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Emulsioni: acque reflue con oli

Un’emulsione è una miscela di liquidi immiscibili. È una sospensione di piccole gocce di un liquido disperse in un altro liquido. Le emulsioni si differenziano da altri colloidi perché sono sempre composte da fasi liquide.

Le emulsioni si classificano in base alla dimensione delle gocce disperse come segue:

Emulsione Dimensione della goccia
Macroemulsione 0,2 – 50 mm
Microemulsione 0,01 – 0,2 mm

Ci sono tre requisiti imprescindibili per formare un’emulsione:

  • Due liquidi immiscibili
  • Agitazione sufficiente per disperdere il liquido in piccole gocce.
  • Un emulsionante per stabilizzare la dispersione.

Esistono composti, come i tensioattivi, che sono emulsionanti (o emulgenti), cioè mantengono miscelate due sostanze immiscibili.

Come si formano le emulsioni oleose?

Nel caso di acqua e olio, le emulsioni sono causate dall’agitazione nella miscela poiché l’olio si rompe nel liquido e si disperde sotto forma di piccole gocce.

La tensione interfacciale favorisce il fenomeno di coalescenza nelle gocce disperse, riducendo così la loro area totale.

In base alla loro combinazione, le emulsioni si classificano in:

  • Emulsioni dirette. Emulsioni che combinano una fase dispersa lipofila (attratta dai grassi) e una fase continua idrofila (attratta dall’acqua).
  • Emulsioni inverse. Emulsioni che combinano una fase dispersa idrofila e una fase continua lipofila, cioè l’opposto delle dirette.
  • Emulsioni multiple. Emulsioni che presentano come fase dispersa un’emulsione inversa e come fase continua un liquido acquoso.

Le due fasi che compongono un’emulsione sono sempre distinte e si classificano in:

  • Fase continua. La fase predominante rispetto all’altra, cioè quella all’interno della quale si disperde uno dei liquidi che compongono l’emulsione. È anche chiamata “fase disperdente”. Nel caso delle emulsioni oleose, la fase continua è l’acqua.
  • Fase dispersa. La fase minoritaria rispetto all’altra, cioè quella che si disperde all’interno della fase disperdente. In questo caso l’olio.

Acque reflue con presenza di oli emulsionati

In applicazioni industriali, si generano emulsioni oleose in situazioni come:

  • Acque contaminate da idrocarburi.
  • Acqua iniettata in pozzi di perforazione per spostare l’olio.
  • Lubrificanti nei processi di lavorazione meccanica per ridurre l’usura dei pezzi metallici.
  • Acque di risciacquo in processi galvanici e di trattamento delle superfici.

Esiste una vasta gamma di attività e processi industriali che producono acque reflue oleose.

  • Estrazioni petrolifere
  • Raffinerie
  • Attività minerarie
  • Effluenti di sentina e acqua di zavorra di imbarcazioni
  • Stazioni di manutenzione di aeromobili e veicoli
  • Perdite da processi con oli
  • Deflussi di acque piovane
  • Officine meccaniche
  • Processi di carne e allevamenti avicoli
  • Processi di pesce
  • Processi lattiero-caseari
  • Produzione di vernici
  • Produzione di saponi e detergenti
  • Industrie tessili
  • Industrie chimiche

Problemi delle acque reflue oleose

Gli effluenti oleosi possono avere un impatto significativo sull’ambiente, quindi è cruciale gestirli adeguatamente per proteggere sia la nostra salute che gli ecosistemi acquatici.

Ecco alcuni pericoli di una gestione scorretta delle acque reflue oleose:

Inquinamento dell’acqua

Quando oli e grassi vengono scaricati in punti come fiumi, laghi o mari, contaminano l’acqua. Questo può danneggiare la vita acquatica e influenzare le specie che dipendono da questi ecosistemi.

Alterazione dell’equilibrio ecologico

Gli effluenti oleosi alterano l’equilibrio naturale degli ecosistemi acquatici. Ciò influisce sugli organismi che vivono nell’acqua, come pesci, uccelli e piante acquatiche.

