere applicati a inquinanti organici elettro-attivi (alcani, alcheni, alchini, acidi carbossilici, composti carbonilici, composti aromatici, composti azotati, etc.).
c) Processi combinati.
Infine è possibile combinare un processo di abbattimento che avviene al catodo con uno che avviene all’anodo così da sfruttare entrambi i processi elettrodici per l’abbattimento dell’inquinante.
Per quanto riguarda i materiali elettrodici questi possono essere scelti dalla classe formata da metalli e ossidi metallici e materiali carboniosi. Per i processi anodici e/o catodici diretti secondo la presente invenzione si possono usare elettrodi a base di metalli, ossidi metallici, carbone, diamante, etc. supportati o meno e a diversa geometria in presenza degli opportuni dopanti quando necessario; Per i processi di ossidazione indiretta tramite generazione elettrochimica catodica e/o anodica di ossidanti a diversa geometria in presenza degli opportuni dopanti quando necessario; Vantaggiosamente per la depurazione di inquinanti clorurati si possono usare catodi di argento, grafite e rame per la riduzione diretti e anodi a base di ossidi metallici o di diamante per l’ossidazione diretta nell’ambito della presente invenzione. Per la depurazione di inquinanti carbossilici e colorati si possono usare anodi a base di ossidi Ir e Ru o di diamante per l’ossidazione diretta nell’ambito della presente invenzione. Per l’ossidazione indiretta con cloro attivo e l’ossidazione tramite processi elettro-Fenton di inquinanti clorurati, carbossilici e colorati si possono usare rispettivamente ossidi di ir e Ru e materiali carboniosi nell’ambito della presente invenzione. Per la riduzione di composti inorganici come il Cr(VI) si possono usare materiali carboniosi nell’ambito della presente invenzione.
Alla luce di quanto esposto risulta che la rimozione dell’inquinante può avvenire in uno solo o in entrambi i comparti elettrodici. L’impianto è completato da pompe per alimentare le soluzioni acquose, serbatoi, regolatori e misuratori di portata, tubazioni, valvole, etc.
Tra le acque a diversa (maggiore e minore) concentrazione salina possono essere ad esempio citate:
- acque di mare e acque di fiume
- acque di salina o da dissalatori e acque di mare/fiume
- acque contaminate a diversa (maggiore e minore) concentrazione salina generate da processi civili o industriali
- acque a diversa (maggiore e minore) concentrazione salina ottenuta per mezzo di calore a bassa temperatura o utilizzando l’energia solare
La presente invenzione può essere utilizzata presso qualsiasi sito ove siano presenti:
a) Acque contaminate trattabili tramite processi elettrochimici
b) Acque a diversa (maggiore e minore) concentrazione salina o calore a bassa temperatura disponibile per la generazione di gradienti salini. Vantaggiosamente come correnti acquose con diversa concentrazione salina possono essere citate acque di mare e di fiume, acque di salina o provenienti da dissalatori e acque di mare, effluenti industriali a diversa salinità, acque a diversa concentrazione ottenute per mezzo dell’energia solare o di fonti di calore a temperatura superiore a 45 °C, etc..
Forma ulteriore oggetto della presente invenzione un metodo per il trattamento di depurazione di acque inquinate e la contestuale generazione di energia elettrica in cui acque a diversa (maggiore e minore) concentrazione salina vengono fatte attraversare una serie di celle per elettrodialisi inversa mentre contemporaneamente soluzioni inquinate da inquinanti organici e, o inorganici subiscono un trattamento redox di depurazione sfruttando l’energia prodotta attraverso l’elettrodialisi.
Il nuovo metodo può essere utilizzato presso impianti industriali o depuratori civili e consente di realizzare simultaneamente la purificazione di acque contaminate da inquinanti resistenti agli usuali trattamenti utilizzando l’energia elettrica prodotta. Il campo di applicazione riguarda sia gli impianti di trattamento di acque reflue che gli impianti industriali ove siano presenti le correnti acquose sopra menzionate e consentirebbe un notevole risparmio energetico rispetto ai processi convenzionali utilizzati per il trattamento di acque contaminate da inquinanti resistenti ai trattamenti biologici.
