PT2162399E

PT2162399E - Sistema e processo para o tratamento de água

Info

Publication number: PT2162399E
Application number: PT08771906T
Authority: PT
Inventors: Abbas Hassan; Ebrahim Bagherzadeh; Rayford G Anthony; Gregory Borsinger; Aziz Hassan
Original assignee: H R D Corp
Priority date: 2007-06-27
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2012-11-15
Also published as: ES2392598T3; EP2162399A4; US7842184B2; CA2678642A1; EP2495219A3; US7922901B2; US7922907B2; US20100200487A1; EP2495219A2; US20090321331A1; WO2009003022A1; CA2678642C; EP2162399A1; US20090001017A1; ES2529138T3; EP2162399B1; US7922900B2; EP2495219B1; US20100147764A1

Description

ΡΕ2162399 1 DESCRIÇÃO "SISTEMA E PROCESSO ΡΆΒΑ O TRATAMENTO DE ÁGUA"

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

Campo Técnico A presente invenção refere-se de maneira geral a tratamento de água. Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um processo de alto cisalhamento para tratamento de água. 0 processo divulgado pode ser usado para tratar águas residuais ou água bruta contendo contaminantes através do qual a água pode ser desinfectada, estabilizada e/ou o(s) contaminante(s) ser separado da água.

Antecedentes da Invenção

Os processos para a recuperação de águas residuais provenientes de operações industriais apresentam questões ambientais estimulantes e o governo regula estes processos. 0 impacto sobre o meio ambiente de águas residuais utilizadas em operações industriais conduziu a regulamentações governamentais, tanto a nivel local como federal. Estas regulamentações obrigam à limpeza das águas residuais industriais antes da descarga para o ambiente 2 ΡΕ2162399 e/ou a introdução em sistemas de esgotos públicos. Vários desafios para a limpeza são apresentados pelas águas residuais industriais e residenciais. Por exemplo, as águas residuais compreendem frequentemente quantidades significativas de sólidos suspensos, minerais dissolvidos indesejáveis, e gases nocivos. As águas residuais podem também compreender quantidades significativas de materiais orgânicos, incluindo hidrocarbonetos (por exemplo, óleos) e bactérias.

Além disso, a água bruta proveniente de fontes de superfície (por exemplo, nascentes) ou de fontes de águas subterrâneas, necessita muitas vezes de tratamento para remoção de contaminantes antes da utilização, por exemplo, como água potável.

Existem numerosos esquemas de tratamento de água. Por exemplo, os processos de oxidação química são rotineiramente utilizados para remover os contaminantes orgânicos das águas residuais. Sistemas de tratamento físico de águas residuais, incluindo a floculação/flotação de partículas sólidas, também são comuns. No entanto, continua a existir uma necessidade na indústria para processos melhorados para o tratamento de águas residuais através dos quais seja permitido aumentar o rendimento, aumentar a remoção de contaminantes, e/ou a utilização de quantidades reduzidas de auxiliares de tratamento (por exemplo, gases tais como cloro e ar ou líquidos tais como 3 ΡΕ2162399 floculantes).

SUMARIO É divulgado um processo de alto cisalhamento para melhorar o tratamento de água. 0 processo de alto cisalhamento pode reduzir as limitações de transferência de massa em relação a processos convencionais de tratamento de água, aumentando assim a taxa de tratamento da água e, potencialmente, permitindo uma redução no tempo de contacto, um aumento da remoção/neutralização de contaminantes indesejáveis, e/ou uma redução nos auxiliares de tratamento. 0 processo emprega um dispositivo mecânico externo de alto cisalhamento para proporcionar melhor contacto entre reagentes. Em alguns modelos de realização, este contacto melhorado resulta em reacções químicas aceleradas entre reagentes multifásicos. Num modelo de realização, o processo compreende a utilização de um dispositivo externo pressurizado de alto cisalhamento para proporcionar o tratamento de água sem a necessidade de reservatórios de grande volume nos quais a água tem tempos de permanência elevados. É aqui divulgado um processo para a remoção de contaminantes da água de alimentação, o processo compreende sujeitar uma mistura fluida compreendendo gás de tratamento e a água de alimentação a uma taxa de cisalhamento maior do que 20.000 s-1 num dispositivo de alto cisalhamento para produzir uma dispersão de gás de tratamento numa fase 4 ΡΕ2162399 contínua da água de alimentação, em que o gás de tratamento é o cloro. 0 processo pode ainda compreender a introdução da dispersão num reservatório a partir do qual um produto aquoso é removido e a separação das partículas do produto aquoso. Os contaminantes podem compreender matéria orgânica dissolvida, o gás de tratamento pode compreender ar ou oxigénio, o reservatório pode ser um reservatório de aeração que compreende microrganismos que consomem a matéria orgânica, e as partículas separadas do produto aquoso podem compreender microorganismos. Pelo menos uma porção das partículas pode ser reciclada para o recipiente de aeração. A dispersão pode estar estável durante pelo menos cerca de 15 minutos à pressão atmosférica.

Certos modelos de realização de um processo acima descrito proporcionam potencialmente condições óptimas de tempo, de temperatura e de pressão que não são possíveis de outro modo, e que potencialmente aumentam a taxa do processo de tratamento de água. Certos modelos de realização dos processos acima descritos proporcionam potencialmente redução do custo global por operarem com tempos de permanência reduzidos, proporcionando aumento de produto por unidade de auxiliar de tratamento consumido, e/ou redução de capital e/ou de custos operacionais. Estes e outros modelos de realização e vantagens potenciais serão evidentes na descrição detalhada que se segue e nos desenhos. 5 ΡΕ2162399

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Para uma descrição mais pormenorizada do modelo de realização preferido da presente invenção, será agora feita referência aos desenhos anexos, em que: A Figura 1 é um diagrama de fluxo do processo de um sistema de tratamento de água de acordo com um modelo de realização da presente divulgação. A Figura 2 é uma vista em corte transversal longitudinal de um dispositivo de alto cisalhamento de vários andares, tal como empregue num modelo de realização do sistema

NOTAÇÃO E NOMENCLATURA

Tal como usado aqui, o termo "dispersão" refere-se a uma mistura liquefeita que contém pelo menos duas substâncias distinguíveis (ou "fases") que não serão facilmente misturadas e dissolvidas em conjunto. Tal como aqui usado, uma "dispersão" compreende uma fase "contínua" (ou "matriz"), que contém goticulas descontínuas, bolhas, e/ou partículas da outra fase ou substância. 0 termo dispersão pode, assim, referir-se a espumas compreendendo bolhas de gás em suspensão numa fase líquida continua, emulsões em que goticulas de um primeiro líquido são dispersas por uma fase contínua que compreende um segundo líquido com o qual o primeiro liquido é imiscível, e fases 6 ΡΕ2162399 líquidas contínuas ao longo das quais partículas sólidas são distribuídas. Tal como aqui usado, o termo "dispersão" abrange fases líquidas contínuas ao longo das quais as bolhas de gás são distribuídas, fases líquidas contínuas ao longo das quais partículas sólidas (por exemplo, catalisador sólido ou contaminante) são distribuídas, fases contínuas de um primeiro líquido ao longo das quais gotículas de um segundo líquido que é substancialmente insolúvel na fase contínua são distribuídas, e fases líquidas ao longo das quais qualquer uma ou uma combinação de partículas sólidas, gotículas líquidas imiscíveis, e bolhas de gás são distribuídas. Assim, uma dispersão pode existir como uma mistura homogénea em alguns casos (por exemplo, a fase líquido/líquido), ou como uma mistura heterogénea (por exemplo, gás/líquido, sólido/líquido, ou gás/sólido/líquido), dependendo da natureza dos materiais seleccionados para combinação. 0 termo emulsão será aqui usado mais especificamente para se referir a dispersões líquido/líquido ou líquido/ líquido/sólido. 0 termo "auxiliar de tratamento" será usado para referir qualquer componente adicionado a um fluxo de água contaminada. Por exemplo, em modelos de realização, um "auxiliar de tratamento" pode compreender um gás de tratamento, tais como ar, oxigénio, ou cloro gasoso. Noutros modelos de realização, o "auxiliar de tratamento" pode compreender um líquido tal como um agente líquido floculante. 7 ΡΕ2162399

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA

Visão geral. A taxa de reacções químicas que envolvem líquidos, gases e sólidos depende do tempo de contacto, temperatura e pressão. Em casos em que é desejável que reajam duas ou mais matérias-primas de fases diferentes (por exemplo, sólida e líquida; líquida e gasosa; sólida, líquida e gasosa), um dos factores limitativos que controlam a taxa de reacção envolve o tempo de contacto dos reagentes. No caso de reacções catalisadas heterogéneas existe o factor limitativo adicional da taxa que é o de ter que remover os produtos de reacção da superfície do catalisador para permitir que o catalisador catalise os reagentes adicionais. 0 tempo de contacto para os reagentes e/ou catalisador é frequentemente controlada por mistura, que proporciona um contacto com dois ou mais reagentes envolvidos numa reacção química. No caso de reacções homogéneas, por exemplo, reacções líquido/líquido, uma mistura melhorada pode aumentar a taxa ou extensão da interacção e também homogeneizar a temperatura dentro da zona(s) de reacção.