Inoltre, l’accumulo di oli sulla superficie dell’acqua può ostacolare l’ossigenazione e l’ingresso della luce solare, influenzando la fotosintesi e la catena alimentare.

Malattie e tossicità

Oli e grassi possono contenere sostanze tossiche, come metalli pesanti o prodotti chimici. Questi contaminanti possono essere assorbiti dagli organismi acquatici e, in ultima analisi, influenzare gli esseri umani che li consumano.

Inoltre, la tossicità favorisce l’insorgere di malattie negli organismi.

Impatto sulla biodiversità

L’inquinamento da oli può ridurre la biodiversità negli ecosistemi acquatici. Alcune specie potrebbero non sopravvivere o abbandonare l’area a causa della presenza di oli. Ciò influisce sulla diversità e sulla stabilità dell’ecosistema.

Acidificazione e cambiamento climatico

Gli effluenti oleosi spesso contengono gas serra, contribuendo al cambiamento climatico. Inoltre, possono aumentare l’acidificazione degli oceani, influenzando coralli e altri organismi marini.

Tecnologie per il trattamento delle acque reflue con oli

Con questo tipo di effluenti, sia che si desideri scaricarli nella rete pubblica fognaria sia che si intenda riutilizzare l’acqua, sarà necessario un sistema efficiente di trattamento delle emulsioni oleose.

Questi impianti di trattamento delle acque reflue oleose solitamente combinano diverse tecnologie, il cui design e selezione dipenderanno da vari fattori come la composizione dell’acqua reflua o gli obiettivi del cliente.

Le tecnologie più efficienti per la separazione dell’acqua dall’olio sono le seguenti:

Flottazione ad aria disciolta (DAF)

Questa tecnica permette di separare gli oli emulsionati nell’acqua. Per farlo, si preleva parte dell’effluente trattato e lo si pressurizza in un serbatoio con aria, per poi rilasciarla con un sistema di manifold, generando microbolle di dimensioni dell’ordine di 50 μm. Queste bolle si aderiscono alle particelle in sospensione e ne fanno perdere peso apparente facendole galleggiare, sfruttando anche il fenomeno della coalescenza.

Prima di trattare lo scarico mediante flottazione, devono essere destabilizzati i colloidi che costituiscono l’emulsione. Per questo si aggiungono reagenti coagulanti, come solfato di alluminio o cloruro ferrico, che neutralizzano le cariche dei colloidi e facilitano la formazione di piccoli fiocchi o coaguli.

Dopo la coagulazione si procede alla flocculazione mediante l’aggiunta di un reagente flocculante, che solitamente sono polimeri a catena lunga (polielettroliti). I fiocchi ottenuti hanno una dimensione e densità che permettono la loro separazione tramite flottazione DAF. Perché questi processi si sviluppino adeguatamente, è necessario che avvengano in serbatoi che facilitino il contatto e il regime di agitazione adeguati, oppure in un flocculatore che fornisca il regime turbolento e il tempo di contatto necessari per garantire l’efficienza.

Evaporazione sotto vuoto

Il processo di evaporazione è l’unico che permette di separare l’olio dall’acqua senza la necessità di pretrattare l’effluente e senza richiedere ulteriori processi successivi, poiché l’acqua prodotta dagli evaporatori sotto vuoto è di elevata qualità e può essere riutilizzata direttamente.

Per quanto riguarda i residui, a differenza di altri sistemi, come quelli di separazione a membrana, non si genera alcun altro effluente residuo dopo il processo di evaporazione. Si ottiene un residuo semisolido che, per la sua composizione, può essere valorizzato in altri processi.

Un altro grande vantaggio dell’evaporazione sotto vuoto per il trattamento delle acque reflue oleose è la sua elevata capacità di adattamento alle caratteristiche variabili dell’effluente da trattare, il che la rende un’alternativa robusta ed efficace. Inoltre, operando in condizioni di vuoto, il consumo energetico è contenuto, ottenendo un’elevata efficienza energetica.

