Trattamento delle acque reflue industriali mediante evaporazione sotto vuoto

Definizione

La distillazione termica consiste nella separazione di due o più liquidi che si trovano miscelati o di un soluto e il suo solvente, mediante l’applicazione dell’energia sufficiente a provocare l’ebollizione.

Con questa ebollizione, i componenti più volatili di tale miscela passano allo stato gassoso e possono essere successivamente condensati separatamente dalla miscela iniziale.

L’obiettivo abituale della separazione termica è l’eliminazione delle impurità disciolte nell’acqua che ne impediscono il riutilizzo o il rilascio in un ambiente naturale.

La separazione per evaporazione è stata utilizzata ampiamente nel tempo ed è evoluta in diverse tecniche con caratteristiche particolari e applicazioni differenti, come il trattamento delle acque, il trattamento delle acque reflue, il recupero di soluti o la purificazione di liquidi, tra gli altri.

In questo articolo ci concentreremo sull’analisi della evaporazione a vuoto come processo per il trattamento delle acque reflue industriali.

Principi base di funzionamento dell’evaporazione a vuoto

Per ottenere il cambiamento di stato che permette la separazione del soluto e del solvente, deve essere fornito calore alla miscela affinché la parte liquida evapori e si separi dalla parte solida. Tale calore può essere generato in vari modi:

• In modo diretto mediante riscaldamento di un recipiente contenente il campione.
• In modo indiretto utilizzando vapore acqueo come agente trasmettitore del calore: evaporazione a vuoto

Nel caso dell’evaporazione a vuoto, si utilizza una caldaia dove si riscalda l’acqua fino a farla evaporare. Il vapore viene condotto in una camera dove il calore viene trasmesso alla miscela da separare.

D’altra parte, per facilitare l’evaporazione del solvente si possono utilizzare sistemi generanti il vuoto, in modo da sottoporre la miscela da separare a pressioni inferiori a quella atmosferica. Ciò permette di abbassare la temperatura di ebollizione dei liquidi e aumentare l’efficienza del fenomeno di trasferimento del calore nel sistema.

Nel progettare l’utilizzo di un processo termico di separazione per l’applicazione su una specifica miscela liquida, devono essere considerati i seguenti punti:

• La termosensibilità della soluzione.
• La potenziale corrosione dei materiali.
• La concentrazione e altre caratteristiche fisiche.
• La potenziale formazione di incrostazioni.

Per quanto riguarda la termosensibilità della soluzione, è importante lavorare a bassa temperatura nei casi in cui le proprietà della soluzione possano essere alterate dal calore.

Questo è molto frequente negli elementi proteici, che possono denaturarsi con l’aumento della temperatura. La separazione per volatilizzazione del solvente per concentrare il soluto permette l’applicazione del vuoto per abbassare la temperatura di volatilizzazione del solvente ed eliminare il rischio di alterazione delle proprietà della soluzione alimentare.

La corrosione dei materiali che costituiscono l’evaporatore può verificarsi se il liquido alimentare è considerevolmente aggressivo rispetto ai materiali con cui è costruito l’evaporatore. Attualmente tutti gli evaporatori sono costruiti in acciaio inox, grafite, nichel, rame e alcune leghe ad alta resistenza alla corrosione, per cui lo spettro di soluzioni potenzialmente trattabili tramite separazione termica è molto ampio.

Vantaggi dell’evaporazione a vuoto

La separazione mediante evaporazione a vuoto ha la funzione di dividere l’acqua in ingresso in due parti: una parte con acqua a bassa concentrazione di contaminanti in soluzione e un’altra parte con un condensato liquido ad alto contenuto degli stessi contaminanti.

Per questo l’acqua viene trasformata in vapore, separandola in quel momento dai materiali contaminanti disciolti, e il vapore viene trasportato in una camera dove viene raffreddato per riconcentrare l’acqua ormai libera da contaminanti.

Pertanto, questa procedura è una delle più efficienti per il trattamento degli effluenti industriali, poiché permette di separare con grande efficacia i contaminanti presenti nell’acqua basandosi sulla volatilità relativamente bassa dei sali rispetto all’acqua. Grazie all’evaporazione si possono eliminare sostanze come i solidi disciolti, anche se non si separano quei composti che hanno un punto di ebollizione simile o vicino a quello dell’acqua, come potrebbe essere l’alcol.

Si tratta di una tecnologia indispensabile per le aziende che vogliono implementare un sistema di scarico zero.

Dopo un processo di evaporazione si ottengono percentuali altissime di acqua distillata (95%) e una quantità molto piccola di rifiuto (5%) da gestire. Questo rifiuto è così ridotto grazie all’elevata concentrazione di residui ottenuta nel processo. Grazie a ciò, le industrie che devono trattare portate medie e grandi possono beneficiare di importanti risparmi, poiché il volume di rifiuti da smaltire si riduce considerevolmente.