Um sistema e processo para tratamento de água compreende um dispositivo mecânico externo de alto cisalhamento para proporcionar contacto rápido e mistura dos ingredientes químicos num ambiente controlado no dispositivo reactor/misturador. 0 sistema e processo de alto cisalhamento divulgados e processo podem ser incorporados em processos convencionais de tratamento de 8 ΡΕ2162399 água, melhorando assim a remoção ou neutralização de contaminantes (por exemplo, hidrocarbonetos, bactérias, gás nocivo, etc) e/ou a taxa de aeração. 0 dispositivo de alto cisalhamento pode ser utilizado em vários processos de tratamento de água, tais como processos de tratamento biológico que removem da água material orgânico dissolvido, processos de separação fisica, e processos de tratamento químico. A utilização de alto cisalhamento pode reduzir as limitações de transferência de massa nas desejadas reacções/interacções e assim reduzir o tempo necessário para o tratamento de água, aumentando assim o rendimento obtido. 0 rendimento do produto pode ser aumentado como resultado do sistema e processo de alto cisalhamento. A utilização de alto cisalhamento contactando auxiliares de tratamento e água a ser tratada pode permitir a utilização de quantidades reduzidas de gás (por exemplo, ar, cloro) e/ou de auxiliares líquidos de tratamento (por exemplo, agentes de floculação líquidos) em relação aos processos convencionais de tratamento de água. misturar 0 sistema de alto cisalhamento pode ser utilizado para formar uma dispersão de um gás de tratamento num líquido, por exemplo, uma dispersão de oxigénio, ar, ou de cloro na água a ser tratada. Uma tal dispersão pode aumentar a quantidade de gás dissolvido, devido ao diâmetro reduzido das bolhas na dispersão, que tipicamente têm um diâmetro médio de bolha inferior a cerca de 5 pm. Apesar de não ser aqui discutido em detalhe, o sistema de alto cisalhamento pode também ser usado para 9 ΡΕ2162399 intimamente dois fluxos líquidos, por exemplo, um fluxo de água a ser tratada e um agente líquido floculante. Nestes modelos de realização, o dispositivo de alto cisalhamento pode aumentar a floculação de contaminantes ao efectuar a mistura íntima dentro da(s) zona (s) de interacção.

Outros usos do sistema e processo divulgados tornar-se-ão evidentes após a leitura da divulgação e a visualização dos desenhos anexos. Embora a descrição que se segue seja dada em relação a processos de tratamento de águas residuais compreendendo cloração e aeração, os modelos de realização aqui descritos são apenas exemplos, e não pretendem ser limitativos. Por exemplo, o sistema e processo de alto cisalhamento podem ser usados para o tratamento de águas residuais ou água bruta e podem ser usados para melhorar particularmente a cloração e aeração, ou qualquer combinação de injecção de gás e/ou líquido conhecida dos técnicos especialistas a ser usada no tratamento de fluxos de água.

Sistema de Tratamento de Água. Um sistema de tratamento de água de alto cisalhamento será agora descrito em relação à Figura 1, que é um diagrama de fluxo do processo de um modelo de realização de um sistema de tratamento de água de alto cisalhamento 1 para o tratamento de água, compreendendo pelo menos um contaminante que será pelo menos parcialmente removido, estabilizado, e/ou neutralizado. Tal sistema 1 pode ser usado para aeração num sistema biológico ou bioquímico de tratamento de águas 10 ΡΕ2162399 residuais de acordo com o sistema de lamas activadas ou de aeração num tanque/lagoa de aeração aeróbica. O processo de alto cisalhamento é utilizado para o tratamento bactericida da água com cloro gasoso. É amplamente sabido que o cloro pode ser eficazmente usado para matar as bactérias contidas na água. O cloro é comumente usado para o tratamento de água potável, e também para o tratamento de água usada nos sistemas de piscinas, e tem sido bastante usado para tratar as águas residuais em processos de tratamento de esgoto. Embora a adição de cloro à água seja considerado um processo eficaz de matar bactérias contidas na água, tem uma séria de desvantagens. Em primeiro lugar, o cloro, o qual é um gás relativamente volátil no seu estado natural, é rapidamente dissipado da água quando deixada em repouso aberto para a atmosfera, em particular quando a água tem uma temperatura superior a cerca de 21°C (70°F) . É, assim, geralmente necessário fazer adições frequentes de cloro à água sob estas condições, a fim de manter os níveis de bactérias na água dentro de intervalos de segurança. Isto pode ser economicamente indesejável. Como discutido mais abaixo, o sistema e processo de alto cisalhamento podem permitir uma redução da quantidade de cloro necessária para o tratamento da água e/ou aumentar a taxa de tratamento da água ao minimizar a resistência à transferência de massa através da mistura de alto cisalhamento e da criação de uma dispersão de gás desinfectante numa fase aquosa continua. 11 ΡΕ2162399

Os componentes básicos de um sistema de alto cisalhamento representativo incluem um dispositivo externo de mistura de alto cisalhamento (HSD) (em que HSD são as inciais do termo inglês High Shear Device), um reservatório, e uma bomba. Cada um destes componentes é ainda descrito de seguida com mais detalhe. Como mostrado na Figura 1, o dispositivo de alto cisalhamento 40 está localizado externamente ao reservatório/reactor 10. A linha 21 está ligada à bomba 5 para a introdução de água a ser tratada. A linha 13 liga a bomba 5 ao HSD 40, e a linha 18 liga o HSD 40 ao reservatório 10. A linha 22 pode ser ligada à linha 13 para a introdução de um gás de tratamento (por exemplo, ar, oxigénio, ou cloro) ou de um auxiliar de tratamento liquido. Alternativamente, a linha 22 pode ser ligada a uma entrada de HSD 40. A linha 17 pode ser ligada ao reservatório 10 para a remoção de gás de tratamento que não reagiu, de sulfureto de hidrogénio ou de outro gás removido da água pelo tratamento. Componentes adicionais ou etapas do processo podem ser incorporadas entre o reservatório 10 e o HSD 40, ou à frente da bomba 5 ou de HSD 40, se desejado, como se tornará evidente após a leitura da descrição do processo de tratamento de água de alto cisalhamento aqui descrito de seguida. 0 sistema de alto cisalhamento pode ainda compreender um aparelho de tratamento prévio, tal como a unidade 60 que pode ser usada para remover grandes sólidos e gorduras da água a ser tratada na linha 25. A unidade de pré-tratamento 60 pode ser ligada à bomba 5 através da 12 ΡΕ2162399 linha 21. 0 sistema de alto cisalhamento 1 pode ainda compreender um separador 30 a jusante de HSD 40 para a separação de produtos sólidos pesados e sólidos reduzidos. O separador 30 pode ser ligado através da linha 16 ao reservatório 10. A linha 33 ou a linha 36 a partir do separador 30 pode ser ligada à linha 21 ou à linha 13 para proporcionar, se desejado, operação de múltiplas passagens. Linhas de entrada podem ser incorporados no sistema de alto cisalhamento para introdução de material no sistema. Por exemplo, a linha 14 pode ser ligada ao reservatório 10 para a introdução de material, tal como auxiliar de ajuste do pH, no interior do reservatório 10; e a linha 35 pode ser ligada à linha 16 ou em qualquer outro local do sistema de alto cisalhamento para introduzir material, tal como floculante no sistema de alto cisalhamento 1. Deve-se notar que a Figura 1 é um diagrama de processo simplificado e peças potenciais de equipamento de processo, tais como separadores, válvulas, e compressores, foram omitidas para maior clareza.

Unidade(s) de Pré-tratamento. O sistema de alto cisalhamento 1 pode compreender unidade(s) de pré-tratamento 60 para a separação fisica de componentes da água a ser tratada. A unidade de pré-tratamento 60 pode ser configurada para separar grandes objectos sólidos e/ou gordura do fluxo de água na linha 25. Sem limitação, exemplos de aparelhos de pré-tratamento adequado são crivos de barras, desareadores, e tanques de sedimentação. 13 ΡΕ2162399

Dispositivo misturador de alto cisalhamento. 0 dispositivo misturador externo de alto cisalhamento (HSD) 40, também por vezes referido como um dispositivo de alto cisalhamento ou dispositivo misturador de alto cisalhamento, é configurado para receber um fluxo de entrada, através da linha 13, que compreende água a ser tratada e auxiliares de tratamento. Alternativamente, o HSD 40 pode ser configurado para receber água e auxiliares de tratamento através de linhas de entrada separadas (não mostrado). Embora um dispositivo de alto cisalhamento 40 seja mostrado na Figura 1, deve ser entendido que alguns modelos de realização do sistema podem ter um ou mais de dois dispositivos misturadores de alto cisalhamento dispostos em série ou em paralelo. O HSD 40 é um dispositivo mecânico que utiliza um ou mais geradores compreendendo uma combinação rotor/estator, cada um dos quais tem um intervalo entre o estator e o rotor. O intervalo entre o rotor e o estator, em cada conjunto gerador, pode ser fixo ou pode ser ajustável. O HSD 40 está configurado de tal maneira que é capaz de produzir bolhas de tamanho submicron e micron ou goticulas do auxiliar de tratamento numa mistura aquosa que flui através do dispositivo de alto cisalhamento. O dispositivo de alto cisalhamento compreende um invólucro ou alojamento de modo que a pressão e a temperatura da mistura aquosa podem ser controladas.

