Tractament d’aigües residuals industrials mitjançant evaporació al buit

Definició

La destil·lació tèrmica consisteix en la separació de dos o més líquids que es troben barrejats o d’un solut i el seu dissolvent, mitjançant l’aplicació de l’energia suficient per provocar l’ebullició.

Amb aquesta ebullició, els components més volàtils d’aquesta barreja passen a estat gasós i poden ser posteriorment condensats a part de la barreja inicial.

L’objectiu habitual de la separació tèrmica és l’eliminació d’impureses que es troben dissoltes a l’aigua i que fan que aquesta no pugui ser reaprofitada o retornada a un medi natural.

La separació per evaporació s’ha utilitzat de manera molt extensa al llarg del temps i ha evolucionat en diferents tècniques que tenen característiques particulars i diferents aplicacions, com són el tractament d’aigües, tractament d’aigües residuals, la recuperació de soluts, o la purificació de líquids, entre altres.

En aquest article ens centrarem en analitzar l’evaporació al buit com a procés per al tractament d’aigües residuals industrials.

Principis bàsics de funcionament de l’evaporació al buit

Per aconseguir el canvi d’estat que permet la separació del solut i el dissolvent, cal subministrar calor a la barreja perquè la part líquida s’evapori i es separi de la part sòlida. Aquesta calor pot ser generada de diverses maneres:

• De forma directa mitjançant escalfament d’un recipient que conté la mostra.
• De forma indirecta emprant vapor d’aigua com a agent transmissor de la calor: evaporació al buit

En el cas de l’evaporació al buit, s’utilitza una caldera on s’escalfa aigua fins que s’evapora. Aquest vapor es condueix fins a una cambra on es transmetrà aquesta calor a la barreja que es desitja separar.

D’altra banda, per facilitar l’evaporació del dissolvent es poden emprar sistemes generadors de buit, de manera que es sotmeti la barreja que es desitja separar a pressions inferiors a l’atmosfèrica. Amb això, s’aconsegueix disminuir la temperatura d’ebullició dels líquids i també augmentar l’eficiència del fenomen de transferència de calor en el sistema.

En plantejar la utilització d’un procés tèrmic de separació per a la seva aplicació sobre una barreja líquida concreta, cal considerar els següents punts:

• La termosensibilitat de la dissolució.
• La potencial corrosió als materials.
• La concentració i altres característiques físiques.
• La potencial aparició d’incrustacions.

Pel que fa a la termosensibilitat de la dissolució, és destacable la importància que té treballar a baixa temperatura en aquells casos en què les propietats d’aquesta dissolució puguin veure’s alterades amb la temperatura.

Això és molt freqüent en els elements proteics, que poden desnaturalitzar-se amb l’augment de temperatura. La separació per volatilització del dissolvent per concentrar el solut permet l’aplicació de buit per disminuir així la temperatura de volatilització del dissolvent i eliminar el risc d’alteració de les propietats de la dissolució aliment.

La corrosió dels materials que conformen l’evaporador pot aparèixer si el líquid aliment és considerablement agressiu respecte als materials amb què s’ha construït l’evaporador. Actualment tots els evaporadors es construeixen ja amb acer inoxidable, grafit, níquel, coure i algunes aliatges d’especial resistència a la corrosió, per la qual cosa l’espectre de dissolucions potencialment tractables per separació tèrmica és molt ampli.

Avantatges de l’evaporació al buit

La separació mitjançant evaporació al buit té la funció de separar l’aigua entrant en dues parts: una part amb una aigua amb baixa concentració de contaminants en dissolució i una altra part amb un condensat líquid amb un elevat contingut dels mateixos contaminants.

Per això l’aigua es transforma en vapor, separant-la en aquest moment dels materials contaminants que es troben dissolts en ella, i es transporta aquest vapor a una cambra on es refreda per tornar a concentrar l’aigua ja lliure de contaminants.

Així doncs, aquest procediment és un dels més eficients per al tractament d’efluents industrials, ja que permet separar amb gran eficàcia els contaminants que es troben a l’aigua basant-se en la relativament baixa volatilitat de les sals respecte a l’aigua. Gràcies a l’evaporació es poden eliminar substàncies com els sòlids dissolts, encara que no separar aquells compostos que tinguin un punt d’ebullició similar o proper al de l’aigua, com podria ser l’alcohol.

Es tracta d’una tecnologia indispensable per a aquelles empreses que vulguin implantar un sistema de vessament zero.

Després d’un procés d’evaporació s’obtenen elevadíssims percentatges d’aigua destil·lada (95%) i una quantitat molt petita de rebuig (5%) per ser gestionat. Aquest rebuig és tan petit a causa de l’elevada concentració de residus que s’aconsegueix en el procés. Gràcies a això, les indústries que han de tractar cabals mitjans i grans poden beneficiar-se d’importants estalvis, ja que el volum de residus que s’han d’enviar a gestionar es redueix considerablement.

