La cavitazione idrodinamica applicata alla degradazione dei coloranti nelle acque reflue industriali

di Marco Laezza. Tesi di Laurea Magistrale in Ingegneria per l’Ambiente e il Territorio presso l’Università degli Studi di Trento riguardante un’indagine sperimentale sul fenomeno di cavitazione idrodinamica applicato al trattamento delle acque reflue.

Anno di laurea: 2014.

Relatore: Prof. Ing. Gianni Andreottola,

Co-relatori: Ing. Michela Langone, Ing. Giuseppe Mancuso.

Durante la tesi è stata analizzata l’efficienza di un dispositivo, denominato ECOWIRL®, utilizzato prevalentemente nell’industria della carta come miscelatore di coagulanti. Il flusso da trattare viene convogliato all’interno del dispositivo, creando un sistema multi-vorticale. Il dispositivo è un brevetto della ditta Officine Parisi di Riva del Garda (TN) e di Econovation GmbH, con sede in Germania. In alcuni settori dell’ingegneria civile e ambientale, come quello acquedottistico e idroelettrico, la cavitazione è un fenomeno che crea non pochi problemi di usura delle tubazioni e delle turbine a causa delle micro-bolle. Negli ultimi decenni si è cercato di sfruttare l’azione della cavitazione, anziché prevenirne gli effetti. In particolare nel settore del trattamento delle acque reflue, una tecnica che sfrutti il processo di cavitazione idrodinamica è in grado di aumentare significativamente la biodegradabilità, abbattere agenti patogeni e potenziare la separazione solido/liquido. Nel caso di ECOWIRL® le pareti in acciaio inox non vengono interessate da cavitazione, poiché il vuoto è localizzato sull’asse longitudinale del flusso. Numerosi studi di letteratura dimostrano l’efficacia della cavitazione nella rimozione di inquinanti presenti nelle acque reflue.

Quale matrice rappresentativa per l’analisi sperimentale sono stati utilizzati 50 litri di acqua di rete, contaminata con un colorante tessile, la tetraetilrodamina (rodamina B), bandito da anni perché cancerogeno. In alcuni Paesi come India e Bangladesh viene ancora utilizzato per conciare pelli e tessuti. Per questa matrice specifica il fenomeno di cavitazione idrodinamica funge da potente ossidante per le molecole complesse del colorante, grazie all’azione dei radicali ossidrili generati dalle microbolle di cavitazione.

I test di laboratorio sono stati effettuati utilizzando un sistema pompa-serbatoio a circuito chiuso. I test durano circa 120-180 minuti, facendo compiere alla soluzione circa 250 passaggi. Durante i test sono stati regolati alcuni parametri chimico-fisici, quali il pH della soluzione – attraverso aggiunta di acido solforico o soda caustica – e la pressione di ingresso al dispositivo di cavitazione, regolata da un inverter collegato alla pompa. Ogni 10 minuti e al termine di ogni test si effettua un’analisi spettrofotometrica di un campione di refluo per valutarne l’assorbanza, e quindi la concentrazione rimanente di inquinante.

I test hanno dimostrato che l’effetto depurativo prodotto da ECOWIRL®. L’effetto del pH è rilevante: più la soluzione è acida e migliore è la rimozione della tetraetilrodamina. Inoltre ECOWIRL®, messo a confronto con altri sistemi di cavitazione idrodinamica presenti in letteratura, risulta efficiente e comparabile. Il confronto è stato effettuato con un sistema a piastre forate di diverso spessore.

L’attività di analisi sperimentale riguardante la degradazione della tetraetilrodamina, presa come esempio classico di colorante di provenienza industriale, ha sicuramente dimostrato che la cavitazione idrodinamica, indotta dal passaggio di un fluido in un apposito reattore, è una tecnica performante. L’aggiunta di additivi chimici quali acidi, ipoclorito di sodio o acqua ossigenata potenzia l’ossidazione dell’inquinante: la combinazione tra cavitazione idrodinamica e trattamento chimico risulta la soluzione migliore per il trattamento di inquinanti pesanti come i coloranti industriali. Ovviamente il volume trattato nell’analisi sperimentale è troppo ridotto per essere paragonato ad un trattamento a scala di depuratore. Aumentando il volume trattato si modifica chiaramente anche l’efficienza di rimozione, dato che l’energia trasferita al fluido cambia. Si deve fare attenzione dunque a mantenere costante l’energia specifica trasferita all’unità di volume per poter ottenere efficienze paragonabili a quelle ottenute durante la sperimentazione. Per trasferire il dispositivo su scala industriale, si deve progettare un sistema idoneo in base alla quantità di inquinante presente nel refluo in termini di massa e volume, ovverosia in termini di concentrazione.

In conclusione la sfida futura è quella di migliorare ECOWIRL® dal punto di vista idrodinamico. Il reattore è sicuramente perfettibile e le caratteristiche geometriche idrodinamiche possono essere variate allo scopo di ottimizzare il sistema e renderlo fruibile anche per il settore della depurazione delle acque reflue.

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