Os dispositivos misturadores de alto cisalhamento são geralmente divididos em três classes gerais, com base 14 ΡΕ2162399 na sua capacidade para misturar fluidos. Misturar é o processo de redução do tamanho de partículas ou de espécies não homogéneas dentro do fluido. Uma métrica para o grau ou perfeição da mistura é a densidade de energia por unidade de volume que o dispositivo misturador gera para desfazer as partículas dos fluidos. As classes são distinguidas com base nas densidades de energia entregues. Três classes de misturadores industriais possuindo densidade de energia suficiente para produzir consistentemente misturas ou emulsões com tamanhos de partículas na gama de submicron até 5xlCT5 m (50 microns) incluem sistemas de válvulas de homogeneização, moinhos coloidais e misturadores de alta velocidade. Na primeira classe de dispositivos de alta energia, referidos como sistemas de válvulas de homogeneização, o fluido a ser processado é bombado sob pressão muito elevada através de uma válvula válvula de banda estreita para um ambiente de mais baixa pressão. Os gradientes de pressão através da válvula e as resultantes turbulência e cavitação actuam para fragmentar quaisquer partículas no fluido. Estes sistemas de válvula são mais vulgarmente usados na homogeneização do leite e podem produzir partículas de tamnho médio na gama de submicron até lxlO"6 m(l micron) .

Na extremidade oposta do espectro de densidade de energia está a terceira classe de dispositivos referidos como dispositivos de baixa energia. Estes sistemas têm geralmente pás ou rotores de fluido que giram a alta velocidade num reservatório do fluido a ser processado, o 15 ΡΕ2162399 que em muitas das aplicações mais comuns é um produto alimentar. Estes sistemas de baixa energia são habitualmente usados quando os tamanhos médios da partícula maiores do que 2xl0”5m (20 microns) são aceitáveis no fluido processado.

Entre os dispositivos de baixa energia e os sistemas de válvulas de homogeneização, em termos da densidade de energia de mistura entregue ao fluido, estão os moinhos coloidais e outros dispositivos rotor-estator de alta velocidade, que são classificados como dispositivos de energia intermédia. Uma configuração tipica de um moinho coloidal inclui um rotor cónico ou de disco que está separado de um estator complementar, arrefecido por liquido, por um intervalo rotor-estator rigorosamente controlado, que está habitualmente entre 0,02 mm a 10 mm (0,001-0,40 polegadas). Os rotores são normalmente accionados por um motor eléctrico através de um accionamento directo ou de um mecanismo de correias. À medida que o rotor gira a velocidades elevadas, bombeia fluido entre o rotor e o estator, e as forças de cisalhamento geradas no intervalo processam o fluido. Muitos moinhos coloidais com ajustamento apropriado atingem partículas de tamanho médio de lxl0“7m a 2,5xl0“5 m (0,1-25 microns) no fluido processado. Estas capacidades tornam os moinhos coloidais adequados para uma variedade de aplicações, incluindo o processamento de colóides e emulsões à base de óleo/água tal como requerido para cosméticos, maionese, ou formação de amálgama 16 ΡΕ2162399 silicone/prata, até mistura de alcatrão de cobertura. A velocidade periférica é a distância circunferencial percorrida pela extremidade do rotor por unidade de tempo. A velocidade periférica é, assim, uma função do diâmetro do rotor e da frequência de rotação. A velocidade periférica (em metros por minuto, por exemplo) pode ser calculada multiplicando a distância circunferencial percorrida pela extremidade do rotor, 2nR, onde R é o raio do rotor (em metros, por exemplo) vezes a frequência de rotação (por exemplo as rotações por minuto, rpm). Um moinho coloidal, por exemplo, pode ter uma velocidade periférica superior a 22,9 m/s (4.500 pés/min) e pode ser superior a 40 m/s (7.900 pés/min). Para a finalidade desta divulgação, o termo "alto cisalhamento" refere-se a dispositivos mecânicos de estator-rotor (por exemplo, moinhos coloidais ou dispersores rotor-estator) que são capazes de velocidades periféricas superiores a 5,1 m/s (1000 pés/min) e requerem um dispositivo de alimentação externa accionado mecanicamente para transportar energia para o fluxo de produtos que têm que reagir. Por exemplo, em HSD 40, uma velocidade periférica superior a 22,9 m/s (4.500 pés/min) é alcançável, e pode ser superior a 40 m/s (7.900 pés/min). Em alguns modelos de realização, HSD 40 é capaz de fornecer pelo menos 300 L/h a uma velocidade periférica de pelo menos 22,9 m/s (4.500 pés/min). O consumo de energia pode ser de cerca de 1,5 kW. HSD 4 0 combina alta velocidade periférica com um intervalo de cisalhamento muito pequeno para produzir cisalhamento 17 ΡΕ2162399 significativo no material a ser processado. A quantidade de cisalhamento será dependente da viscosidade do fluido. Por conseguinte, uma região local de pressão e temperatura elevadas é criada na extremidade do rotor durante o funcionamento do dispositivo de alto cisalhamento. Em alguns casos a pressão localmente elevada é de cerca de 1034,2 MPa (150.000 psi) . Em alguns casos a temperatura localmente elevada é de cerca de 500°C. Em alguns casos, estas pressão e temperatura locais elevadas podem persistir durante nano segundos ou pico segundos.

Uma aproximação da energia transmitida ao fluido (kW/L/min) pode ser estimada pela medição da energia do motor (kW) e do débito do fluido (L/min) . Como mencionado acima, a velocidade periférica é a velocidade (pés/min ou m/s) associada com a extremidade de um ou mais elementos rotativos que está a criar a força mecânica aplicada ao fluido. Em modelos de realização, o consumo energético de 40 HSD é maior do que 1.000 W/m3. Em modelos de realização, o consumo energético de HSD 40 está na gama de desde cerca de 3.000 W/m3 a cerca de 7.500 W/m3. A taxa de cisalhamento é a velocidade periférica dividida pela largura do intervalo de cisalhamento (folga minima entre o rotor e o estator) . A taxa de cisalhamento gerada em HSD 40 é maior do que 20.000 s”1. Em alguns modelos de realização a taxa de cisalhamento é de pelo menos 40.000 s-1. Em alguns modelos de realizção a taxa de cisalhamento é de pelo menos 100.000 s-1. Em alguns modelos 18 ΡΕ2162399 de realização a taxa de cisalhamento é de pelo menos 500.000 s-1. Em alguns modelos de realização a taxa de cisalhamento é de pelo menos 1.000.000 s-1. Em alguns modelos de realização a taxa de cisalhamento é de pelo menos 1.600.000 s-1. Em modelos de realização, a taxa de cisalhamento gerada por HSD 40 está na gama de desde 20.000 s-1 a 100.000 s-1. Por exemplo, numa aplicação a velocidade periférica do rotor é de cerca de 40 m/s (7.900 pés/min) e a largura do intervalo de cisalhamento é de 0,025 mm (0,001 polegadas), produzindo uma taxa de cisalhamento de 1.600.000 s-1. Numa outra aplicação a velocidade periférica do rotor é de cerca de 22,9 m/s (4.500 pés/min) e a largura do intervalo de cisalhamento é 0,0254 mm (0,001 polegadas), produzindo uma taxa de cisalhamento de cerca de 901.600 s” 1 HSD 40 é capaz de elevada dispersão ou transportar auxiliar de tratamento para uma fase liquida principal (fase continua) compreendendo água, com a qual seria normalmente imiscivel, em condições tais que pelo menos uma porção do auxiliar de tratamento reage/interage com o contaminante na água. Em alguna modelos de realização, HSD 40 compreende um moinho coloidal. Moinhos coloidais adequados são fabricados por IKA® Works, Inc. Wilmington, NC e APV North America, Inc. Wilmington, MA, por exemplo. Em alguns casos, HSD 40 compreende o Dispax Reactor® de IKA® Works, Inc. O dispositivo de alto cisalhamento compreende 19 ΡΕ2162399 pelo menos um elemento rotativo que cria a força mecânica aplicada à mistura aquosa. 0 dispositivo de alto cisalhamento compreende pelo menos um estator e pelo menos um rotor separados por uma folga. Por exemplo, os rotores podem ser cónicos ou em forma de disco e podem ser separados de um estator de forma complementar. Em modelos de realização, tanto o rotor como o estator compreendem uma pluralidade de dentes espaçados circunferencialmente. Em alguns modelos de realização, o(s) estator(s) são ajustáveis para obter o desejado intervalo de cisalhamento entre o rotor e o estator de cada gerador (conjunto rotor/estator) . Ranhuras entre os dentes do rotor e/ou estator podem alternar de direcção em andares alternados para aumentar a turbulência. Cada gerador pode ser accionado por qualquer sistema de accionamento adequado configurado para fornecer a rotação necessária.