Nell’ambito della presente invenzione, sia le acque contenenti inquinanti organici e, o inorganici sia le acque a differente concentrazione salina possono fluire naturalmente all’interno dell’impianto o esservi introdotte con mezzi idraulici esterni.
Esempio 1
Il funzionamento dell’invenzione proposta è stato verificato in un impianto costituito da 40 a 50 comparti concentrati e diluiti e due comparti elettrodici. Sono state alimentate al sistema; (i) acque con concentrazione di NaCl pari a quelle di mare (0.5 moli/litro) e di fiume (0.01 moli/litro); (ii) acque con concentrazioni di NaCl pari a quelle di salina (5 moli/litro) e di mare5 moli/litro); (iii) acque con concentrazioni di NaCl pari a quelle di salina (0.5 moli/litro) e di fiume (0.1 moli/litro. I comparti elettrodici sono stati alimentati con una soluzione acquosa contaminata da acido arancio 7, un colorante azoico. Sono stati usati diversi processi redox diretti e indiretti quali ad esempio l’ossidazione diretta sull’anodo, l’elettrogenerazione di cloro attivo, l’elettro-Fenton e processi accoppiati. In tutti i casi è stato possibile abbattere completamente l’inquinante senza bisogno di energia dall’esterno e al contrario generando energia elettrica. In figura 3 è riportato a livello esemplificativo l’abbattimento dell’Acido arancio 7 e la generazione di energia elettrica ottenibile con una piccolo sistema costituito da 40 celle centrali, un anodo di ossidi di Iridio e Tantalio, un catodo di feltro di carbonio, utilizzando all’anodo l’ossidazione tramite cloro elettro-generato e al catodo il processo elettro-Fenton. Venivano alimentate al sistema tramite due apposite pompe come soluzione concentrata una soluzione acquosa di NaCl 0.5 M e come soluzione diluita una soluzione acquosa di NaCl 0.01 M. La soluzione contaminata contenente 150 mg/L di AO7, NaCl (0.1 M) e FeSO4 (0.05 mM) veniva fatta riciclare tramite una pompa attraverso comparto catodico, comparto anodico e un recipiente dove la soluzione veniva saturata con aria. Veniva ottenuto un veloce abbattimento coniugato con la generazione di energia elettrica.
Esempio 2
Lo stesso dispositivo descritto nell’esempio 1 è stato utilizzato per trattare soluzioni acquose di Cr(VI) con una concentrazione iniziale pari a 0.5 ppm. Il Cr(VI) è stato convertito in Cr(III) tramite riduzione diretta su catodi di carbonio ad elevata superficie specifica. Si è ottenuto un abbattimento superiore al 99% e la generazione di energia elettrica con un piccolo sistema costituito da 40 celle centrali, un anodo di ossidi di Iridio e Tantalio, un catodo di feltro di carbonio, utilizzando all’anodo l’ossidazione dell’acqua come contro processo a basso costo e al catodo la riduzione diretta del Cr(VI). Venivano alimentate al sistema tramite due apposite pompe come soluzione concentrata una soluzione acquosa di NaCl (5 moli/litro) e come soluzione diluita una soluzione acquosa di NaCl (0.01 moli/litro). La soluzione contaminata contenente Cr(VI) e NaCl (0.1 M) veniva fatta riciclare tramite una pompa attraverso comparto catodico, comparto anodico e un recipiente dove la soluzione veniva saturata con aria. Nonostante la presente invenzione sia stata descritta in modo dettagliato, si comprenderà come potranno essere apportate varianti e scelti dettagli su materiali e metodi utilizzabili nei processi elettrochimici di abbattimento degli inquinanti dal tecnico del ramo senza uscire dall’ambito della presente privativa.