Molti paesi del mondo sperimentano una carenza, nonché un graduale esaurimento e un crescente inquinamento delle fonti di acqua dolce. La causa principale dell’inquinamento delle acque superficiali è lo scarico di acque reflue domestiche e industriali non trattate e non sufficientemente trattate che comporta l’inadeguatezza dei corpi idrici riceventi per le esigenze di utilizzo dell’acqua. Tra i tipi di acque reflue altamente pericolose, vale la pena evidenziare le acque reflue provenienti dalle industrie leggere, alimentari e di altro tipo che contengono alte concentrazioni di solidi sospesi, ioni di metalli pesanti, composti organici ad alto peso molecolare, grassi, tensioattivi e altri inquinanti. .

È la varietà dei contaminanti per concentrazione e composizione che non consente di utilizzare un metodo particolare per affrontare molte attività di trattamento. E anche se viene scelto il metodo ottimale, i processi spesso non sono esenti da svantaggi che si esprimono nella lunga durata delle reazioni chimiche, nel consumo eccessivo di agenti chimici, nell’uso inefficiente delle aree per gli impianti di trattamento, nell’elevato consumo di elettricità, ecc. Pertanto, la questione dell’aumento dell’efficienza dei metodi di trattamento delle acque reflue esistenti rimane rilevante.

Principio di funzionamento di un dispositivo elettromagnetico con uno strato a vortice di particelle ferromagnetiche

Un dispositivo elettromagnetico con uno strato di vortice di particelle ferromagnetiche è un dispositivo costituito da una camera operativa posta in un induttore di un campo elettromagnetico rotante. La camera operativa contiene particelle ferromagnetiche cilindriche con un certo rapporto tra lunghezza e diametro. Spinte dal campo elettromagnetico, le particelle iniziano a muoversi lungo traiettorie complesse generando il cosiddetto strato di vortice. Un disegno tipico di questo tipo di dispositivo è mostrato nella Figura 1.

Figura 1 – Dispositivo con uno strato a vortice di particelle ferromagnetiche: 1 – boccola protettiva; 2 – induttore di campo elettromagnetico rotante; 3 – alloggiamento dell’induttore; 4 – camera operativa in materiale amagnetico; 5 – particelle ferromagnetiche

Nonostante la struttura apparentemente semplice, nella camera operativa dell’apparecchio si svolgono numerosi processi e si verificano fattori il cui effetto complessivo influisce positivamente sul trattamento delle acque reflue:

• campo magnetico rotante (esterno);
• numerose interazioni delle particelle ferromagnetiche tra loro, con le pareti della camera operativa e con il materiale lavorato;
• vibrazioni acustiche;
• cavitazione;
• elettrolisi.

Il rapido movimento delle particelle ferromagnetiche e la cavitazione accelerano il corso di molte reazioni fisiche e chimiche. La formazione di idrogeno libero a seguito dell’elettrolisi dell’acqua attiva notevolmente le reazioni di riduzione. Allo stesso tempo, la dissociazione dell’acqua in H+ e (OH) fornisce ragioni per affermare che quest’ultimo può svolgere un ruolo significativo nelle reazioni legate alla formazione di idrossidi metallici precipitanti.

L’effetto combinato di tutti i suddetti fattori in uno spazio operativo accelera contemporaneamente quasi tutte le reazioni fisiche e chimiche, nonché meccaniche e fisiche di cento e mille volte e quindi aumenta nella stessa misura la capacità della linea tecnologica.

La Figura 2 mostra il dispositivo a strato di vortice AVS-100 prodotto da GlobeCore.

Figura 2 – Dispositivo a strato di vortice AVS-100

Trattamento delle acque reflue contenenti cromo esavalente e altri metalli pesanti

Le acque reflue provenienti da officine di zincatura, industrie chimiche, petrolchimiche e altre industrie possono contenere cromo, nichel, zinco, piombo, ferro, rame, manganese e altri metalli pesanti.

Esistono diversi metodi e diagrammi di flusso del processo per il trattamento delle acque reflue delle tipologie elencate mediante dispositivi a strato di vortice elettromagnetico che consentono di ridurre notevolmente il consumo di agenti chimici, di ottenere un trattamento più completo e di renderlo continuo.

La riduzione del cromo esavalente in cromo trivalente viene effettuata in un mezzo alcalino utilizzando solfato di ferro con simultanea precipitazione di metalli pesanti sotto forma di idrossidi. Questo metodo è implementato per le acque reflue con una concentrazione di Cr+6 di 10–200 mg/L con un’acidità delle acque reflue pH = 6 fino a diversi grammi e la presenza di altri metalli pesanti da 10 a 1.000 mg/L (Figura 3).