Em alguns modelos de realização, a folga minima (largura do intervalo de cisalhamento) entre o estator e o rotor está na gama de desde cerca de 0,0254 mm (0,001 polegadas) a cerca de 3,175 mm (0,125 polegadas). Em certos modelos de realização, a folga minima (largura do intervalo de cisalhamento) entre o estator e o rotor é de cerca de 1,5 mm (0,060 polegadas). Em certas configurações, a folga mínima (intervalo de cisalhamento) entre o rotor e o estator é de pelo menos 1,7 mm (0,07 polegadas). A taxa de cisalhamento produzida pelo dispositivo de alto cisalhamento pode variar com a posição longitudinal ao longo do percurso do fluxo. Em alguns modelos de 20 ΡΕ2162399 realização, o rotor é ajustado para rodar a uma velocidade proporcional ao diâmetro do rotor e à velocidade periférica desejada. Em alguns modelos de realização, o dispositivo de alto cisalhamento tem uma folga fixa (largura do intervalo de cisalhamento) entre o estator e o rotor. Alternativamente, o dispositivo de alto cisalhamento tem folga ajustável (largura do intervalo de cisalhamento).

Em alguns modelos de realização, HSD 40 compreende uma câmara de dispersão de um andar único (isto é, uma combinação rotor/estator única, um único gerador). Em alguns modelos de realização, o dispositivo de alto cisalhamento 40 é um dispersor em linha de múltiplos andares e compreende uma pluralidade de geradores. Em certos modelos de realização, HSD 40 compreende pelo menos dois geradores. Noutros modelos de realização, o dispositivo de alto cisalhamento 40 compreende pelo menos 3 geradores de alto cisalhamento. Em alguns modelos de realização, o dispositivo de alto cisalhamento 40 é um misturador de vários andares em que a taxa de cisalhamento (que, como mencionado acima, varia proporcionalmente com a velocidade periférica e inversamente com a largura do intervalo rotor/estator) varia com a posição longitudinal ao longo do percurso do fluxo, como aqui abaixo descrito.

Em alguns modelos de realização, cada andar do dispositivo externo de alto cisalhamento tem ferramentas de mistura intermutáveis, oferecendo flexibilidade. Por exemplo, o DR 2000/4 Dispax Reactor® de IKA® Works, Inc. 21 ΡΕ2162399

Wilmington, NC e APV North America, Inc. de Wilmington, MA, compreende um módulo de dispersão de três andares. Este módulo pode compreender até três combinações (geradores) rotor/estator, com escolha de fino, médio, grosso e super-fino para cada andar. Isto permite a criação de dispersões que têm uma distribuição estreita da bolha desejada (por exemplo, bolhas de gás de tratamento). Em alguns modelos de realização, cada um dos andares é operado com gerador super-fino. Em alguns modelos de realização, pelo menos um dos conjuntos gerador tem uma folga (largura do intervalo de cisalhamento) rotor/estator minima maior do que cerca de 5 mm (0,2 polegadas). Em modelos de realização alternativos, pelo menos um dos conjuntos gerador tem uma folga rotor/estator mínima superior a cerca de 1,7 mm (0,07 polegadas).

Referindo-nos agora à Figura 2, é apresentado um corte transversal longitudinal de um dispositivo de alto cisalhamento 200. 0 dispositivo de alto cisalhamento 200 da Figura 2 é um dispositivo de dispersão que compreende três andares ou combinações rotor-estator. O dispositivo de alto cisalhamento 200 é um dispositivo de dispersão que compreende três andares ou combinações rotor-estator, 220, 230 e 240. As combinações rotor-estator podem ser conhecidas como geradores 220, 230, 240 ou andares sem limitação. Os três conjuntos rotor/estator ou geradores 220, 230, e 240 estão alinhados em série ao longo do veio motor 250. 22 ΡΕ2162399 0 primeiro gerador 220 compreende o rotor 222 e o estator 227. O segundo gerador 230 compreende o rotor 223, e o estator 228. O terceiro gerador 240 compreende o rotor 224 e o estator 229. Para cada gerador o rotor é accionado rotativamente pelo input 250 e roda em torno do eixo 260 como indicado pela seta 265. A direcção de rotação pode ser oposta à indicada pela seta 265 (por exemplo, no sentido horário ou no anti-horário em torno do eixo de rotação 260) . Os estatores 227, 228, e 229 podem estar ligados fixamente à parede 255 do dispositivo de alto cisalhamento 200 .

Como acima mencionado, cada gerador tem uma largura do intervalo de cisalhamento que é a distância minima entre o rotor e o estator. No modelo de realização da Figura 2, o primeiro gerador 220 compreende um primeiro intervalo de cisalhamento 225; o segundo gerador 230 compreende um segundo intervalo de cisalhamento 235, e o terceiro gerador 240 compreende um terceiro intervalo de cisalhamento 245. Em modelos de realização, os intervalos de cisalhamento 225, 235, 245 têm larguras na gama de desde cerca de 0,025 mm até cerca de 10 mm.

Alternativamente, o processo compreende a utilização de um dispositivo de alto cisalhamento 200 em que os intervalos 225, 235, 245 têm uma largura na gama de desde cerca de 0,5 mm a cerca de 2,5 mm. Em certos casos a largura do intervalo de cisalhamento é mantida a cerca de 1,5 mm.

Alternativamente, a largura dos intervalos de cisalhamento 225, 235, 245 são diferentes para os geradores 220, 230, 23 ΡΕ2162399 240. Em certos casos, a largura do intervalo de cisalhamento 225 do primeiro gerador 220 é maior do que a largura do intervalo de cisalhamento 235 do segundo gerador 230, que é por sua vez maior do que a largura do intervalo de cisalhamento 245 do terceiro gerador 240. Como mencionado acima, os geradores de cada andar podem ser intermutáveis, oferecendo flexibilidade. O dispositivo de alto cisalhamento 200 pode ser configurado de modo que a taxa de cisalhamento irá aumentar gradualmente longitudinalmente ao longo da direcção do fluxo 260.

