ITSA20100028A1

ITSA20100028A1 - Trattamento di soluzioni liquide mediante processo combinato di filtrazione su membrane, adsorbimento e sonicazione (usame - ultrasound adsorption membrane)

Info

Publication number: ITSA20100028A1
Application number: IT000028A
Authority: IT
Inventors: Vincenzo Belgiorno; Milena Landi; Vincenzo Naddeo
Original assignee: Univ Degli Studi Salerno
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-02

Description

Descrizione dell’invenzione

Nel presente brevetto è stato messo a punto un processo innovativo che consente sia di ottenere rendimenti di depurazione tali da garantire un riutilizzo dell’acqua trattata che di ridurre al minimo il problema della formazione del fouling sulla superficie delle membrane.

Rispetto agli altri processi utilizzati per gli stessi scopi, il processo di trattamento combinato di filtrazione, cavitazione ultrasonica e adsorbimento presenta notevoli ed evidenti vantaggi:

riduzione nella formazione del fouling biologico rispetto ai convenzionali trattamenti di filtrazione con sole membrane o dei trattamenti di filtrazione con membrane in combinazione con soli processi ad ultrasuoni o con solo adsorbimento;

alti rendimenti di rimozione della sostanza organica ottenuti grazie all’ effetto sinergico sviluppato dall’applicazione combinata del processo di ossidazione avanzata ad ultrasuoni e del trattamento di adsorbimento;

non presenta limiti di applicabilità in funzione delle caratteristiche delle acque da trattare; è sviluppabile su di un impianto relativamente semplice da un punto di vista di gestione tecnologico-eeonomica;

è utilizzabile come upgrade dei sistemi convenzionali di trattamento senza comportare sostanziali modifiche strutturali ed impiantistiche ed eliminando i problemi derivanti dal controlavaggio.

Durante il processo il fluido viene fatto filtrare attraverso una membrane, nella quale è stato precedentemente depositato il materiale adsorbente. La membrana è posizionata aH’intemo di un bagno ultrasonico ed ivi il liquido e la membrana stessa vengono sottoposti ad irraggiamento ultrasonico a frequenza e potenza controllate. Il fluido in uscita si presenta privo di materiale particolato e colloidale e microbiologicamente puro e con un contenuto di sostanza organica assolutamente trascurabile,

Descrizione dettagliata dell’invenzione

Il processo di filtrazione su membrane implica la separazione o la rimozione del materiale particolato e colloidale da un lìquido. La funzione delle membrane è quella di agire come da barriera selettiva consentendo il passaggio di determinati costituenti e bloccandone altri. La separazione delle particelle nella micro- e nelfultra-filtrazione è realizzata per stacciatura. Il deposito e l’accumulo di detti costituenti causano fenomeni di sporcamente sulla superficie della membrana, denominati fouling. Il processo ibrido adsorbimento/membrane aiuta la rimozione della sostanza organica che è la principale causa della formazione del fouling. L’adsorbimento è un processo chimico fisico che comporta l’accumulo di specie chimiche inizialmente presenti in soluzione su di un’opportuna interfaccia. In questo modo si ha un trasferimento di massa, in quanto uno o più costituenti presenti in fase liquida vengono trasferiti a un’altra fase. Precedenti studi hanno dimostrato che con l’impiego di materiali adsorbenti l’abbattimento dì sostanza organica migliora rispetto a quello ottenibile senza adsorbente. Il sistema membrane/adsorbimento non è comunque in grado di prevenire completamente la formazione del fouling.

Recenti studi, così come precedentemente descritto, hanno dimostrato come gli ultrasuoni garantiscano una valida alternativa ai convenzionali sistemi di pulizia delle membrane e abbiano significativi vantaggi. In primo luogo non si prevede l’impiego di sostanze chimiche, che possono comportare la formazione di sottoprodotti dannosi per la salute umana. Inoltre, il processo di filtrazione non viene interrotto per effettuare la pulizia, come invece avviene nei convenzionali sistemi di contro lavaggio, con relativi risparmi economici ed energetici. Gli ultrasuoni sono considerati come una nuova tecnologia alternativa capace di ridurre i costi di processo totali aumentando allo stesso tempo i vantaggi ambientali. Producendo forti cavitazioni nelle soluzioni liquide ed il violento collasso delle bolle di cavitazione, gli ultrasuoni generano onde d’urto e formano radicali liberi molto reattivi. Questi effetti chimico-fisici riducono la formazione del fouling sulle membrane, distaccando direttamente la pellicola biologica e contribuendo all’ossidazione della sostanza organica. Gli effetti chimici della cavitazione ultrasonica sono derivati dalla formazione di radicali liberi. Gli effetti fisici sono causati dal collasso delle bolle di cavitazioni in un liquido sotto l’azione delle onde sonore.