Sono apparecchiature compatte e, in generale, non richiedono uno spazio fisico importante per l’installazione. Il loro utilizzo è semplice e può essere automatizzato. Senza dubbio, è la migliore alternativa per il trattamento degli effluenti oleosi.

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Trattamento biologico

L’eliminazione di oli e grassi mediante degradazione biologica presenta una serie di difficoltà che complicano il processo, sia in condizioni aerobiche che anaerobiche.

In primo luogo, olio e grassi non hanno una composizione che permetta la loro biodegradazione se non vengono dosati preventivamente prodotti chimici o miscelati con altri rifiuti, in modo che i microrganismi ottengano tutti i nutrienti necessari per la loro crescita.

In secondo luogo, il processo biologico non tollera bene fluttuazioni nel flusso o nel carico in ingresso. Inoltre, in un processo aerobico, la biodegradazione di oli e grassi comporta un grande consumo di ossigeno, il che richiede un elevato apporto energetico e costi operativi elevati. Infine, per la sua complessità, il funzionamento di questo processo necessita di operatori qualificati.

Separatori per coalescenza

Nel processo di coalescenza, la separazione di un’emulsione in due fasi immiscibili avviene in tre fasi: raccolta, coalescenza e separazione per gravità. L’introduzione del mezzo coalescente avviene con lo scopo di migliorare i processi di raccolta e coalescenza.

La capillarità e le caratteristiche umide del mezzo contribuiscono alla coalescenza goccia a goccia che avviene una volta raccolto il trascinamento in un luogo di destinazione.

La separazione per gravità che avviene a valle del mezzo coalescente dipende soprattutto dalla geometria del vaso e dal tempo di “avvio” e di residenza della fase dispersa.

Un coalescitore a piastre si usa nella sezione liquida di un separatore o depuratore per ottimizzare il grado di separazione liquido-liquido. Il flusso attraverso gli spazi stretti tra le piastre è laminare, e le goccioline si separano perché la distanza che le fasi disperse devono percorrere fino all’interfaccia si riduce molto.

Le piastre sono raggruppate in un piccolo compartimento che si inserisce nel percorso principale. Il principio operativo dei separatori a piastre parallele si basa sulla differenza di densità tra le fasi di olio e acqua: le gocce di olio nella fase acquosa salgono fino all’interfaccia olio/acqua e le gocce d’acqua nella fase oleosa rimangono.

Per dispersioni fino a 50-100 micrometri, si può ottenere una separazione efficiente con questa tecnica, ed è il design di apparecchiatura adatto in contesti con potenziale presenza di solidi o liquidi catramosi. Separazione olio/acqua ed eliminazione di nebbie di diesel e cherosene. La sua efficienza nella riduzione degli oli non è molto elevata, ma in determinati settori ha applicazione (stazioni di servizio, deflussi, separazioni preliminari… ecc.).

Membrane vibratorie (VSEP)

L’utilizzo di membrane filtranti permette la produzione di acqua di alta qualità a partire da qualsiasi emulsione di olio in acqua.

Tuttavia, la filtrazione mediante membrane ha un punto debole che è il loro intasamento, difficilmente reversibile, dovuto alla formazione di uno strato di sporco che può essere formato da biofilm, materia organica, depositi inorganici o di natura colloidale, ecc. Questo strato si accumula sulle membrane durante il processo di filtrazione e diminuisce l’efficienza di trattamento delle membrane.

Per ovviare a questo problema sono state sviluppate le membrane vibratorie VSEP. Si tratta di una tecnologia alternativa, che pulisce le membrane mediante la produzione di onde di taglio tangenziali alla superficie della membrana. La vibrazione della membrana e la produzione delle onde di taglio fanno sì che i solidi depositati sulla superficie della membrana si reintegrino nel liquido e vengano trascinati da questo, esponendo nuovamente i pori della membrana al liquido.

