Approcci innovativi di sedimentazione per il trattamento dell'acqua contaminata da petrolio nelle industrie petrolchimiche

La contaminazione dell'olio nelle fonti d'acqua rimane una delle sfide ambientali più pressanti per l'industria petrolchimica. Le perdite di idrocarburi, lo scarico dell'acqua e il deflusso delle raffinerie introducono miscele complesse di olio libero, gocce emulsionate e idrocarburi disciolti in corpi d'acqua naturali. I metodi di trattamento dell'acqua tradizionali, in particolare la sedimentazione, spesso non soddisfano rigidi standard normativi per la qualità effluente, che portano a fini costosi, ma a danni reputazionali, a danni di rilievo.

Metodi di sedimentazione tradizionali e loro limitazioni

La sedimentazione convenzionale, nota anche come settling di gravità, si basa sulla naturale tendenza di gocce di petrolio e solidi a salire o cadere sotto l'influenza della gravità. In un tipico serbatoio di sedimentazione, le acque reflue oleose è permesso di sedersi indisturbato per un periodo, permettendo l'aumento del petrolio libero alla superficie e solidi più pesanti per affondare al fondo.

Molti processi petrolchimici generano emulsioni oleose stabili dove le gocce sono estremamente piccole (spesso meno di 10 micron) e rivestite con tensioattivi o altri agenti stabilizzanti. Queste gocce sottili si alzano molto lentamente, e molti rimangono sospese per periodi prolungati, con conseguente scarsa prestazione di rimozione. In pratica, la sedimentazione tradizionale può raggiungere solo 50-70% di rimozione di olio libero,

Le sfide aggiuntive includono tempi di conservazione lunghi, spesso superiori a due o quattro ore, che richiedono grandi volumi di serbatoio e un'impronta significativa.Questo è problematico per le strutture con spazio limitato o per coloro che cercano di reintegrare gli impianti di trattamento esistenti. Inoltre, l'impostazione della gravità naturale è sensibile alle variazioni della portata, della temperatura e del pH, rendendo le prestazioni costanti difficili da mantenere.

I limiti della sedimentazione convenzionale hanno spinto la ricerca di approcci innovativi che possano superare queste barriere, i seguenti tratti illustrano i progressi più promettenti.

Sistemi di sedimentazione della gravità migliorati

La sedimentazione a gravità migliorata comprende una famiglia di tecnologie che moltiplicano la forza di sedimentazione naturale o aumentano l'efficace area di sedimentazione per accelerare la separazione dell'acqua oleosa.

Chiusure di Lamella e separatori di piastre inclineati

I chiarificatori Lamella, noti anche come colonnine inclinate, sono costituiti da una serie di piastre o tubi inclinati molto distanziati. Le piastre creano una grande area di settling efficace all'interno di un volume compatto. Poiché l'acqua grassa scorre verso l'alto tra le piastre, le gocce di olio si alzano e raccolgono sui lati inferiori delle piastre, carbonizzandosi in gocce più grandi che poi si alzano rapidamente alla superficie.

Nelle applicazioni petrolchimiche, i chiarificatori di lamella sono particolarmente efficaci per il trattamento dell'olio libero e delle gocce emulsionate più grandi. Spesso vengono utilizzati come un passo di trattamento primario prima di una lucidatura più avanzata.

Chiari di alta densità

I chiarificatori ad alta densità (HDC) utilizzano la ricircolo interno di fanghi fissi per aumentare la fluttuazione e l'assetto. In questi sistemi, una parte del fanghi di sottoflusso viene restituita all'ingresso, dove si mescola con l'acqua contaminata da olio in entrata. I solidi riciclati servono come siti di nucleazione per gocce di petrolio e particelle fini, promuovendo la formazione di galleggianti più grandi e più densi.

Per i flussi di rifiuti oleosi, gli HDC possono essere combinati con coagulanti chimici e flocculant per migliorare ulteriormente le prestazioni. L'aumento della densità della coperta di fanghi aiuta anche a intrappolare gocce di olio emulsionato, ottenendo efficienze di rimozione che si avvicinano al 90% o più per olio e grasso totale. Questi sistemi sono adatti per applicazioni ad alto flusso in raffinerie e impianti petrolchimici dove lo spazio è a un prezzo.