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1. Impianto per la depurazione di acque inquinate da inquinanti organici e, o inorganici e la contemporanea generazione di energia elettrica tramite processi di elettrodialisi inversa comprendente a. n celle centrali (con n > 2) ciascuna di dette celle presentando un comparto (2) in cui fluisce acqua a maggiore concentrazione salina e un comparto (3) in cui fluisce acqua a minore concentrazione salina, detti comparti essendo delimitati da una membrana anionica (4) e da una membrana cationica (5) b. elementi spaziatori e, o guarnizioni (6) c. un catodo (7), esterno a dette celle, che assieme ad una prima membrana (12) definisce un’area (10 A) separata da dette celle centrali; d. un anodo (8), esterno a dette celle, che assieme ad una seconda membrana (11) definisce un’area (11 A) separata da dette celle centrali caratterizzato dal fatto che in almeno una di dette zone (10A, 11A) vengono introdotte dette acque inquinate che possono essere depurate attraverso un processo redox, dal fatto che detta acque a maggiore concentrazione salina sono scelte dalla classe formata da acque di mare, acque di salina, effluenti industriali e dette acque a minore concentrazione salina sono scelte dalla classe formata da acque di fiume, acque provenienti da dissalatori, dette acque inquinate essendo fatte fluire in almeno una di dette zone (10A, 11A) contemporaneamente all’invio di dette acque a maggiore e minore concentrazione salina in dette celle e dal fatto che con i termini acque a minore concentrazione salina e acque a maggiore concentrazione salina si intendono acque differiscono tra di loro di per valori di concentrazione salina di almeno 0,05 moli/litro equivalenti a 0,86 mg/litro espressi come cloruro di sodio.
- 2. Impianto secondo la rivendicazione 1, in cui quando solo in una di dette zone (10A, 11A) vengono introdotte dette acque inquinate l’altra zona (11A, 10A) viene alimentata con una soluzione acquosa per un contro-processo redox, quale soluzione acquosa di sali o complessi di ferro, una soluzione acquosa per la riduzione di acqua o ossigeno, o per l’ossidazione di acqua.
- 3. Impianto secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui dette acque contaminate sono acque generate da processi civili o industriali e dette acque a bassa concentrazione salina sono acque ottenute per mezzo di calore a bassa temperatura o utilizzando l’energia solare
- 4. Impianto secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui detto processo redox è un processo di ossidazione diretta o indiretta o un processo di riduzione diretta.
- 5. Impianto secondo almeno una delle rivendicazioni precedenti, in cui dette acque inquinate contengono inquinanti solubili in acqua che possono essere degradati in processi di ossidazione diretta da potenziali redox superiori a quelli di evoluzione dell’ossigeno.
- 6. Metodo per il trattamento di depurazione di acque inquinate da inquinanti organici e, o inorganici e la contestuale generazione di energia elettrica caratterizzato dal fatto che acque a diversa concentrazione salina vengono fatte attraversare una serie di celle per elettrodialisi inversa producendo energia elettrica mentre contemporaneamente almeno una soluzione di dette acque inquinate viene sottoposta ad un trattamento redox di depurazione sfruttando detta energia prodotta da detta serie di celle per elettrodialisi.