Figura 3 – Diagramma di flusso del processo di riduzione del CR+6 in un mezzo alcalino con simultanea precipitazione di metalli pesanti e neutralizzazione delle acque reflue: 1 — serbatoio del liquame di calce; 2 – serbatoio di solfato di ferro; 3 — vasca di raccolta e bilanciamento delle acque reflue; 4: dispositivo a strato di vortice elettromagnetico; 5 – dosatore per liquame di calce; 6 – dosatore di solfato di ferro; 7 — pompa delle acque reflue

I risultati del test del diagramma di flusso del processo (Figura 3) in un ambiente industriale sono mostrati nella Tabella 1. I consumi di Ca (OH)2 e FeSO4 erano coerenti con il calcolo stechiometrico.

Tabella 1 – Trattamento delle acque reflue mediante riduzione CR+6 in un mezzo alcalino con simultanea precipitazione di metalli pesanti in un dispositivo a strati a vortice (elementi ferromagnetici: d = 1,6 mm; m = 175 g; prima del trattamento – рН = 2…3, dopo il trattamento – рÍ = 8,5…9)

Stato delle acque reflue			Stato dell’acqua trattata
pH	Metalli inquinanti	Concentrazione di metalli, mg/L	Concentrazione di metalli nell’acqua dopo la lavorazione nel dispositivo, mg/L	pH
2–3	Cr+6	50-100	0	8.5–9
	Cr+3	50-100	0
	Fe	fino a 500	tracce
	Ni	50-100	0
	Mg	fino a 300	tracce
	Pb	50-100	0,09
	Cu	50-100	tracce

L’esperienza nell’implementazione di dispositivi a strati a vortice ha dimostrato che è più opportuno applicare il metodo di riduzione di Cr+6 a Cr+3 in un mezzo alcalino con una quantità di cromo nella soluzione non superiore a 200 mg/L, perché una grande quantità di cromo e idrossido di ferro precipitano in quantità maggiore di Cr+3. Con una grande quantità di cromo, si può raccomandare la riduzione di Cr+6 a Cr+3 utilizzando bisolfito di sodio in un mezzo acido, seguita dalla precipitazione di Cr+3 in un mezzo alcalino attraverso l’uso di un dispositivo a strato di vortice elettromagnetico su entrambi i lati prima e seconda fase (Figura 4).

Figura 4. Diagramma di flusso del processo di riduzione del Сr+6 seguita dalla precipitazione sotto forma di idrossido: 1 – serbatoio di raccolta e bilanciamento delle acque reflue; 2 – pompa delle acque reflue; 3 – serbatoio di bisolfito di sodio; 4 – vasca liquami di calce; 5 – dispositivo a strati di vortice elettromagnetico

Il trattamento intensivo e completo delle acque reflue acido-alcaline contro gli ioni di metalli pesanti con il dispositivo interessato avviene grazie alla lavorazione completa dei componenti in uno strato di vortice a seguito della formazione di idrossidi metallici, della loro precipitazione e dell’assorbimento di ioni di metalli pesanti da parte dell’idrossido di ferro , nonché mediante ferro colloidale attivato che si forma a causa della dispersione di elementi ferromagnetici nello strato di vortice e funge da buon agente riducente. Insieme alla sua comparsa nello strato di vortice, si verificano processi di formazione dell’idrogeno dovuti all’elettrolisi dell’acqua. Questa caratteristica porta all’influenza sulla reazione di riproduzione del Cr+6 e ad una diminuzione del consumo di solfato di ferro, nonché alla completa riproduzione del Cr+6 e di altri metalli contenuti nelle acque reflue solo a causa del metallo colloidale dello sviluppo di idrogeno.

La Figura 5 mostra i dati comparativi della velocità e della completezza della riduzione del Cr+ 6 nel dispositivo a strati di vortice e nel dispositivo di miscelazione con diverse quantità di agente riducente [Logvinenko, 1976]. Come si può vedere dai dati sopra riportati, una riduzione quasi completa può essere ottenuta in uno strato di vortice quando il consumo di solfato di ferro non è superiore al 30% di quello stechiometrico. Il processo di riduzione nello strato di vortice si ottiene quando il tempo di lavorazione dei componenti è di 1 secondo, il che rende possibile l’esecuzione di un processo continuo.