Nel processo USAME, il liquido viene filtrato attraverso una membrana a fibra cava, posizionata aH'intemo di un bagno ultrasonico e nella quale è stato precedentemente depositato il materiale adsorbente. Il liquido, prelevato mediante una pompa peristaltica è immesso aH’intemo della membrana che è posizionata nel tubo di vetro e che viene collocata nel bagno ultrasonico in corrispondenza dei trasduttori. Il tubo in ingresso alla membrana è collegato ad un manometro che misura la pressione di transmembrana (TMP). Due sono le configurazioni di funzionamento testate: cross-flow e dead-end. Nella configurazione cross-flow si hanno due flussi di liquido in uscita: il permeato, che viene inviato al campionatore, e il concentrato che, prelevato mediante una seconda pompa peristaltica, viene ricircolato. La configurazione dead-end differisce da quella cross-flow per l’assenza de! ricircolo, per cui la portata in ingresso alla membrana è pari alla portata di permeato. Tutte le prove sono state effettuate mantenendo costante la temperatura, ricircolando continuamente l’acqua contenuta aH’intemo del bagno ultrasonico, mediante il principio dei vasi comunicanti, aH’intemo di becher a contatto con ghiaccio.

Il massimo flusso di permeato necessario per ottenere elevati rendimenti per lunghi tempi di filtrazione è legato alle caratteristiche chimico-fisiche e biologiche del fluido da trattare.

Per aumentare l’efficienza energetica del processo è consigliabile utilizzare un funzionamento intermittente degli ultrasuoni. La dinamica di sviluppo e dì collasso della cavità delle bolle ultrasoniche presenti nel processo USAME influenza in maniera sostanziale le caratteristiche chimico fisiche delle acque trattate; tale processo dipende in maniera sostanziale dall'intensità del suono. Alle alte intensità, una piccola cavità può svilupparsi velocemente attraverso effetti inerziali, mentre a basse intensità acustiche lo sviluppo della cavità può anche presentarsi in un processo più lento che si verifica quando si ha la cavitazione stabile. In queste condizioni, una cavità oscillerà in dimensione seguendo molti cicli di compressione e di espansione. Una volta che la cavità è diventata troppo grande, cioè, sia ad alta che a bassa intensità quando essa non è più in grado di assorbire energia in modo efficiente, la cavità non può più sostenere se stessa, il liquido che la circonda precipita al suo intemo e la cavità implode. Questa implosione genera da uri lato una forza capace di distaccare la pellicola di fouling e dall' altro delle condizioni ideali per sviluppare radicali liberi in grado di ossidare la sostanza organica, che rappresenta a sua volta una delle principali cause della formazione del fouling stesso.

Questi tre processi, correttamente controllati, permettono di ottenere elevate efficienze grazie all’ effetto sinergico che si genera nel trattamento combinato e che garantisce rendimenti superiori alla somma di quelli ottenibili con i trattamenti singoli. Questi rendimenti sono attestati dalla completa assenza di particelle presenti nell’acqua in forma disciolta e colloidale, dall’ elevato grado di ossidazione della sostanza organica presente con conseguente riduzione od assenza di formazione del fouling biologico sulla superficie delle membrane,

A scopo illustrativo, ma non limitativo, verranno descritti di seguito alcuni esempi applicativi di USAME.

