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Capitolo 5
La sperimentazione in laboratorio
La sperimentazione ha avuto come obiettivo determinare se fosse possibile smaltire l’elettrolita carico di solidi disciolti, non più utilizzabile per conducibilità troppo elevata.
Lo smaltimento dell’elettrolita è avvenuto con un trattamento ad osmosi inversa che ha permesso di recuperare acqua a basso TDS, coprendo parte del fabbisogno di acqua dell’impianto e concentrando l’elettrolita da smaltire riducendone notevolmente i volumi.
La sperimentazione è partita caratterizzando l’elettrolita e quindi misurandone l’SDI. Definito che l’elettrolita poteva essere trattato con osmosi inversa, si è fatta prima una simulazione tramite il
software ROSA 9.1 dell’azienda chimica DAW (fornitrice delle membrane), e successivamente una
sperimentazione sulla membrana ad osmosi inversa in laboratorio.
5.1 Il software ROSA
Il software ROSA, fornito dalla Dow Chemical Company permette la simulazione di un trattamento ad osmosi inversa con tutte le membrane fornite dall’azienda, e prevede in ingresso tutte le caratteristiche del liquido da trattare, nel nostro caso composizione chimica e pH.
La prima variabile è il tipo di membrana, che il software consiglia in funzione delle caratteristiche chimiche dell’elettrolita; successivamente, nei range di utilizzo della membrane, possono essere variate le portate, le pressioni e quindi il recovery. Infine è possibile variare la geometria del sistema utilizzando le membrane in serie o inserendo ricircoli.
Nel nostro caso, per la sperimentazione di laboratorio non c’è stata la possibilità di scegliere la membrana perché in laboratorio ne era disponibile una già utilizzata per altre sperimentazioni eseguite in passato su altri impianti. Si tratta di una membrana a spirale avvolta, modello AG1812C prodotta da GE Osmonics – Desal (USA) che ha le stesse caratteristiche della Thin Film Membrane, AG4040FF prodotta dalla DESAL. Avendo a disposizione il software ROSA è stato necessario trovare una membrana equivalente prodotta dalla DAW per poter fare la simulazione, individuando la membrana RO4040FF con le stesse caratteristiche.
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Figura. 5.1 Specifiche tecniche delle membrane.
Il software di simulazione si apre con una prima schermata dove si avvia il progetto, nominandolo (Osmosi Lab) e definendo le unità di misura (m³/d, Bar, °C). In una seconda schermata si definiscono il liquido da trattare, nel nostro caso Wastewater con SDI<5 e il pH e si inseriscono i valori delle analisi (Figura 5.2). Nella terza schermata si definisce se siano previsti trattamenti chimici, mentre nella quarta si definisce la configurazione del sistema. Nel nostro caso abbiamo ovviamente impostato la membrana RO-4040-FF e come parametro d’ingresso abbiamo inserito la pressione di 20 atm e la portata di alimentazione 54.81 m³/g, che manterremo costanti anche durante la parte sperimentale (Figura 5.3).
Figura.5.2-5.3 Schermata software ROSA.
La simulazione viene avviata dalla quinta schermata richiedendo il report (Figura 5.4). Il software permette anche di fare un’analisi dei costi ma essendo un caso sperimentale non completamente definito non abbiamo fatto questa simulazione.
73 Figura. 5.4 Report software ROSA.
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Il Report fornisce i dati della simulazione quali il recovery, cioè il rapporto tra permeato e concentrato, le pressioni e le portate sia del permeato che del concentrato. Come risultato fondamentale della simulazione abbiamo le concentrazioni di ioni disciolti sia nel concentrato che nel permeato, dati essenziali per definire se il permeato risulta accettabile per essere utilizzato come acqua di ingresso nell’impianto. Inoltre sono stati utilizzati i valori dei sali disciolti nel concentrato per una nuova simulazione utilizzando quindi come dati d’ingresso i valori ricavati dalla prima sperimentazione.