També és una tecnologia molt adequada per a la producció de l’aigua d’alta qualitat que nombroses indústries necessiten per incorporar als seus processos productius.

Avantatges dels evaporadors al buit:

• Alta qualitat del destil·lat.
• És possible recuperar fins a un 97% d’aigua neta.
• Permet la reutilització de les aigües tractades.
• Pot tractar els efluents més complexos.
• Baix consum d’electricitat.
• Disseny flexible i compacte de les màquines.
• És una tecnologia de fàcil ús i requereix poc manteniment.
• Alta reducció i concentració dels residus líquids.

Un altre aspecte destacable dels evaporadors al buit és la seva versatilitat i el gran nombre d’ocasions en què poden ser aplicats (sempre que els resultats justifiquin la inversió necessària per a la seva instal·lació, ja que no són la tecnologia més econòmica). Els evaporadors al buit són especialment adequats per a la separació i el tractament de:

• Hidrocarburs dissolts en aigües contaminades.
• Emulsions oleoses.
• Tractament de lixiviats.
• Aigües d’esbandida de metal·lització galvànica.
• Aigües de desgreixat.
• Aigües amb alt contingut de substàncies oleoses.
• Aigües amb alt contingut de metalls pesants.
• Aigües amb alt contingut de sals dissoltes.

És habitual completar un procés d’evaporació al buit amb altres tecnologies de tractament d’aigües residuals, que es poden aplicar anteriorment (membranes, processos fisicoquímics, etc.), sotmetent l’efluent a un pretractament que faciliti el procés d’evaporació, o posteriorment si es vol obtenir un concentrat encara més gran. En aquest segon cas, la tecnologia més adequada són els cristal·litzadors, que poden ser utilitzats de dues maneres:

1. Cristal·litzador usat com una etapa final després d’un procés d’evaporació clàssic.
2. Evaporador i cristal·litzador integrats en una única unitat que combina ambdós processos. Aquesta solució és adequada per a cabals petits i difícils de tractar.

Depenent de quina sigui la composició de les aigües residuals a tractar, un procés d’evapo-cristal·lització permet separar-ne els components i recuperar productes secundaris, que poden ser reutilitzats o venuts. Així succeeix amb l’oli d’aigües oleoses, que es pot vendre com un producte secundari amb un contingut d’aigua inferior al 5%, o amb la recuperació d’hidròxid d’alumini, que pot utilitzar-se posteriorment com a producte químic, per citar alguns exemples.

Tipus de processos d’evaporació al buit

Els diferents tipus d’evaporació al buit que podem trobar són:

Evaporació Multietapa

És molt utilitzada en l’àmbit industrial i consisteix a escalfar el líquid aliment en un recipient i tot seguit conduir l’aigua per un sistema de canonades d’escalfament en què part de l’aigua passa a ser vapor. Després passa a un altre recipient en el qual la pressió i temperatura són tals que una part de l’aigua calenta passa sobtadament a vapor deixant en forma líquida un remanent concentrat que passa a alimentar l’etapa següent.

Després d’això es deixa refredar el vapor fins que torna a licuar-se i aleshores es recull lliure d’impureses. A continuació, es repeteix el procés en una altra etapa. Després d’una sèrie determinada d’etapes, s’aconsegueix aigua que s’ha destil·lat repetidament de manera molt ràpida i que, per això, conté molt poca quantitat de contaminants dissolts.

Aquest tipus d’evaporació opera a temperatures entre 90º i 120º.

Evaporació per efectes múltiples

Consisteix a escalfar l’aigua aliment mitjançant l’aprofitament de la calor residual d’aigües ja tractades i conduir-la fins a una sèrie de tancs als quals arriba calenta però encara en estat líquid. En aquests tancs l’aigua es distribueix en pel·lícules fines per tal de facilitar l’evaporació a base de reduir la pressió. El fenomen de reducció progressiva de la pressió permet que l’aigua aliment pateixi processos de licuació i evaporació contínuament sense necessitat d’anar afegint calor al sistema.

Aquests processos treballen a temperatures entorn dels 70º.

Evaporació per compressió de vapor

Consisteix en l’evaporació de l’aigua a base de subministrar-li calor procedent de la compressió de vapor, en comptes de transmetre la calor mitjançant contacte directe amb un cos sòlid calent. Aquest tipus d’instal·lacions es dissenyen perquè funcionin reduint el punt d’ebullició de l’aigua mitjançant disminució de la pressió.

El compressor crea buit en un extrem d’un recipient per on extreu el vapor d’aigua format, però per l’altre extrem comprimeix aquest vapor format i el condensa a l’interior d’uns tubs. L’aigua cau sobre aquests tubs calents i s’evapora. Posteriorment, mitjançant compressió del vapor i posada en contacte d’aquest amb l’aigua aliment, s’aconsegueix l’evaporació de l’aigua i l’eliminació de les sals en una salmorra molt concentrada.