Os geradores 220, 230 e 240 podem compreender uma caracterização grossa, média, fina e super-fina. Os rotores 222, 223, e 224 e os estatores 227, 228, e 229 podem ter desenhos dentados. Cada gerador pode compreender dois ou mais conjuntos de dentes rotor-estator. Em modelos de realização, os rotores 222, 223, e 224 compreendem mais de 10 dentes no rotor circunferencialmente espaçados em torno da circunferência de cada rotor. Em modelos de realização, os estatores 227, 228 e 229 compreendem mais do que dez dentes no estator circunferencialmente espaçados em torno da circunferência de cada estator. Em modelos de realização, o diâmetro interno do rotor é de cerca de 12 cm. Em modelos de realização, o diâmetro do rotor é de cerca de 6 cm. Em modelos de realização, o diâmetro externo do estator é de cerca de 15 cm. Em modelos de realização, o diâmetro do estator é de cerca de 6,4 cm. Em alguns modelos de realização os rotores têm um diâmetro de 60 mm e os estatores um diâmetro de 64 mm, proporcionando uma folga de 24 ΡΕ2162399 cerca de 4 mm. Em certos modelos de realização, cada um dos três andares é operado com um gerador super-fino, compreendendo um intervalo de cisalhamento de entre cerca de 0,025 mm e cerca de 4 mm. Para aplicações em que partículas sólidas são para ser enviadas através do dispositivo de alto cisalhamento 40, a largura apropriada do intervalo de cisalhamento (folga minima entre o rotor e o estator) pode ser escolhida para uma redução adequada da dimensão das partículas e aumento da área de superfície da partícula. Em modelos de realização, isto pode ser benéfico para aumentar a flotação de partículas sólidas. O dispositivo de alto cisalhamento 200 é configurado para receber da linha 13 uma mistura na entrada 205. A mistura compreende auxiliar de tratamento como a fase dispersa e água a ser tratada como a fase contínua. O fluxo de alimentação ainda compreenderá tipicamente um componente de partículas sólidas (por exemplo contaminante). 0 fluxo de alimentação entrando pela entrada 205 é bombado através dos geradores em série 220, 230, e em seguida 240, de tal modo que o produto de dispersão é formado. O produto de dispersão sai do dispositivo de alto cisalhamento 200 através da saída 210 (e linha 18 da Figura 1) . Os rotores 222, 223, 224 de cada gerador rodam a alta velocidade em relação aos estatores fixos 227, 228, 229, proporcionando uma elevada taxa de cisalhamento. A rotação dos rotores bomba fluido, tal como o fluxo de alimentação entrando pela entrada 205, para o exterior através dos intervalos de cisalhamento (e, se presentes, através dos 25 ΡΕ2162399 espaços entre os dentes do rotor e os espaços entre os dentes do estator), criando uma condição localizada de cisalhamento elevado. Forças de cisalhamento elevadas são exercidas sobre o fluido nos intervalos de cisalhamento 225, 235, e 245 (e, quando presentes, nos intervalos entre os dentes do rotor e os dentes do estator) através das quais os fluxos do fluido processam o fluido e criam o produto de dispersão. 0 produto de dispersão sai do dispositivo de alto cisalhamento 200 através da saída de alto cisalhamento 210 (e linha 18 da Figura 1). O produto de dispersão tem um tamanho médio da bolha de gás, da gotícula ou da partícula inferior a cerca de 5 pm. Em modelos de realização, HSD 40 produz uma dispersão tendo um tamanho médio da bolha, da gotícula e/ou da partícula inferior a cerca de 1,5 pm. Em modelos de realização, HSD 40 produz uma dispersão tendo um tamanho médio da bolha, da gotícula e/ou da partícula inferior a cerca de 1 pm; de preferência as bolhas, gotículas ou partículas do auxiliar de tratamento têm diâmetros de sub-micron. Em certos casos, o tamanho médio da bolha, gotícula ou partícula é de cerca de 0,lpm a cerca de 1,0 pm. Em modelos de realização, HSD 40 produz uma dispersão tendo um tamanho médio da bolha, da gotícula ou da partícula inferior a 400 nm. Em modelos de realização, HSD 40 produz uma dispersão tendo um tamanho mádio de bolha, de gotícula ou de partícula inferior a 100 nm. O dispositivo de alto cisalhamento 40 produz uma dispersão compreendendo gotículas, partículas e/ou bolhas de gás capazes de 26 ΡΕ2162399 permanecerem dispersas à pressão atmosférica durante pelo menos cerca de 15 minutos.

Para não ser limitado pela teoria, sabe-se que em emulsão química as partículas sub-micron, ou bolhas, dispersas num líquido sofrem movimento, principalmente através dos efeitos do movimento Browniano. As bolhas no produto de dispersão criadas pelo dispositivo de alto cisalhamento 200 podem ter maior mobilidade através das camadas limite das partículas sólidas contaminantes, assim facilitando e acelerando a reacção/interacção por meio do transporte melhorado de reagentes

Em certos casos, o dispositivo de alto cisalhamento 200 compreende um Dispax Reactor® da IKA®Works, Inc. Wilmington, NC e APV North America, Inc. de Wilmington, MA. Vários modelos estão disponíveis tendo várias ligações de entrada/saída, potências, velocidades periféricas, rpm de saída e caudais. A selecção do dispositivo de alto cisalhamento dependerá dos requisitos de rendimento e do tamanho desejado da partícula, da gotícula ou da bolha em dispersão na linha 18 (Figura 1) que sai pela saída 210 do dispositivo de alto cisalhamento 200. O modelo IKA®DR 2000/4, por exemplo, compreende uma correia de transmissão, o gerador 4M, o anel de vedação PTFE, a flange de entrada 25,4 mm (1 polegada) com braçadeira sanitária, a flange de saída 19 mm (3/4 de polegada) com braçadeira sanitária, uma potência de 2HP, uma velocidade de saída de 7.900 rpm, um caudal (água) de 27 ΡΕ2162399 aproximadamente 300-700 L/h (dependendo do gerador), uma velocidade periférica de 9,4-41 m/s (1.850 pés/ min até 8.070 pés/min).

Reservatório. O reservatório ou reactor 10 é qualquer tipo de recipiente em que o tratamento de água se pode propagar. Por exemplo, um reactor de agitação continua ou semi-continua, ou um ou mais reactores descontínuos podem ser utilizados em série ou em paralelo. Em alguns aplicações o reservatório 10 pode ser um clarificador ou outro tipo de separador. Em modelos de realização, o reservatório 10 é um tanque de aeração. Qualquer número de linhas de entrada do reactor é possível, com duas mostradas na Figura 1 (linhas 14 e 18) . A linha de entrada 14 pode ser uma linha de entrada alcalina ligada ao reservatório 10 para a introdução do auxiliar de ajuste do pH durante a operação do sistema. O reservatório 10 pode compreender uma linha de saída 17 para evacuar o gás, e uma linha de saída do produto 16 para um fluxo aquoso. Em modelos de realização, o reservatório 10 compreende uma pluralidade de linhas de produtos do reactor 16; por exemplo, se o reservatório 10 é um separador, o reservatório pode compreender uma saída para os sólidos e uma saída para a água clarificada.

Tratamento (por exemplo: aeração ou cloração) ocorrerá sempre que as condições adequadas de tempo, temperatura e pressão existirem. Neste sentido interacção de contaminante e auxiliar de tratamento, por exemplo: 28 ΡΕ2162399 oxidação química, pode ocorrer em qualquer ponto no diagrama de fluxo da Figura 1 se o contacto é adequado. Em modelos de realização, reacção significativa (por exemplo, cloração) poderá ocorrer dentro de HSD 40 e poderá não ser necessário um reservatório separado 10. Isto é, em alguns aplicações o reservatório 10 pode ser omitido. Por exemplo, se vários dispositivos/reactores de alto cisalhamento são empregues em série ou se HSD 40 é usado para aerar a água antes da introdução numa lagoa de aeração, como descrito abaixo, o reservatório 10 pode estar ausente. Em tais casos, o produto de HSD 40 pode ser introduzido directamente num separador 30 ou numa lagoa de aeração ou num tanque. O tamanho do reactor 10 pode variar consideravelmente, dependendo do equipamento e da quantidade de materiais residuais a ser processada no mesmo. 0 reservatório 10 pode incluir um ou mais dos seguintes componentes: sistema de agitação, recursos de aquecimento e/ou de arrefecimento, instrumentação de medição de pressão, instrumentação de medição de temperatura, um ou mais pontos de injecção, e regulador de nível (não mostrado), tal como são conhecidos na técnica da concepção do reservatório de reacção. Por exemplo, um sistema de agitação pode incluir um misturador accionado por um motor. Um aparelho de aquecimento e/ou de arrefecimento pode compreender, por exemplo, um permutador de calor. 29 ΡΕ2162399

Bombas. A Bomba 5 é configurada para uma operação contínua ou semi-contínua, e pode ser qualquer dispositivo adequado de bombagem que é capaz de fornecer fluxo controlado através de HSD 40 e do sistema de alto cisalhamento 1. Em modelos de realização, o sistema é operado à pressão atmosférica ou próximo dela. A bomba 5 pode ser configurada para proporcionar uma pressão maior do que 202, 65 kPa (2 atm) ou uma pressão superior a 303, 975 kPa (3 atm) . Por exemplo, uma bomba de engrenagens Roper Type 1, da Roper Pump Company (Commerce Georgia) Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E, Dayton Electric Co (Niles, IL) é uma bomba adequada. De preferência, todas as partes de contacto da bomba são de aço inoxidável, por exemplo, aço inoxidável 316. Em alguns modelos de realização do sistema, a bomba 5 é capaz de pressões superiores a cerca de 2.026, 5 kPa (20 atm) . Para além da bomba 5, uma ou mais bombas adicionais (não mostradas) podem ser incluídas no sistema ilustrado na Figura 1. Por exemplo, uma bomba de reforço, que pode ser semelhante à bomba 5, pode ser incluída entre HSD 40 e o reservatório 10 para aumentar a pressão dentro do reservatório 10, ou uma bomba de reciclagem pode ser posicionada na linha 17 para reciclar gás do reservatório 10 para o HSD 40. Como outro exemplo, uma bomba de alimentação suplementar, que pode ser semelhante à bomba 5, pode ser incluída para a introdução de material adicional para dentro do reservatório 10.

Separador. O separador 30 é qualquer recipiente adequado que pode ser configurado para separar a água 30 ΡΕ2162399 tratada dos sólidos contaminantes. O separador 30 pode ser, por exemplo, um clarificador. Em modelos de realização, a água tratada é removida a partir da parte debaixo dos sólidos flutuantes no separador 30 através da linha 36, enquanto que, noutros modelos de realização, a água tratada é extraída através da linha 33 a partir da parte de cima dos sólidos que foram deixados em repouso numa porção inferior do separador 30.

Processo de Tratamento de Água. O funcionamento do sistema de tratamento de água de alto cisalhamento 1 será agora discutido em relação à aeração e à cloração.