Esempi

Le attività sperimentali, finalizzate all' applicazione e alla verifica del processo USAME, sono state eseguite a scala di laboratorio su acque di diversa natura e caratteristiche e con differenti configurazioni del sistema al fine di verificare il vasto range di applicabilità del processo. Gli studi sul processo e le determinazioni analitiche sono state effettuate sia presso il Laboratorio di Analisi Ambientali dell’Università degli Studi di Salemo sia presso il Laboratorio di Ingegneria Civile ed Ambientale dell’Università di Washington (Seattle, USA).

Esempio 1. Applicazione di USAME con funzionamento cross-flow

L’acqua sottoposta al trattamento USAME è stata acqua di lago. I campioni sono stati stoccati a 4°C. Il pH dell’acqua era variabile tra 6,5 e 7 e l’assorbanza tra 0.062 a 0.064cm<'1>. È stato garantito un flusso di permeato di 150L/(m h). Sono stati raccolti campioni di permeato sui quali sono state effettuate analisi di assorbanza UV254e valutare quindi l’abbattimento di sostanza organica.

Tutte le prove sono state realizzate con una singola membrana a fibra cava per l’ultrafiltrazione con direzione del flusso dall’ interno verso l’esterno e con filtrazione cross-flow e ricircolo del concentrato a monte del trattamento (Figura 1). La membrana è stata posta all’interno di un tubo in vetro, che successivamente è stato posizionato all’interno di un bagno ad ultrasuoni. Il bagno ultrasonico utilizzato è a doppia frequenza (25 e 45kHz) con una potenza nominale variabile tra 200 e 800W. Le prove sono state condotte con una densità specifica media di 800W/L. Il materiale adsorbente utilizzato è una resina a base di alluminio (HAOPs). È stata utilizzata una dose di 4g/m<2>di HAOPs. Come indice di formazione del fouling è stata misurata in linea la pressione di transmembrana. Sono state effettuate prove di durata fino a 6h prelevando un campione di permeato ogni ora per le analisi di assorbanza impiegando uno spettrofotometro Lambda-18 (Perkin-Elmer) con una cella di lem.

Dalle misure della pressione di transmembrana (Figura 2) si evince che i trattamenti combinati ultrasuoni/membrane (US-Me) e adsorbimento/membrane (A-Me) sono in grado di rallentare la formazione del fouling sulla superficie delle membrane rispetto al trattamento di sola filtrazione. Infatti, le rette che indicano l’andamento dell’aumento della pressione di transmembrana hanno una minore pendenza. Nel trattamento USAME, la pressione di transmembrana inizialmente diminuisce rispetto al valore di partenza e rimane pressoché costante nelle prime cinque ore di trattamento. Questo è indice della completa assenza della formazione di fouling sulla superficie delle membrane. Il processo mostra effetti sinergici dovuti alla combinazione dei processi di adsorbimento e ad ultrasuoni.

Sono stati, inoltre, valutati i valori di assorbenza (Figura 3) dai quali si evince che Fabbattimento di sostanza organica è praticamente nullo con l’impiego delle sole membrane. I rendimenti nell’abbattimento di sostanza organica sono risultati superiori per i trattamenti con ultrasuoni e con HAOPs. Le percentuali più alte di rimozione sono state raggiunte con il trattamento USAME. Nelle prime ore di trattamento i rendimenti di abbattimento sono stati variabili tra 60 e 80%. Questi rendimenti si sono ridotti durante la prova, ma sono rimasti sempre superiori al 50% anche dopo le 6 ore di trattamento. Anche per quanto riguarda l’abbattimento di sostanza organica, quindi, il processo USAME si è dimostrato di gran lunga più efficiente della sola ultrafiltrazione nell’abbattimento di sostanza organica e nella conseguenza assenza di formazione del fouling.

Esempio 2. Applicazione di USAME con funzionamento dead-end

In questo esempio si illustra l’applicabilità del processo USAME in un sistema di filtrazione dead-end. L’acqua sottoposta al trattamento USAME, come già descritto nelFesempio 1, è acqua di lago. I campioni sono stati stoccati a 4°C. Il pH dell’acqua era variabile tra 6,5 e 7 e l’assorbanza tra 0.062 a 0.064cm<'1>. È stato garantito un flusso di permeato di 150L/(m<2>h), Sono stati raccolti campioni di pemieato sui quali sono state effettuate analisi di assorbanza UV254e valutare quindi l’abbattimento di sostanza organica.

