Lo sviluppo di tecnologie sostenibili che minimizzano l’impatto ambientale dei processi produttivi, sta trovando crescenti applicazioni in diversi comparti industriali. Le elettrotecnologie, e in particolare le tecnologie a membrana, rispondono ai suddetti requisiti, in quanto, combinate tra loro o con tecnologie di separazione tradizionali, consentono di sviluppare processi che minimizzano la generazione di sottoprodotti, con un uso razionale dell’energia. L’applicabilità dei processi a membrana, tuttavia, va verificata sperimentalmente caso per caso, sia da un punto di vista tecnologico (efficienza e affidabilità del processo, purezza dei prodotti da riciclare) che economico (costi vs. benefici). In questa ottica, nell’ambito del progetto ELTEC, uno degli obiettivi del sottoprogetto DEMOELEC è lo sviluppo di processi di separazione a membrana che, opportunamente integrati nel ciclo produttivo, consentano sia il riciclo delle acque reflue che il riutilizzo di prodotti ad elevato valore aggiunto. In questo rapporto sono presentati e discussi i risultati ottenuti nel corso del 2001. In particolare sono state svolte le seguenti attività: (a) prove di laboratorio per valutare la fattibilità dell’impiego dell’elettrodialisi con membrane bipolari (EDBM) nel processo di produzione dell’acido citrico; (b) prove in campo su impianto pilota per la messa a punto di un processo per il trattamento di percolati di discarica con membrane di ultrafiltrazione e osmosi inversa. Sono stati ottenuti i seguenti risultati: (a) Produzione di acido citrico mediante elettrodialisi con membrane bipolari L’attività aveva l’obiettivo di verificare la possibilità di integrare l’EDBM nel processo di produzione dell’acido citrico al fine di minimizzarne l’impatto ambientale. In particolare l’EDBM consente di convertire il sale sodico in acido (prodotto) e soda (riciclabile nel processo) eliminando gli stadi di neutralizzazione, scambio ionico ed estrazione con solvente, tipici del processo convenzionale. La sperimentazione si è articolata in due fasi: null prove per la selezione della configurazione di cella ottimale; null prove per la definizione dei parametri di processo e confronto tra membrane fornite da diversi produttori. I tests svolti nel corso del primo semestre hanno permesso di determinare la configurazione di cella ottimale per il recupero dell’acido citrico.

In particolare si è verificato che la configurazione a due scomparti (membrana bipolare e membrana cationica) risulta più vantaggiosa rispetto alle altre configurazioni (tre comparti e due comparti con membrana anionica) in quanto consente di operare, a parità di caduta ohmica, con densità di corrente decisamente più elevate (fattore da tre a sei). Tali risultati sono documentati nel rapporto di avanzamento CESI SFR-A1/018347 del 30/6/2001 e sono integralmente ripresi nel presente rapporto. Nella seconda fase della sperimentazione, impiegando la configurazione a due scomparti (BPM – CEM) selezionata, sono stati determinati i parametri di processo e si è caratterizzato il comportamento di membrane cationiche di diversi produttori: Neosepta CMB della Tokuyama, Selemion CMV della Asahi Glass e FKB della FumaTech. Con tutte le membrane si è ottenuta a fine prova una conversione sale/acido del 90-92%, a cui corrisponde una concentrazione finale dell’acido di circa 2.1 – 2.2 N e una spesa energetica di circa 1.8- 2.0 kWh/kg di acido prodotto. Nello scomparto catodico si ottiene idrossido di sodio ad una concentrazione di 1.6-1.8 N, con una resa faradica di circa il 75% ed una presenza di citrato trascurabile (<0.5%). Per quanto riguarda le membrane cationiche impiegate, si riscontra un differente comportamento per valori di conversione sale/acido inferiori all’80%; in particolare con le membrane Tokuyama si ottengono valori di potenziale di pacco e di energia specifica più elevati (20-30%) rispetto alle altre membrane. I risultati ottenuti evidenziano, infine, che il processo richiede un trattamento finale di purificazione con resine a scambio ionico per la rimozione del sodio residuo e la conversione completa del sale ad acido. L’EDBM, comunque, se integrato nel processo di produzione dell’acido citrico, porterebbe a indubbi miglioramenti in termini ambientali in quanto, sarebbe eliminata la produzione di fanghi e sensibilmente ridotto lo scarico di soluzioni saline derivanti dalla rigenerazione delle resine a scambio ionico. (b) Trattamento di percolati di discarica di rifiuti solidi urbani L’attività è stata svolta presso l’AEM di Cremona utilizzando un impianto pilota composto da una sezione di pre-trattamento (filtro a sabbia, filtro a cartuccia e stazione di addizione prodotti chimici) e da una sezione a membrane in cui è possibile inserire moduli a spirale avvolta da 4”. Le prove eseguite hanno consentito innanzitutto di verificare l’efficacia delle membrane di ultrafiltrazione. In particolare, operando con un modulo di membrana di cut-off molecolare di 20 kD, si ottiene una riduzione del volume di refluo da inviare al biologico superiore al 90%. Si è inoltre verificato un progressivo processo di sporcamento della membrana che porta ad una riduzione del flusso di permeato di circa il 20%. Le prestazioni del modulo sono state comunque completamente ripristinato mediante opportuno lavaggio chimico. Tale attività è già stata parzialmente documentata nel rapporto di avanzamento CESI SFR-A1/018347 del 30/6/2001.

Il permeato dell’ultrafiltrazione (circa il 90% del refluo in alimento) è stato poi trattato con un doppio stadio di osmosi inversa, operando fino ad una pressione di 90 bar; in questo modo si è ottenuto un fattore di concentrazione del refluo di circa 8 volte e una reiezione nei confronti degli organici (COD) di oltre il 99%. Tali risultati sono documentati nel rapporto di avanzamento CESI SFR-A1/018347 del 30/6/2001 e sono integralmente ripresi nel presente rapporto. I test hanno inoltre evidenziato la necessità di rimuovere l’ammoniaca presente nel percolato prima del trattamento a membrana. Tale operazione può essere eseguita, ad esempio, mediante l’impiego di una colonna di stripaggio. In questo modo sarebbe possibile scaricare direttamente all’ambiente il permeato dell’osmosi inversa. Va infine osservato che, per una soluzione completa del problema dei percolati, il concentrato dell’osmosi inversa deve essere ulteriormente ridotto di volume, ad esempio mediante trattamento con compressione meccanica con vapore e cristallizzazione.