Figura 5. Influenza della durata della lavorazione sul processo di riduzione del cromo esavalente: 1, 2, 3 — in un dispositivo contenente un miscelatore meccanico con un consumo di FeSO4 pari rispettivamente al 50, 80 e 100% di quello stechiometrico; 4, 5 — in un dispositivo a strati di vortice con un consumo di FeSO4 pari al 10 e 30% di quello stechiometrico

Il processo di trattamento avviene in modo più efficiente quando come agente chimico viene utilizzata una sospensione di calce che viene attivata durante la lavorazione nel dispositivo a strati a vortice. L’effetto attivante è confermato dagli spettri IR del CaO del latte di calce dopo la lavorazione in uno strato di vortice che indica cambiamenti strutturali e fisici nelle proprietà del CaO. Permette di raggiungere il grado di trattamento alla concentrazione massima consentita con un consumo di CaO fino al 90–100% di quello teoricamente richiesto. Allo stesso tempo, la miscelazione intensiva degli agenti chimici, l’azione del campo elettromagnetico e la macinazione dei composti ottenuti fanno sì che gli idrossidi metallici ottenuti dopo il dispositivo a strato di vortice siano più dispersi rispetto a quelli ottenuti nei dispositivi di miscelazione (Tavolo 2).

Tabella 2 – Studio della capacità di dispersione degli idrossidi metallici ottenuti nei dispositivi di miscelazione e strato a vortice

Capacità di dispersione degli idrossidi, micron	Stato quantitativo degli idrossidi metallici ottenuti
	nel dispositivo di miscelazione, %	nel dispositivo a strati di vortice, %
100–50	1.5	–
50-30	28	–
30–25	25.55	–
25-30	44,95	–
20–10	–	–
10–5	–	0,31
5–3	–	5.23
3–2	–	28.56
2–1	–	46.9
1	–	19.0

La tabella 2 mostra i dati sulla capacità di dispersione del precipitato ottenuti in un ambiente industriale utilizzando un dispositivo a strato di vortice per il trattamento delle acque reflue che conteneva una soluzione di sali di piombo fino a 675 mg/L, ferro — 275 mg/L, rame — 68 mg/L, e manganese — 480 mg/L (Logvinenko, 1976). È da notare che la capacità di dispersione dimostrata non ha comportato un rallentamento del processo di precipitazione; invece, la precipitazione dei solidi dopo il dispositivo a strato di vortice è avvenuta 1,5–2 volte più velocemente di quella dopo il dispositivo di miscelazione. La chiarificazione dell’acqua contenente idrossidi avviene a una velocità maggiore a causa della coagulazione e flocculazione combinata chimica e polarizzante.

Trattamento delle acque reflue contenenti fenoli

I dispositivi a strato vortice possono essere utilizzati efficacemente per il trattamento delle acque reflue provenienti dalla produzione di resine fenolo-formaldeide, imprese chimiche del coke e del legno che contengono fenolo, metanolo, formaldeide e altri inquinanti. Il trattamento delle acque reflue contenenti fenolo viene effettuato con metodi chimici che consistono nell’ossidazione del fenolo (alla concentrazione di 0,5–10 g/L) in un mezzo acido.

Come agente ossidante possono essere utilizzati pirolusite, bicromato di potassio o di sodio, ozono, cloruro di calce e permanganato di potassio. Tra gli agenti chimici elencati, per la rimozione del fenolo nel dispositivo si consiglia il bicromato di potassio o di sodio con un consumo di 2,5–3,3 g per 1 g di fenolo.

In pratica si consiglia di utilizzare una soluzione acquosa di un agente ossidante con una concentrazione di 50–200 g/L per Na2Cr2O7 a seconda della concentrazione di fenolo e una soluzione di acido solforico al 30–50% per l’acidificazione.

I reattori con miscelatori vengono utilizzati per il trattamento delle acque reflue contenenti fenolo e il processo di ossidazione dura 3–4 ore alla temperatura di 95–100 ºС.

L’uso di un dispositivo a strato di vortice consente di semplificare notevolmente il diagramma di flusso del processo, riducendo la temperatura della reazione di ossidazione a 20–40 ºС e minimizzando la durata del processo che rende possibile effettuare il trattamento in modalità continua. La composizione delle acque reflue che possono essere efficacemente ossidate in un dispositivo a strato di vortice è mostrata nella Tabella 3.

Tabella 3 — Caratterizzazione delle acque reflue provenienti da vari impianti di produzione in cui vengono utilizzati dispositivi a strato di vortice per l’ossidazione del fenolo

Inquinanti	Quantità di inquinanti nelle acque reflue provenienti da vari impianti di produzione, g/L
	Sintesi di resine fenolo-formaldeide	Sintesi di resina epossidica	Sintesi del difenilolpropano
H2O4	–	–	10
Fenolo	0,5–5	0,3–0,5	10
Formaldeide	2–12	–	–
Difenilolpropano	3–5	1.5	3.3
Metanolo	0,8–10	6.0	–

Le acque reflue sottoposte a trattamento mediante un dispositivo a strato di vortice in un processo continuo devono:

• essere mediata in termini di composizione e concentrazione di sostanze inquinanti;
• essere liberato dalle impurità meccaniche;
• non contengono resine e prodotti petroliferi.