- 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui per il trattamento di depurazione di acque inquinate da inquinanti organici e, o inorganici e la contestuale generazione di energia elettrica viene utilizzato un impianto quale rivendicato in almeno una delle rivendicazioni da 1 a 5.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT000537A ITRM20130537A1 (it) | 2013-10-03 | 2013-10-03 | Metodo di trattamento di acque inquinate e la contestuale generazione di energia elettrica |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IT000537A ITRM20130537A1 (it) | 2013-10-03 | 2013-10-03 | Metodo di trattamento di acque inquinate e la contestuale generazione di energia elettrica |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ITRM20130537A1 true ITRM20130537A1 (it) | 2015-04-04 |
Family
ID=49519061
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| IT000537A ITRM20130537A1 (it) | 2013-10-03 | 2013-10-03 | Metodo di trattamento di acque inquinate e la contestuale generazione di energia elettrica |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| IT (1) | ITRM20130537A1 (it) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009116855A1 (en) * | 2008-03-18 | 2009-09-24 | Redstack B.V. | Membrane, cell, device and method for (reverse) electrodialysis |
| WO2011050473A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | Saltworks Technologies Inc. | Method and system for desalinating saltwater while generating electricity |
| WO2013016708A1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-01-31 | Yale University | Electrochemical desalination cell |
-
2013
- 2013-10-03 IT IT000537A patent/ITRM20130537A1/it unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009116855A1 (en) * | 2008-03-18 | 2009-09-24 | Redstack B.V. | Membrane, cell, device and method for (reverse) electrodialysis |
| WO2011050473A1 (en) * | 2009-10-30 | 2011-05-05 | Saltworks Technologies Inc. | Method and system for desalinating saltwater while generating electricity |
| WO2013016708A1 (en) * | 2011-07-27 | 2013-01-31 | Yale University | Electrochemical desalination cell |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kumar et al. | Composite wastewater treatment by aerated electrocoagulation and modified peroxi-coagulation processes | |
| Divyapriya et al. | Electrochemically generated sulfate radicals by boron doped diamond and its environmental applications | |
| Parsa et al. | Degradation of azo dye CI Acid Red 18 in aqueous solution by ozone-electrolysis process | |
| Ghernaout et al. | From chemical disinfection to electrodisinfection: The obligatory itinerary? | |
| Cotillas et al. | Optimization of an integrated electrodisinfection/electrocoagulation process with Al bipolar electrodes for urban wastewater reclamation | |
| Oh et al. | Formation of hazardous inorganic by-products during electrolysis of seawater as a disinfection process for desalination | |
| CN104085962B (zh) | 电化学原位产生羟基自由基的方法和装置 | |
| Cotillas et al. | Coupling UV irradiation and electrocoagulation for reclamation of urban wastewater | |
| Li et al. | Enhanced treatment ability of membrane technology by integrating an electric field for dye wastewater treatment: a review | |
| US20150090670A1 (en) | Method for treating wastewater | |
| CN104787851A (zh) | 一种电催化还原氧化反应器及利用其预处理氯苯废水的方法 | |
| KR102207458B1 (ko) | 수소 생산가능한 담수시스템 | |
| KR101269948B1 (ko) | 질소 폐수 처리장치 및 그 방법 | |
| CN105329988A (zh) | Fenton法结合双极膜技术处理高盐工业废水电解槽 | |
| Guo et al. | How to improve lead dioxide anodes performance in organic wastewater treatment: review and prospect | |
| Stupar et al. | Direct and indirect electrochemical degradation of acid blue 111 using IrOX anode | |
| Bao et al. | Application of electrochemical oxidation technology in treating high-salinity organic ammonia-nitrogen wastewater | |
| Wang et al. | Elimination of pesticide from high salinity wastewater by electrochlorination process: Active chlorine species and scale-up performance | |
| KR20170099616A (ko) | 이온교환막 여과공정-전기화학적 질소제거 공정의 복합 처리에 의한 오염 지하수의 정화처리방법 및 정화처리장치 | |
| CN104496109B (zh) | 一种电解-渗透萃取-生物耦合技术处理高盐难降解有机废水的装置及方法 | |
| KR20210010937A (ko) | 수소 생산가능한 담수시스템 | |
| Boopathy et al. | New approach of integrated advanced oxidation processes for the treatment of lube oil processing wastewater | |
| CN104211233A (zh) | 电氧化法处理水性油墨废水的工艺 | |
| ITRM20130537A1 (it) | Metodo di trattamento di acque inquinate e la contestuale generazione di energia elettrica | |
| CN205367823U (zh) | Fenton法结合双极膜技术处理高盐工业废水电解槽 |