Sedimentazione centrifuga e idrociclone

Anche se strettamente diverso da quello della gravità, la sedimentazione centrifuga utilizza gli stessi principi ma con forze gravitazionali potenziate. Le centrifughe idrocicloniche e a disco applicano le forze centrifughe centinaia o migliaia di volte superiori alla gravità della Terra. In idrocicloni, l'acqua oleosa viene iniettata tangenziale in una camera conica, generando un vortice.

Questi dispositivi sono estremamente compatti e possono gestire alte portate con brevi tempi di residenza. Sono particolarmente efficaci per rimuovere gocce di olio libere più di 10-20 micron. Tuttavia, sono meno efficaci per gocce emulsionate o molto fini. In pratica, gli idrocicloni sono spesso utilizzati come un passo di pretrattamento per rimuovere la maggior parte del petrolio libero prima di lucidare con altri metodi.

Sedimentazione aerodinamica

L'elettrocoagulazione (CE) è un processo elettrochimico che ha ottenuto la trazione come metodo di pretrattamento per aumentare la sedimentazione dell'acqua contaminata dall'olio. Il principio consiste nel passare una corrente elettrica attraverso elettrodi metallici sacrificali (tipicamente alluminio o ferro) sommersi nell'acqua di scarico oleosa.

La sinergia con la sedimentazione è potente: l'elettrocoagulazione rompe emulsioni stabili destabilizzando l'interfaccia dell'acqua oleosa, permettendo gocce a carbonesce. Simultaneamente, i carrelli idrossidi metallici forniscono una grande superficie che cattura sia l'olio libero che l'emulsionato. I galleggianti risultanti sono densi e si stabiliscono rapidamente sotto la gravità.

I vantaggi principali della sedimentazione assistita da elettrocoagulazione includono un ridotto utilizzo chimico rispetto alla coagulazione convenzionale, un minore volume di fanghi e la capacità di gestire il flusso e la composizione variabili. Il processo non introduce anche anioni aggiuntive, che possono essere utili per il riutilizzo dell'acqua. Tuttavia, i costi operativi includono l'elettricità e la sostituzione periodica dell'elettrodo.

Diversi impianti su larga scala in raffinerie e complessi petrolchimici hanno dimostrato la fattibilità dei sistemi di sedimentazione CE, ad esempio uno studio presso una raffineria petrolifera in Medio Oriente ha riportato una riduzione del petrolio e del grasso da 200 ppm a meno di 10 ppm utilizzando un'unità EC compatta seguita da un chiarificatore lamella.

Dissolto Air Flotation – Un Approccio Complementare

Mentre una flottazione piuttosto che un processo di sedimentazione, la flottazione dell'aria disciolta (DAF) è spesso discussa a fianco della sedimentazione perché serve una funzione simile: rimuovere l'olio e i solidi dall'acqua. In DAF, l'aria viene dissolta nell'acqua di scarico sotto pressione, poi rilasciata come piccole bolle. Queste bolle si attaccano alle gocce di olio e alle particelle sospese, sollevandole alla superficie dove possono essere staccate.

In molti moderni treni di trattamento petrolchimico, DAF viene utilizzato in combinazione con la sedimentazione. Ad esempio, un innovativo sistema combinato potrebbe passare prima l'acqua oleosa attraverso un serbatoio di sedimentazione ad alta velocità per rimuovere olio libero e solidi di grandi dimensioni, seguito da DAF per lucidare l'efluente per soddisfare i limiti di scarico rigorosi.

I recenti progressi in DAF includono l'uso di micro-bubbles (di solito 30-50 micron) generati da ugelli appositamente progettati o elettrodi di elettroflotazione. Queste bolle più piccole migliorano l'efficienza dell'attacco e riducono il tempo di ritenzione richiesto. Inoltre, alcuni sistemi DAF incorporano pacchetti di piastre o interni lamella per migliorare ulteriormente la separazione, sfociando la linea tra galleggiamento e sedimentazione.

Sedimentazione innovativa media-assisted

Un'altra tendenza emergente è l'uso di mezzi o materiali specializzati per aiutare la separazione dell'acqua oleosa all'interno di serbatoi di sedimentazione, che possono essere ampiamente classificati in supporti di carbonizzazione e supporti adsorbenti.