Il trattamento delle acque reflue utilizzando il diagramma di flusso del processo (Figura 6) viene eseguito nella seguente sequenza.

Figura 6. Diagramma di flusso del processo per la rimozione dei fenoli dalle acque reflue industriali mediante un dispositivo a strato di vortice: 1 – serbatoio di raccolta e bilanciamento delle acque reflue; 2 – Serbatoio H2SO4; 3 – serbatoio ossidante; 4,8 – dispositivo a strati di vortice; 5, 6 – dosatori; 7 – pompa

Le acque reflue entrano nella vasca di raccolta e bilanciamento1 dove viene calcolata la media e dove la concentrazione viene equalizzata. Se la quantità di acido nelle acque reflue è insufficiente, dal serbatoio viene fornita la quantità necessaria di acido solforico2 utilizzando un dosatore5. Le acque reflue vengono pompate dal serbatoio di raccolta e bilanciamento nel dispositivo di stratificazione a vortice elettromagnetico per una quantità fino a 15 m3/h. Come elementi ferromagnetici utilizza particelle cilindriche con un diametro di 1,2–1,8 mm nel rapporto l/d = 10 nella quantità di 150–200 g. Il tempo di funzionamento di tali elementi è di 4-6 ore, dopodiché gli elementi vengono cambiati o il loro ulteriore inserimento viene effettuato utilizzando un dosatore automatico. Contemporaneamente un agente ossidante viene alimentato nel dispositivo dove i componenti vengono miscelati intensamente e la reazione di ossidazione del fenolo e di altre sostanze organiche (metanolo, formaldeide, ecc.) procede fino alla formazione di acqua e gas di carbonio.

Dopo la rimozione del fenolo, le acque reflue vengono sottoposte alla riduzione del cromo esavalente che si forma durante l’ossidazione del fenolo, nonché alla neutralizzazione in un altro dispositivo a strato di vortice (designazione 8, Figura 6). Il solfato di ferro viene utilizzato per ridurre il Cr+6 a Cr+3, mentre il latte di calce viene utilizzato per la neutralizzazione.

Trattamento delle acque reflue contenenti cianuri

L’uso di dispositivi a strato di vortice elettromagnetico per il trattamento delle acque reflue al cianuro consente di effettuare l’ossidazione dei cianuri in cianati quando si formano contemporaneamente carbonati non tossici e ammoniaca. Il processo avviene in un mezzo alcalino a pH = 9–10. La calce e la soda vengono utilizzate come agente alcalino sotto forma di una soluzione acquosa al 5-10% e una soluzione al 5-10% di cloruro di calce con ipoclorito di calcio o cloro viene utilizzata come agente ossidante.

La quantità residua di cianuro dopo il trattamento è 0,005–0,09 mg/L alla concentrazione iniziale di 30–350 mg/L.

Fattori importanti che influenzano la qualità del trattamento delle acque reflue quando si utilizza un dispositivo a strato di vortice includono:

• selezione dello schema e del metodo di trattamento ottimali;
• selezione e disposizione delle apparecchiature di processo;
• selezione delle modalità di trattamento;
• monitoraggio e controllo dei parametri del trattamento;
• corretto utilizzo dei dispositivi;
• media delle acque reflue, ecc.

L’uso efficiente dei dispositivi a strato di vortice e del trattamento delle acque reflue dipende dal grado di media in termini di composizione e concentrazione di inquinanti, misurata entro una media di 1,5-2 ore.

Vantaggi dei dispositivi a strato di vortice

I dispositivi a strato di vortice elettromagnetico possono essere efficacemente utilizzati nei diagrammi di flusso del processo di trattamento delle acque reflue con metodi chimici con uso chiuso dell’acqua nelle imprese senza scaricarla nei corpi idrici. Sono utilizzati nei diagrammi di flusso dei processi degli impianti di trattamento e per l’esecuzione dei seguenti processi:

• riduzione del cromo esavalente (Cr+6) a cromo trivalente (Cr+3);
• precipitazione di metalli pesanti (Cr+3, nichel, zinco, piombo, rame, cobalto, ferro, manganese, ecc.);
• neutralizzazione degli effluenti acido-alcalini;
• ossidazione (fenolo, cianogeno, prodotti petroliferi).