Fluxo de alimentação. A linha 25 compreende água a ser tratada. O fluxo de alimentação na linha 25 pode ser material residual, tais como esgoto ou águas residuais sépticas de uma pequena comunidade ou de uma fábrica. Em modelos de realização, a água de alimentação compreende material de resíduos provenientes de outras fontes, tais como um sistema municipal de tratamento, um sistema de descarga de resíduos de uma instalação industrial ou de uma instalação de processamento de alimentos, etc. Em modelos de realização, uma porção da água na linha de entrada 21 do sistema de alto cisalhamento compreende água reciclada através da linha 45 a partir do separador 30 ou do reservatório 10. Em modelos de realização, a água a ser tratada compreende água bruta, por exemplo, água de superfície ou água subterrânea que podem ser tratadas com, por exemplo, cloração através do sistema e processo 31 ΡΕ2162399 divulgados para a desinfecção da água antes da sua utilização como água potável. Tal água bruta de superfície ou subterrânea pode compreender gás tal como o sulfureto de hidrogénio que ocorre naturalmente, gases produzidos através de material orgânico vivo tal como algas, gases produzidos através da degradação de material orgânico, cloro residual, e etc. A água pode, por conseguinte, ser aerada, de acordo com modelos de realização da presente divulgação, para facilitar a libertação destes gases. Tal remoção de gases da água bruta pode melhorar o sabor e/ou problemas de odor antes da utilização da água como água potável. Em modelos de realização, a água é aerada e introduzida num reservatório de aeração 10 compreendendo microrganismos conhecidos para consumir oxigénio e matéria orgânica na água residual.

Pré—tratamento. Em modelos de realização, as águas residuais entram um dispositivo de pré-tratamento 60 através da linha de entrada 25. Por exemplo, o dispositivo de pré-tratamento 60 pode compreender um crivo de barras, um desareador, um tanque de sedimentação, ou subsistema de filtração, tal como é conhecido dos técnicos especialistas. O dispositivo de pré-tratamento 60 pode compreender, por exemplo, um filtro de saco. A unidade de pré-tratamento 60 pode ser configurado para remover gorduras e/ou sólidos grandes tais como componentes metálicos da água na linha 25. A descarga do pré-tratamento na linha 26 compreende material que não é para ser incorporado na água na linha 21 que é processada em HSD 40. 32 ΡΕ2162399

Formação da Dispersão. A linha 21 introduz água a ser tratada na bomba 5. Um auxiliar de tratamento gasoso dispersivel que compreende ar, oxigénio, ou cloro ou ou um auxiliar de tratamento liquido dispersivel é introduzido no sistema 1 através da linha 22, e combinado na linha 13 com 0 fluxo aquoso a ser tratado. Em modelos de realização, o gás dispersivel na linha 22 compreende oxigénio. Em modelos de realização, o gás dispersivel na linha 22 compreende cloro. Em modelos de realização, o gás dispersivel na linha 22 compreende ar. Em modelos de realização, a linha 22 compreende auxiliar de tratamento liquido dispersivel (por exemplo: floculante).

Em modelos de realização, o auxiliar de tratamento dispersivel é alimentado directamente a HSD 40, em vez de ser combinado com o fluxo liquido da água de alimentação na linha 13. A bomba 5 pode ser operada para bombar a água de alimentação liquda através da linha 21, pode aumentar a pressão e alimentar HSD 40, e pode fornecer um fluxo controlado ao longo do dispositivo de alto cisalhamento (HSD) 40 e do sistema de alto cisalhamento 1. Em alguns modelos de realização, a bomba 5 aumenta a pressão do fluxo de entrada de HSD para maiis do que 200 kPa (2 atm) ou para mais do que cerca de 300 kPa (3 atmosferas). Desta maneira, o sistema de alto cisalhamento 1 pode combinar alto cisalhamento com pressão para melhorar a mistura intima da água e do auxiliar de tratamento. 33 ΡΕ2162399

Depois da bombagem, o auxiliar de tratamento dispersivel e a água de alimentação a ser tratada são misturados dentro de HSD 40, o que serve para criar uma dispersão fina (que pode ser, por exemplo, uma emulsão liquido/liquido ou uma dispersão gás/liquido) do auxilar de tratamento na água de alimentação. Dentro de HSD 40, o auxiliar de tratamento e a água de alimentação são altamente dispersos de forma que as nanobolhas (nanogoticulas) e bolhas de tamanho submicron (goticulas), e/ou microbolhas (microgoticulas) do auxiliar de tratamento são formadas para dissolução superior na solução e melhoria da mistura. Por exemplo, o dispersor IKA® modelo DR 2000/4, um dispositivo dispersor de três andares e alto cisalhamento configurado com três rotores em combinação com estatores, alinhados em série, pode ser usado para criar a dispersão do auxiliar de tratamento em meio liquido compreendendo água de alimentação. Os conjuntos rotor/estator podem ser configurados como ilustrado na Figura 2, por exemplo. Os reagentes combinados entram no dispositivo de alto cisalhamento através da linha 13 e entram no primeiro andar da combinação rotor/estator. Os rotores e estatores do primeiro andar podem ter dentes circunferencialmente espaçados no rotor do primeiro andar e dentes no estator, respectivamente. A dispersão grosseira que sai do primeiro andar entra no segundo andar rotor/estator. O rotor e o estator do segundo andar podem também compreender circunferencialmente espaçados dentes no rotor e dentes no estator, respectivamente. A dispersão de bolhas ou de goticulas de tamanho reduzido emergindo do 34 ΡΕ2162399 segundo andar entra no terceiro andar da combinação rotor/estator, que pode compreender um rotor e um estator tendo dentes no rotor e dentes no estator, respectivamente. A dispersão sai do dispositivo de alto cisalhamento pela linha 18. Em alguns modelos de realização, a taxa de cisalhamento aumenta de forma gradual longitudinalmente ao longo da direcção do fluxo, 260. Por exemplo, em alguns modelos de realização, a taxa de cisalhamento no primeiro andar rotor/estator é maior do que a taxa de cisalhamento no andar subsequente(s). Noutros modelos de realização, a taxa de cisalhamento é substancialmente constante ao longo da direcção do fluxo, em que a taxa de cisalhamento é substancialmente a mesma em cada andar.

Se HSD 40 inclui uma vedação de politetrafluoretileno (PTFE), a vedação pode ser arrefecida utilizando qualquer técnica adequada que é conhecido na indútria. Por exemplo, o fluxo de água de alimentação que flui na linha 13 ou na linha 21 pode ser usado para arrefecer a vedação e ao fazê-lo ser pré-aquecida antes de entrar no dispositivo de alto cisalhamento 40. O rotor (s) de HSD 40 pode ser configurado para rodar a uma velocidade proporcional ao diâmetro do rotor e à velocidade periférica desejada. Como descrito acima, o dispositivo de alto cisalhamento (por exemplo, moinho coloidal ou dispersor de coroa dentada) tem ou uma folga fixa entre o estator e o rotor ou tem uma folga ajustável. HSD 40 serve para misturar intimamente o auxiliar de 35 ΡΕ2162399 tratamento dispersível na água de alimentação. Em alguns modelos de realização do processo, a resistência ao transporte dos reagentes é reduzida por operação do dispositivo de alto cisalhamento de tal forma que a velocidade de reacção/interacção é aumentada em mais de cerca de 5%. Em alguns modelos de realização do processo, a resistência ao transporte dos reagentes é reduzida por operação do dispositivo de alto cisalhamento de tal forma que a velocidade de reacção/interacção é aumentada por um factor de cerca de 5. Em alguns modelos de realização, a velocidade de reacção/interacção é aumentada pelo menos por um factor de 10. Em alguns modelos de realização, a velocidade é aumentada por um factor na gama de cerca de 10 a cerca de 100 vezes.

Em alguns modelos de realização, HSD 40 entrega, pelo menos, 300 L/h a uma velocidade periférica de pelo menos 22,9 m/s (4.500 pés/min) e que pode ser superior a 7.900 pés/min (40 m/s). O consumo de energia pode ser de cerca de 1,5 kW. Embora a medição da temperatura instantânea e da pressão na extremidade de uma unidade de cisalhamento rotativa ou elemento rotativo em HSD 40 sejam dificeia, estima-se que a temperatura localizada atingida pelo fluido na extremidade excede 500°C e as pressões são superiores a 500 kg/cm2 em condições de cavitação. A mistura de alto cisalhamento resulta na dispersão do auxiliar de tratamento dispersivel em bolhas ou goticulas de micron ou submicron. Em alguns modelos de realização, a dispersão resultante tem bolhas ou goticulas de tamanho 36 ΡΕ2162399 médio inferior a cerca de 1,5μιη. Por conseguinte, a dispersão que sai de HSD 40 através da linha 18 compreende bolhas de gás ou goticulas de dimensão micrónica e/ou submicrónica. Em alguns modelos de realização, o tamanho médio das bolhas ou goticulas está na gama de cerca de 0,4pm até cerca de l,5pm. Em alguns modelos de realização, a dispersão resultante tem bolhas ou goticulas de tamanho médio inferior 1 μιη. Em alguns modelos de realização, o tamanho médio das bolhas ou goticulas é inferior a cerca de 400 nm, e pode ser de cerca de 100 nm em alguns casos. Em muitos modelos de realização, a dispersão é capaz de permanecer dispersa à pressão atmosférica durante pelo menos 15 minutos.