È anche una tecnologia molto adatta per la produzione di acqua di alta qualità che numerose industrie necessitano per i loro processi produttivi.

Vantaggi degli evaporatori a vuoto:

• Alta qualità del distillato.
• È possibile recuperare fino al 97% di acqua pulita.
• Permette il riutilizzo delle acque trattate.
• Può trattare gli effluenti più complessi.
• Basso consumo di elettricità.
• Design flessibile e compatto delle macchine.
• È una tecnologia di facile utilizzo e richiede poca manutenzione.
• Alta riduzione e concentrazione dei residui liquidi.

Un altro aspetto rilevante degli evaporatori a vuoto è la loro versatilità e il gran numero di occasioni in cui possono essere applicati (sempre che i risultati giustifichino l’investimento necessario per la loro installazione, poiché non sono la tecnologia più economica). Gli evaporatori a vuoto sono particolarmente adatti per la separazione e il trattamento di:

• Idrocarburi disciolti in acque contaminate.
• Emulsioni oleose.
• Trattamento di percolati.
• Acque di risciacquo della metallizzazione galvanica.
• Acque di sgrassaggio.
• Acque con alto contenuto di sostanze oleose.
• Acque con alto contenuto di metalli pesanti.
• Acque con alto contenuto di sali disciolti.

È comune completare un processo di evaporazione a vuoto con altre tecnologie di trattamento delle acque reflue, che possono essere applicate precedentemente (membrane, processi fisico-chimici, ecc.), sottoponendo l’effluente a un pretrattamento che faciliti il processo di evaporazione, o successivamente se si vuole ottenere un concentrato ancora maggiore. In questo secondo caso, la tecnologia più adatta sono i cristallizzatori, che possono essere utilizzati in due modi:

1. Cristallizzatore usato come fase finale dopo un processo di evaporazione classico.
2. Evaporatore e cristallizzatore integrati in un’unica unità che combina entrambi i processi. Questa soluzione è adatta per portate piccole e difficili da trattare.

A seconda della composizione delle acque reflue da trattare, un processo di evapo-cristallizzazione permette di separare i componenti e recuperare prodotti secondari, che possono essere riutilizzati o venduti. Così avviene con l’olio delle acque oleose, che può essere venduto come prodotto secondario con un contenuto d’acqua inferiore al 5%, o con il recupero di idrossido di alluminio, che può essere utilizzato successivamente come prodotto chimico, per citare alcuni esempi.

Tipi di processi di evaporazione a vuoto

I diversi tipi di evaporazione a vuoto che possiamo trovare sono:

Evaporazione Multistadio

È molto utilizzata in ambito industriale e consiste nel riscaldare il liquido alimentare in un recipiente e subito dopo condurre l’acqua attraverso un sistema di tubazioni di riscaldamento in cui parte dell’acqua passa a vapore. Successivamente passa in un altro recipiente in cui la pressione e la temperatura sono tali che una parte dell’acqua calda passa improvvisamente a vapore lasciando in forma liquida un residuo concentrato che alimenta la fase successiva.

Dopodiché il vapore viene raffreddato fino a liquefarsi nuovamente e quindi raccolto privo di impurità. Il processo si ripete in un’altra fase. Dopo un certo numero di fasi, si ottiene acqua che è stata distillata ripetutamente in modo molto rapido e che, per questo, contiene pochissimi contaminanti disciolti.

Questo tipo di evaporazione opera a temperature tra 90º e 120º.

Evaporazione a effetti multipli

Consiste nel riscaldare l’acqua alimentare sfruttando il calore residuo di acque già trattate e condurla a una serie di serbatoi in cui arriva calda ma ancora in stato liquido. In questi serbatoi l’acqua viene distribuita in film sottili per facilitare l’evaporazione riducendo la pressione. Il fenomeno di riduzione progressiva della pressione permette all’acqua alimentare di subire processi di liquefazione ed evaporazione continuamente senza dover aggiungere calore al sistema.

Questi processi lavorano a temperature intorno ai 70º.

Evaporazione per compressione del vapore

Consiste nell’evaporazione dell’acqua fornendo calore derivante dalla compressione del vapore, invece di trasmettere il calore tramite contatto diretto con un corpo solido caldo. Questo tipo di impianti è progettato per funzionare riducendo il punto di ebollizione dell’acqua mediante diminuzione della pressione.

Il compressore crea il vuoto a un’estremità di un recipiente da cui estrae il vapore acqueo formato, ma dall’altra estremità comprime tale vapore e lo condensa all’interno di tubi. L’acqua cade su questi tubi caldi e evapora. Successivamente, mediante compressione del vapore e contatto di questo con l’acqua alimentare, si ottiene l’evaporazione dell’acqua e l’eliminazione dei sali in una salamoia molto concentrata.