Tute le prove sono state realizzate con una singola membrana a fibra cava per Γ ultrafiltrazione con direzione del flusso dalTintemo verso Testemo e con filtrazione dead-end (Figura 5). La membrana è stata posta all’interno di un tubo in vetro, che successivamente è stato posizionato alFintemo di un bagno ad ultrasuoni. Il bagno ultrasonico utilizzato è a doppia frequenza (25 e 45kHz) con una potenza nominale variabile tra 200W a 800W, Le prove sono state condotte con una densità specifica media di 100W/L. Il materiale adsorbente utilizzato è una resina a base di alluminio (HAOPs). E stata utilizzata una dose di 4g/m di HAOPs. Come indice di formazione del fouling è stata misurata in linea la pressione di transmembrana. Sono state effettuate prove di durata fino a 4 ore prelevando un campione di permeato ogni ora per le analisi di assorbanza impiegando uno spettrofotometro Lambda- 18 (Perkin-Elmer) con una cella di lem.

La Figura 5 mostra l’andamento della pressione di transmembrana nei tratamenti combinati ultrasuoni/membrane (US-Me) e adsorbimento/membrane (A-Me). Questi ultimi sono in grado di ritardare la formazione del fouling sulla superficie delle membrane rispetto al trattamento di sola filtrazione. Nel trattamento USAME, la pressione dì transmembrana mostra una drastica diminuzione iniziale per poi mostrare un veloce incremento nelle successive ore di trattamento. Questo è indice della completa assenza di formazione di fouling sulla superfìcie delle membrane. Come nell’esempio 1 anche in questo caso il processo mostra effetti sinergici dovuti alla combinazione dei processi di adsorbimento e ad ultrasuoni.

Dalle misure di assorbanza (Figura 6) si evince che, mentre l’abbattimento di sostanza organica è praticamente nullo con Fimpiego delle sole membrane, esso si presenta nettamente superiore per i trattamenti con ultrasuoni e con HAOPs. Con l’impiego del trattamento USAME sono state raggiunte le percentuali di rimozione maggiori. I rendimenti di abbattimento sono risultati compresi tra 50 e 65% e sono rimasti pressoché costanti per tuta la durata del trattamento.

Claims

Rivendicazioni 1) Il tratamento di liquidi mediante processo combinato e simultaneo di SU membrane, adsorbimento e sonicazione effetuata con trasduttori ultrasonici.
2) Un processo, come a rivendicazione 1, in grado di bloccare o rallentare la formazione del fouling sulle superfici delle membrane.
3) Un processo, come a rivendicazione 1, in grado di garantire la rimozione della sostanza organica presente in forma disciolta e colloidale nei liquidi trattati.
4) Un processo in accordo con le rivendicazione 1, 2 e 3 in grado di garantire la disinfezione dei liquidi trattati.
5) Un processo in accordo con le rivendicazione 1, 2 e 3 realizzato mediante l’impiego di membrane di micro o ultrafiltrazione, aventi una dimensione dei pori variabile tra 0.001 e 15 pm, con configurazione tubolare, capillare o a fibra cava.
6) Un processo in accordo con le rivendicazione 1, 2 e 3 realizzato mediante l'impiego di un reattore dotato di trasduttori ultrasonici, con potenza nominale fissa o variabile che lavorano nel range di frequenza ultrasonica compresa tra 20kHz e 1MHz.
7) Un processo in accordo con le rivendicazione 1, 2 e 3 che preveda l’impiego di materiali adsorbenti, quali resine polimeriche, di diversa natura, o carboni attivi, con una superficie specifica dei granuli variabile e maggiore uguale a 100 m<2>/g.
8) Un processo in accordo con le rivendicazione 1, 2 e 3 per il trattamento e/o il pretrattamento di liquidi ai fini di garantirne un riutilizzo.
9) Un processo in accordo con le rivendicazione 1 , 2 e 3 per il trattamento e/o il pretrattamento dì rifiuti liquidi come acque reflue e percolato.
10) Un processo in accordo le rivendicazione 1, 2 e 3 per il trattamento e/o il pretratamento di acque potabili.