Il report comunica anche eventuali “Warnings” che evidenziano possibili anomalie nel funzionamento della membrana alle condizioni impostate: in tal caso le condizioni vanno variate per permettere il funzionamento della membrana. Può verificarsi anche la necessità di interrompere la simulazione a causa del raggiungimento di condizioni proibitive di salinità o pressione per il funzionamento della membrana.
La simulazione è stata ripetuta variando le concentrazioni dei sali disciolti aumentandole fino a valori minimi di recovery, pur mantenendone le proporzioni reciproche.
Tabella 5.1 Foglio di calcolo a concentrazione variabile.
Dalla simulazione è possibile ricostruire la variazione di portata del permeato, il recovery e la reiezione in funzione della concentrazione dei sali disciolti; la simulazione segue il risultato atteso con una diminuzione del recovery lineare nella prima parte della prova, raggiungendo valori inferiori all’unità per concentrazioni doppie rispetto a quella di partenza. E’ stato costruito un
Prova H2O Pisa 0.3 0.2 0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 coeff. 1 0.01 0.1 0.5 1 1.25 1.5 1.75 2 2.5 3 3.5 Ions mg/l Ammonium (NH4+ + NH3) 200 0 2 20 100 200 250 300 350 400 500 600 700 Potassium (K) 320 0 3.2 32 160 320 400 480 560 640 800 960 1120 Sodium (Na) 7500 15.3 75 750 3750 7500 9375 11250 13125 15000 18750 22500 26250 Magnesium (Mg) 550 13 5.5 55 275 550 687.5 825 962.5 1100 1375 1650 1925 Calcium (Ca) 1495 87 14.95 149.5 747.5 1495 1868.75 2242.5 2616.25 2990 3737.5 4485 5232.5 Strontium (Sr) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Barium (Ba) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Carbonate (CO3) 0 0.56 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Bicarbonate (HCO3) 0 225 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Nitrate (NO3) 4600 2 46 460 2300 4600 5750 6900 8050 9200 11500 13800 16100 Chloride (Cl) 4835 15 48.35 483.5 2417.5 4835 6043.75 7252.5 8461.25 9670 12087.5 14505 16922.5 Fluoride (F) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Sulfate (SO4) 952 64 9.52 95.2 476 952 1190 1428 1666 1904 2380 2856 3332 Silica (SiO2) 11 0 0.11 1.1 5.5 11 13.75 16.5 19.25 22 27.5 33 38.5 Boron (B) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 TDS 20463 421.86 204.63 2046.3 10231.5 20463 25578.75 30694.5 35810.25 40926 51157.5 61389 71620.5 Phreeqc cond. (uS/cm) 48426 406 6321 11011 29329 48426 56591 64030 71004 77685 90549 103289 116508 Measured cond. (uS/cm) 46900
pH 1.8
Prova H2O Pisa 0.3 0.2 0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 Portata
permeato m3/g 10.47 9.3 5.57 2.59 1.65 1.05 0.71 0.46 0.23 0.12 0.07 Fattore scala membrana 26.25 TDS Perme mg/l 33.04 628.3 3943.82 9732.71 13922.93 19164.34 24984.22 32003.13 46368.64 61323.79 76519.01 Portata conc mis (L/h) 87 Recovery % 19.1 16.96 10.17 4.72 3.01 1.91 1.29 0.84 0.42 0.22 0.12 Portata conc mod (m3/d) 54.81 Feed TDS mg/l 287.82 2878.27 14396.29 28792.58 35987.97 43186.12 50384.26 57582.4 71975.94 86377.73 100774 Conc TDS mg/l 347.99 3337.78 15579.7 29736.08 36673.54 43653.9 50716.69 57798.47 72083.8 86433.92 100802.9 Efficienza RO LAB (%) 25
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grafico che collega il TDS alla conduttività. Il TDS è stato calcolato a partire dalla conduttività con il software PHREEQC per poter confrontare i dati del report, TDS, con la conduttività che misureremo sperimentalmente.
In Figura 5.5 è riportato il grafico della conducibilità in funzione dei solidi sospesi totali. La simulazione evidenzia che il tipo di membrana utilizzata non è idonea a lavorare con queste concentrazioni saline.