Una grande differenza rispetto alle membrane statiche convenzionali è che il design base è verticale anziché orizzontale, il che fa sì che lo spazio necessario per unità sia minore rispetto ad altri sistemi di separazione.

Inoltre, per prolungare la vita utile di queste membrane, è consigliabile effettuare un pretrattamento dell’acqua di alimentazione. Come in qualsiasi processo a membrane, la cura, pulizia e manutenzione sono fattori molto importanti per garantire prestazioni e longevità ottimali.

Questa tecnica, pur generando un flusso di acqua di alta qualità, produce anche un effluente concentrato che richiede una successiva gestione.

Membrane ceramiche

È una tecnologia molto efficiente per l’eliminazione di oli e grassi, poiché queste membrane si caratterizzano per la loro elevata idrofilicità, attirando l’acqua e respingendo l’olio. Questo comportamento permette di ottenere un effluente filtrato di alta qualità.

È una tecnologia robusta e compatta che permette di ottenere acqua adatta al riutilizzo in determinate applicazioni. Inoltre, quest’acqua può essere trattata con osmosi inversa nel caso sia necessario eliminare i sali disciolti.

I flussi di permeato sono significativamente maggiori rispetto a quelli ottenuti con membrane polimeriche, di natura idrofoba. Si distingue anche per l’elevata resistenza meccanica, termica e chimica del materiale ceramico, che permette di operare in condizioni estreme di pH e temperatura (ad esempio, nel trattamento di bagni di sgrassaggio).

L’operatività delle membrane ceramiche si misura in cicli, dato che le membrane si sporcano e, a intervalli predeterminati, si deve effettuare un lavaggio chimico, che solitamente utilizza reagenti molto aggressivi per ripristinare le condizioni di funzionamento del sistema. Inoltre, trattandosi di un sistema di filtrazione tangenziale, si deve lavorare a flussi di ricircolo molto elevati per evitare intasamenti, il che comporta impianti costosi e ad alto consumo energetico.

Elettrocoagulazione

Questa tecnologia funziona fornendo una corrente a una serie di elettrodi metallici. Gli anodi si ossidano, quindi gli ioni metallici si liberano nell’elettrolita. Questi ioni neutralizzano la carica della soluzione e la destabilizzano.

Nel caso delle acque reflue oleose, gli ioni metallici serviranno a destabilizzare l’emulsione di olio e acqua, permettendo che le gocce di olio si uniscano (coalescenza) e salgano in superficie. La separazione è anche aiutata dal catodo. Mentre l’anodo si ossida, il catodo produce bolle che aiutano la flottazione di queste particelle.

L’elettrocoagulazione facilita l’operazione, l’uso e la manutenzione dei serbatoi di reazione, poiché non sono necessari prodotti chimici per la destabilizzazione. Come beneficio aggiuntivo, produce anche volumi di fango molto più bassi che spesso possono essere riutilizzati per varie applicazioni.

Il principale ostacolo della coagulazione è la sua limitazione riguardo alla varietà di acque reflue oleose che può trattare.

Conclusione

Le emulsioni oleose devono essere trattate prima dello scarico, dato il loro alto potenziale inquinante, che influisce sia sull’ambiente che sugli ecosistemi.

Esistono diversi processi con cui si può separare l’olio dall’acqua e persino produrre un effluente d’acqua di elevata qualità ottimale per il riutilizzo. Tra tutte le alternative possibili, quella che presenta maggiori vantaggi è l’evaporazione sotto vuoto, per la sua semplicità, flessibilità, robustezza ed efficacia.

Bibliografia e consultazioni

https://concepto.de/emulsion-quimica/
https://www.tecnoaqua.es/media/uploads/noticias/documentos/articulo-tecnico-filtracion-ceramica-tratamiento-reutilizacion-aguas-aceitosas-origen-industrial-tecnoaqua.es_.pdf
COALESCEDORI / SEPARATORI LIQUIDO-LIQUIDO (awscorp.it)

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