Uma vez dispersos, a resultante dispersão gás/liquido/sólido ou liquido/liquido/sólido sai de HSD 40 pela linha 18 e alimenta o reservatório 10, como ilustrado na Figura 1.

Oxidação Química. O sistema de alto cisalhamento 1 pode ser utilizado num processo de tratamento de águas residuais por oxidação com cloro. A oxidação química pode desinfectar ou estabilizar partículas sólidas na água e produzir uma água substancialmente livre de lamas. Nestas aplicações, o auxiliar de tratamento dispersível na linha 22 compreende cloro gasoso para a oxidação química das águas residuais e o produto de dispersão na linha 18 compreende cloro disperso numa fase aquosa contínua. Uma porção do gás dispersível na linha 22 pode compreender 37 ΡΕ2162399 cloro gasoso reciclado a partir de outras partes do sistema, por exemplo, removido do gás que sai do reservatório 10 pela linha de gás 17. A dispersão pode ser introduzida no reservatório 10. Como um resultado da mistura íntima dos reagentes antes de entrarem no reservatório 10, uma porção significativa da oxidação química pode ter lugar em HSD 40.

Introdução de gás dispersível compreendendo cloro na linha 22 naa água a ser tratada produz ácido hipocloroso, que produz oxigénio nascente e iões de hipoclorito. Partículas orgânicas sólidas na água são oxidadas e formadas minúsculas bolhas de gás, incluindo azoto e dióxido de carbono, que podem aderir às partículas. A reacção entre o cloro gasoso e os materiais das águas residuais produz ácido clorídrico e ácido hipocloroso. Na desejada gama (substancialmente neutra) do pH, pode ser formado mais ácido hipocloroso pelo cloro gasoso do que pelo ácido clorídrico. Embora o ácido clorídrico (HC1) não vá oxidar as partículas orgânicas sólidas, ele irá ajudar na desinfecção. O ácido hipocloroso (HOC1) bem como o ião hipoclorito, que também é formado por e com o HOC1, são oxidantes poderosos. O pH pode ser controlado de tal modo que uma quantidade suficiente de oxidantes fortes esteja presente, particularmente ácido hipocloroso, que é o oxidante presente mais poderoso. O pH da água residual pode ser alterado através de meios conhecidos dos técnicos especialistas. Por 38 ΡΕ2162399 exemplo, após o pré-tratamento 60, um tanque de retenção pode ser usado para ajustar o pH a um nível que está perto da neutralidade ácido-alcalina, isto é, na gama de pH de desde cerca de 6,5 a cerca de 7,5 ou mais preferivelmente na gama de pH de cerca de 6,8 a cerca de 7,0. As águas residuais estão tipicamente a um pH mais baixo do que isso, e, portanto, a adição de hidróxido de sódio, cal ou produto semelhante pode ser usada no sistema de alto cisalhamento 1 para aumentar o pH para o nível desejado. Inversamente, se o material residual é muito alcalino, o pH pode ser reduzido por adição de água a um pH mais baixo ou ácido. Em alguns modelos de realização, o material de ajuste de pH é adicionado ao sistema de alto cisalhamento 1 noutro local, por exemplo, através da linha de entrada 14 do reactor ou na linha 13. Um pré-tratamento de ajuste do pH da matéria prima introduzida através da linha 21 pode permitir a formação de maiores quantidades dos oxidantes mais eficazes, particularmente ácido hipocloroso. Isto pode ajudar na estabilização dos resíduos sólidos. A utilização de um nível de pH substancialmente neutro num sistema de alto cisalhamento 1 pode, assim, ser desejável para a eliminação de odores desagradáveis e resultam num maior grau de desinfecção e/ou estabilização das lamas resultantes. A utilização do dispositivo de alto cisalhamento 40 pode permitir a oxidação mais completa das partículas de resíduos sólidos ao melhorar o contacto dos contaminantes com o oxidante. Quando o processo é operado na gama desejada de pH acima mencionada, suficiente ácido 39 ΡΕ2162399 hipocloroso pode ser formado para desinfectar eficazmente os materiais sólidos, isto é, para destruir os agentes patogénicos (isto é, as bactérias e virus, etc) e para ainda eliminar o crescimento bacteriano.

Num modelo de realização, o material de águas residuais compreendendo partículas de sólidos orgânicos suspensas na água é tratado através da mistura da água de alimentação completamente com o cloro gasoso no dispositivo de alto cisalhamento 40. As reacções de oxidação entre o cloro e a água estabilizam e/ou desinfectam as partículas de sólidos residuais de outra forma putrescíveis e instáveis. O cloro gasoso pode ser introduzido na linha 13 ou directamente em HSD 40. A quantidade de cloro introduzido no sistema de alto cisalhamento 1 irá variar dependendo da natureza do material a ser tratado, do caudal, etc. A dosagem de cloro pode ser de 700-3.000 mg/L. A dispersão na linha 18 compreendendo cloro disperso numa fase continua da água a ser tratada pode ser introduzida no reservatório 10. Dentro do reservatório 10, as reacções de oxidação química continuam. O reservatório/reactor 10 pode ser operado no modo de fluxo contínuo ou semi-contínuo, ou pode ser operado no modo em lotes. O conteúdo do reservatório 10 pode ser mantido a uma temperatura de reacção especificada usando recursos de aquecimento e/ou arrefecimento (por exemplo, serpentinas de arrefecimento) e instrumentação de medição de temperatura. A pressão no reservatório pode ser monitorizada usando 40 ΡΕ2162399 instrumentação de medição de pressão adequada, e o nivel dos reagentes no reservatório pode ser controlado utilizando um regulador de nivel (não mostrado), empregando as técnicas que são conhecidas dos técnicos especialistas. O conteúdo pode ser agitado continuamente ou semi-continuamente com, por exemplo, um aparelho mecânico de mistura. O reservatório 10 pode ser operado à temperatura ambiente e à pressão atmosférica. Como mencionado acima, hidróxido de sódio ou outro alcalino pode ser introduzido através da linha de entrada 14 para elevar o pH quando o pH da água de alimentação na linha 25 está abaixo de um valor desejado. 0 gás produzido e o cloro gasoso não consumido podem sair do reservatório 10 através da linha de gás 17. Gás de tratamento que não reagiu pode ser removido pela linha 17 e reciclado para HSD 40 ou reservatório 10, se desejado. A temperatura e a pressão do sistema de alto cisalhamento 1 variam dependendo do fluxo de alimentação, do tipo de oxidante empregue, e da mistura atingida no dispositivo de alto cisalhamento 40. O reactor 10 pode ser operado sob pressão. Condições de temperatura, pressão, velocidade espacial e o rácio cloro gasoso que são semelhantes às usadas no tratamento convencional de água podem ser empregues. A titulo de exemplo, a oxidação quimica pode ser operada a uma pressão na gama de cerca de 200 kPa (30 psig) até cerca de 310 kPa (45 psig). Em modelos de realização, a oxidação quimica ocorre a uma pressão de cerca de 240 kPa (35 psig). Em modelos de 41 ΡΕ2162399 realização, a oxidação é realizada à temperatura ambiente ou próximo.

No modelo de realização da Figura 1, o produto sai do reservatório 10 pela linha 16. Em modelos de realização, o fluxo de produto na linha 16 compreende água e sólidos. O produto na linha 16 pode ser introduzido no separador 30. A água tratada é separada dos sólidos no separador 30. Em modelos de realização, os sólidos são floculados e flutuam como uma camada de lama acima da água e a água tratada é removida a partir da porção do fundo do separador 30. Em tais modelos de realização, a linha 35 pode introduzir um agente de floculação na linha 16 para melhorar a flotação dos sólidos acima da água tratada e a separação no separador 30. Noutros modelos de realização, o produto na linha 16 é introduzido no separador 30, deixam-se assentar os sólidos no fundo do separador 30, e a água tratada é removida através de uma linha 33 a partir da porção superior do separador 30. Em modelos de realização, a água tratada é adicionalmente processada, por exemplo o pH da água tratada pode ser ajustado. Uma porção da água tratada pode ser reciclada para HSD 40 através de, por exemplo, a linha 45. Tal reciclagem de água tratada pode ser usada para ajustar o pH da água na linha 21. Sólidos separados a partir da água tratada como lamas num separador 30 podem ser enviados para serem eliminados. O resultante material sólido residual tratado separado da água tratada no separador 30 pode ser pelo 42 ΡΕ2162399 menos cerca de 99% desinfectado, alternativamente 99,9%. A produção de odores desagradáveis pode ser minimizada e/ou as lamas separadas da água tratada podem ser suficientemente desinfectadas ou estabilizadas que podem ser usadas como material fertilizante ou podem ser aplicadas como cobertura do solo. 0 sistema e processo de de alto cisalhamento tratamento da água podem produzir lamas que são equivalentes ao que é chamado um "processo para reduzir ainda mais agentes patogénicos" (referido como PFRP, sendo PFRP as iniciais do termo inglês "Process to Further Reduce Pathogens"), no qual todas as bactérias e patogénicos no interior do material são substancialmente destruídas.