Figura 5.5 TDS calcolato a partire dalla conduttività con il software PHREEQC e grafici di portata, recovery e reiezione in funzione della conduttività.
5.2 Sperimentazione sull’impianto di laboratorio
La sperimentazione è stata eseguita su un impianto sperimentale nel dipartimento di idraulica, riutilizzando attrezzature già presenti in laboratorio.
La membrana utilizzata nei test di laboratorio è il modello AG1812C prodotta da GE Osmonics –
Desal (USA) caratterizzata da un flusso operativo di permeato nel range 6-14 l/h e da una portata
del concentrato di 80-140 l/h. La membrana ha un’area filtrante di 0,32 m2 e lavora ad una pressione massima di 40 bar. (Figura 5.6). I test in laboratorio sono stati condotti mantenendo la pressione e la portata del concentrato costanti a 20 bar e 87 l/h rispettivamente, variando solamente la salinità dell’elettrolita; per condurre un’analisi parallela erano stati impostati gli stessi parametri di esercizio anche nelle simulazioni del software ROSA. La membrana è alloggiata in un vessel di
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acciaio inox, la pompa è a pistoni per permettere di ottenere alte pressioni ed è collegata ad un motore trifase controllato da un inverter che ne modifica il numero di giri.
Figura 5.6 Membrana modello AG1812C utilizzata in laboratorio.
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Le pressioni sono misurate da 3 manometri, due posizionati in ingresso ed uscita del concentrato, mentre un terzo preposto a misurare la pressione del permeato. Due flussimetri misurano la portata del concentrato e del permeato; a monte dei flussimetri sono installate due valvole che regolano la portata stessa. La regolazione della portata influenza direttamente la pressione del concentrato nel vessel e quella del permeato, quindi la pressione trans-membrana. La pressione del permeato è stata mantenuta uguale a quella ambiente, 1 atm.
L’impianto è dotato anche di vari sfiati per togliere l’aria in fase di avviamento.
A monte dell’impianto è posizionato un filtro a 5µm. In figura 5 è rappresentato lo schema dell’impianto.
Figura. 5.8 Schema dell’impianto pilota.
Durante le prove sono stati costantemente monitorati pH, conducibilità, temperatura, portate sia del concentrato che del permeato. Per le misure sono stati usati un Conducimetro HANNA HI8033, misuratori di pH e una Sonda HANNA HI9829 multiparametrica che ha permesso di misurare torbidità, temperatura, conducibilità, pH, potenziale redox, ossigeno disciolto, cloruri, nitrati, ammonio.
78 Figura. 5.9 Strumenti di misura.
Per la messa a punto dell’impianto è stata avviata una prova utilizzando l’acqua dell’acquedotto. Si è ottenuto un permeato in uscita a bassissima conducibilità, pari a 15 microsiemens/cm, che ha dimostrato il buon funzionamento della membrana.
Tabella 5.2 Foglio di calcolo prove di laboratorio.
Volume totale permeato ml
Volume parziale permeato ml TEMPO sec
Portata Permeato l/min Portata Permeato l/h Portata Permeato l/h Conduttivtà permeato PH Permeato Portata Concentrato l/h Conduttivtà Concentrato PH Concentrato Pressione Concentrato termperatura 50 50 100 0.030 1.800 0.043 18.45 1.7 87 46.9 1.56 20 bar 100 50 100 0.030 1.800 0.043 18.45 87 46.98 1.56 150 50 110 0.027 1.636 0.039 19.45 87 47 1.58 20 200 50 120 0.025 1.500 0.036 18.6 87 47.15 1.58 250 50 130 0.023 1.385 0.033 17.5 87 47.25 1.58 300 50 150 0.020 1.200 0.029 20 1.6 87 47.36 1.59 350 50 140 0.021 1.286 0.031 20 87 47.43 1.59 400 50 157 0.019 1.146 0.028 20 87 47.53 1.6 22.5 450 50 138 0.022 1.304 0.031 20 87 47.76 1.61 500 50 140 0.021 1.286 0.031 20 87 47.8 1.62 550 50 154 0.019 1.169 0.028 21 1.44 87 47.93 1.62 600 50 160 0.019 1.125 0.027 21 87 48.06 1.63 650 50 153 0.020 1.176 0.028 21 87 48.15 1.63 24 700 50 190 0.016 0.947 0.023 21 87 48.26 1.64 750 50 183 0.016 0.984 0.024 21 87 48.36 1.65 800 50 200 0.015 0.900 0.022 20.5 1.41 87 48.5 1.66 850 50 210 0.014 0.857 0.021 20.5 87 48.6 1.67 900 50 200 0.015 0.900 0.022 20.5 87 48.7 1.67 25 950 50 190 0.016 0.947 0.023 20.5 87 48.84 1.68 1000 50 192 0.016 0.938 0.023 20.5 87 48.99 1.69 1050 50 180 0.017 1.000 0.024 21 1.42 87 49.1 1.69 1100 50 210 0.014 0.857 0.021 21 87 49.5 1.7 1150 50 220 0.014 0.818 0.020 21 87 49.7 1.71 25.5 1200 50 195 0.015 0.923 0.022 21 87 49.92 1.71 1250 50 160 0.019 1.125 0.027 21 87 50.2 1.72 1300 50 195 0.015 0.923 0.022 20.6 1.42 87 50.4 1.72 1350 50 185 0.016 0.973 0.023 20.6 87 50.62 1.73 1400 50 228 0.013 0.789 0.019 20.6 87 50.82 1.74 25.6 1450 50 230 0.013 0.783 0.019 20.6 87 51.05 1.74 1500 50 220 0.014 0.818 0.020 20.6 87 51.3 1.74 1550 50 210 0.014 0.857 0.021 20.2 1.42 87 51.5 1.75 1600 50 230 0.013 0.783 0.019 20.2 87 51.65 1.76 1650 50 240 0.013 0.750 0.018 20.2 87 51.85 1.76 25.8 1700 50 250 0.012 0.720 0.017 20.2 87 52.08 1.77 1750 50 250 0.012 0.720 0.017 20.2 87 52.3 1.78
Figura. 5.10 Conduttività del Permeato e del Concentrato in funzione del volume permeato
Figure 5.11 Variazione del Recover
Figure 5.12 Variazione del pH del concentrato
Anche dalla sperimentazione si evince che il tipo di membrana non sembra adatto al trattamento del liquido preso in esame sia a causa del recovery molto basso, sia a causa della reiezione insufficiente di sali.
Conduttività del Permeato e del Concentrato in funzione del volume permeato
Figure 5.11 Variazione del Recovery in funzione del Volume permeato
Figure 5.12 Variazione del pH del concentrato e del permeato in funzione del Volume
evince che il tipo di membrana non sembra adatto al trattamento del liquido preso in esame sia a causa del recovery molto basso, sia a causa della reiezione insufficiente
79 Conduttività del Permeato e del Concentrato in funzione del volume permeato
funzione del Volume permeato
n funzione del Volume permeato
evince che il tipo di membrana non sembra adatto al trattamento del liquido preso in esame sia a causa del recovery molto basso, sia a causa della reiezione insufficiente
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Il software è comunque in grado di predire con sufficiente accuratezza sia il recovery che la massima reiezione dei sali misurati nella sperimentazione garantendo affidabilità per la progettazione e verifica di membrane, in figura 5.11 sono sovrapposti i grafici della simulazione e della sperimentazione che riportano portata del permeato (l/h) e reiezione dei Sali (%) in funzione della conduttività (mS/cm).
Figura 5.11 Test di osmosi inversa in laboratorio. Portata e recovery in funzione della conduttività dell’elettrolita (a sinistra) e reiezione dei sali in funzione della conduttività (a destra).
0 1 2 3 4 5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 40 80 120 R e c o v e ry ( % ) P o rt a ta p e rm e a to ( L /h ) Conduttività (mS/cm)
Simulazioni ROSA Dati
10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 40 80 120 R e ie z io n e ( % ) Conduttività (mS/cm)