Operação de Passagem Múltipla. No modelo de realização mostrado na Figura 1, o sistema é configurado para uma operação de passagem única, em que a saida 16 do reservatório 10 vai directamente para tratamento posterior para recuperação da água tratada. Em alguns modelos de realização pode ser desejável passar o conteúdo do reservatório 10, ou uma fracção de liquido do mesmo, através de HSD 40 durante uma segunda passagem. Neste caso, a linha 16, a linha 33, ou a linha 36 podem ser ligadas à linha 21, por exemplo, através da linha 45, de tal forma que pelo menos uma porção do conteúdo da linha é reciclado a partir do reservatório 10 ou do separador 30 e bombada pela bomba 5 para a linha 13 e dai para HSD 40. Gás de tratamento adicional pode ser injectado através da linha 22 na linha 13, ou pode ser adicionado directamente para 43 ΡΕ2162399 dentro do dispositivo de alto cisalhamento (não mostrado).

Dispositivos múltiplos de mistura de alto cisalhamento. Em alguns modelos de realização, dois ou mais dispositivos de alto cisalhamento como HSD 40, ou configurados de maneira diferente, são alinhados em série, e são usados para melhorar ainda mais o tratamento da água. A operação de múltiplos HSDs pode ser em modo de lotes ou em modo continuo. Em alguns casos em que é desejado um processo de uma única passagem ou "uma só vez através" (em inglês "once through"), a utilização de vários dispositivos de alto cisalhamento em série pode também ser vantajosa. Em alguns modelos de realização em que os vários dispositivos de alto cisalhamento são operados em série, o reservatório 10 pode ser omitido. Por exemplo, em modelos de realização, a sarda da dispersão na linha 18 pode ser alimentada a um segundo dispositivo de alto cisalhamento e, subsequentemente, a qualquer número de dispositivos adicionais de alto cisalhamento ou ao separador 30 ou a uma lagoa de aeração ou tanque. Quando vários dispositivos de alto cisalhamento 40 são operados em série, o gás de tratamento adicional pode ser injectado na entrada do fluxo de alimentação de cada dispositivo. Em alguns modelos de realização, os múltiplos dispositivos de alto cisalhamento 40 são operados em paralelo, e a saida das respectivas dispersões são introduzidas em um ou mais reservatórios 10. Noutros modelos de realização, múltiplos dispositivos de alto cisalhamento 40 são operados em paralelo e as sardas das respectivas dispersões são introduzidas em um ou mais 44 ΡΕ2162399 separadores 30, lagoas de aeração ou tanques.

Características. Sem querer ser limitado a uma teoria particular, acredita-se que o nivel ou grau de da mistura de alto cisalhamento é suficiente para aumentar as taxas de transferência de massa e também produz condições localizadas não ideais que permitem que ocorra a reacção/interacção que de outra forma pode ser eperado que não ocorra com base em predições de energia livre de Gibbs. Acredita-se que condições localizadas não ideais ocorrem dentro do dispositivo de alto cisalhamento resultando em elevadas temperaturas e pressões, acredita-se que o aumento mais significativo seja nas pressões localizadas. Os aumentos das pressões e das temperaturas no interior do dispositivo de alto cisalhamento são instantâneos e localizados e revertem rapidamente de volta às condições médias ou de massa do sistema uma vez que saiam do dispositivo de alto cisalhamento. Em alguns casos, o dispositivo de mistura de alto cisalhamento induz cavitação de intensidade suficiente para dissociar um ou mais dos reagentes em radicais livres, o que pode intensificar uma reacção/interacção quimica ou permitir que uma reacção tenha lugar em condições menos rigorosas do que de outro modo poderia ser exigida. A cavitação também pode aumentar as taxas dos processos de transporte através da produção de turbulência local e de micro- circulação de liquido(fluxo acústico). Uma visão geral da aplicação do fenómeno da cavitação em apliações de processamento quimico/fisico é proporcionada por Gogate e outros, 45 ΡΕ2162399 "Cavitation: A technology on the horizon,". Current Science 91 (No. 1): 35-46 (2006). O dispositivo de mistura de alto cisalhamento de certos modelos de realização do presente sistema e processos induz a cavitação pelo que auxilares de tratamento e contaminantes são dissociados em radicais livres, os quais, em seguida, interagem.

Os actuais processos para tratamento de água incorporam um dispositivo mecânico de alto cisalhamento para proporcionar rápido contacto e rápida mistura de ingredientes químicos num ambiente controlado no reactor/dispositivo de alto cisalhamento. O dispositivo de alto cisalhamento reduz as limitações de transferência de massa na reacção/interacção e, portanto, aumenta a velocidade global da reacção/interacção, e pode permitir reacção substancial em condições de funcionamento globais sob as quais a reacção substancial não é susceptível de ocorrer.

Em modelos de realização, a utilização do processo divulgado compreendendo a mistura através de um dispositivo externo de alto cisalhamento 40 permite um aumento na produção (maior rendimento) em relação a um processo operado sem dispositivo de alto cisalhamento 40. Em modelos de realização, o consumo de gás de tratamento (cloro) e/ou floculante líquido é reduzido quando comparado com o tratamento de água na ausência do dispositivo externo de alto cisalhamento 40. 46 ΡΕ2162399

Em modelos de realização, o processo da presente divulgação permite o desenho de um processo de menor e/ou menos capital intensivo permitindo a selecção de um reactor 10 (e/ou tanque 30) que tem um volume reduzido do que anteriormente possível sem a incorporação de um dispositivo externo de alto cisalhamento 40. Em modelos de realização, o processo divulgado reduz os custos de operação e aumenta a produção a partir de um processo existente. Alternativamente, o processo divulgado pode reduzir os custos de capital para a concepção de novos processos.

Benefícios potenciais do sistema de alto cisalhamento incluem, mas não estão limitados a, tempos de ciclo mais rápidos, maior rendimento, custos de exploração reduzidos e/ou gastos de capital reduzidos devido à possibilidade de desenhar reservatórios mais pequenos. Em modelos de realização, o processo da presente divulgação proporciona um nível mais elevado de remoção de contaminantes durante o tratamento da água do que os processos convencionais de tratamento de água compreendendo uma ausência da mistura externa de alto cisalhamento. Em modelos de realização, o grau de mistura no dispositivo externo de alto cisalhamento 40 é variado para atingir um grau desejado de remoção de um contaminante específico. Em modelos de realização, o processo de tratamento de alto cisalhamento da água da presente divulgação reduz o uso de gás de tratamento (por exemplo, cloro, oxigénio, ar) . Em modelos de realização, o uso do presente processo para o tratamento de água torna 47 ΡΕ2162399 economicamente viável a utilização de quantidades reduzidas de cloro, através do aumento da taxa de oxidação de contaminantes, etc.

Lisboa, 2 de Novembro de 2012

Claims

ΡΕ2162399 1 REIVINDICAÇÕES 1. Um processo para remover contaminantes de uma água de alimentação, o processo compreende: submeter uma mistura fluida compreendendo gás de tratamento e a água de alimentação a uma taxa de cisalhamento superior a 20000 s_1 num dispositivo de alto cisalhamento para produzir uma dispersão do gás de tratamento numa fase continua da água de alimentação, em que o gás de tratamento é o cloro.
2. O processo da reivindicação 1 compreende ainda: introduzir a dispersão num recipiente a partir do qual um produto aquoso é removido; e separar partículas a partir do produto aquoso.
3. O processo da reivindicação 2 em que os contaminantes compreendem matéria orgânica dissolvida, em que o gás de tratamento compreende ar ou oxigénio, em que o reservatório é um reservatório de aeração que compreende microrganismos que consomem matéria orgânica, e em que as partículas separadas a partir do produto aquoso compreendem microrganismos.
4. O processoda reivindicação 3 compreende ainda a reciclagem de pelo menos uma porção das partículas para o reservatório de aeração. 2 ΡΕ2162399 5. 0 processo da reivindicação 1 em que o dispositivo de alto cisalhamento compreende um rotor e um estator de forma complementar separados por um intervalo de cisalhamento fixo tendo uma largura de intervalo fixa na gama de 0,025 mm a 10,0 mm. Lisboa, 2 de Novembro de 2012