Media di distribuzione

I supporti di coalescing, tipicamente realizzati in materiali oleofilici come polipropilene o poliestere, forniscono una grande superficie che promuove la fusione di piccole gocce di olio in quelli più grandi. Quando l'acqua oleosa passa attraverso un filtro o un letto di carbonatura, le gocce si scontrano con i mezzi e aderiscono, crescendo fino a quando non sono abbastanza buoi per staccare e aumentare rapidamente.

Questi sistemi sono particolarmente efficaci per il trattamento di oli idraulici, lubrificanti e altri idrocarburi non emulsionati. Richiedono un minimo di input energetico e hanno costi operativi bassi. Tuttavia, possono diventare falliti se i solidi o la crescita biologica si accumulano, quindi la proiezione a monte o la filtrazione è spesso necessaria.

Letti multimediali idrofilici/oleofili

I supporti di filtrazione controllati, come i organoclay o le sabbie mobilitate in superficie, possono essere utilizzati per catturare selettivamente l'olio, permettendo di passare l'acqua. In un contesto di sedimentazione, uno strato di tali supporti in fondo ad un serbatoio può agire come un passo di lucidatura, catturando goccioline di olio residuo che non sono state separate dalla gravità.

La sedimentazione assistita da media rimane un'area di sviluppo attivo, con potenziale di integrazione in unità di trattamento compatte e modulari adatte a strutture petrolchimiche isolate o contrattate dallo spazio.

Analisi comparativa delle tecniche di sedimentazione innovative

Per aiutare gli ingegneri e i decisori di impianti nella scelta della tecnologia giusta, la tabella seguente riassume le caratteristiche principali delle prestazioni dei metodi discussi. (Nota: Rappresentante come un elenco con sottovoci per chiarezza poiché la tabella non può rendere bene in tutti i formati; utilizzando il testo strutturato.)

Ogni tecnica ha dei compromessi. La soluzione ottimale spesso comporta un treno di trattamento multi-step che combina due o più di questi metodi per raggiungere la qualità effluente desiderata al minor costo del ciclo di vita.

Considerazioni di attuazione per le strutture petrolchimiche

L'adozione di approcci innovativi di sedimentazione richiede un'attenta valutazione dei fattori specifici del sito.

Caratterizzazione dell'acqua dolce: La natura della contaminazione dell'olio – sia essa libera, emulsionata, o dissolta – determina la tecnologia più efficace. Un'analisi approfondita della distribuzione delle dimensioni del petrolio, della concentrazione totale di olio e grasso, del contenuto dei solidi, della temperatura, del pH e della presenza di tensioattivi è essenziale.

Tariffa bassa e variabilitÃ:[[] Le strutture ad alto flusso possono favorire i chiarificatori di lamella o i chiarificatori ad alta densità grazie al loro design compatto e alla capacità di gestire interventi di sovratensione.

I contrattempi di impronte e di retrofit: Molti impianti petrolchimici esistenti hanno uno spazio limitato per nuove unità di trattamento. I chiarificatori di Lamella, gli idrocicloni e le celle di elettrocoagulazione sono relativamente compatti e possono essere spesso rettituiti in vasche o aree aperte esistenti.

La gestione e lo smaltimento dei fanghi:] Il fango generato da processi di sedimentazione migliorati varia in composizione e volume. Le slitte di elettrocoagulazione sono tipicamente più dense e hanno un contenuto di acqua inferiore rispetto alle slitte di coagulazione chimica, riducendo i costi di smaltimento. Tuttavia, possono contenere idrossidi metallici che richiedono lo smaltimento come rifiuti pericolosi se le concentrazioni metalli sono elevate.

Costi energetici e chimici:[ Mentre i metodi innovativi spesso riducono il consumo chimico, possono aumentare l'uso di energia. Un'analisi dei costi del ciclo vitale dovrebbe confrontare le spese operative di energia elettrica, sostituzione degli elettrodi e manutenzione contro i risparmi di acquisti chimici ridotti, volumi di fanghi inferiori e riutilizzo dell'acqua migliorato.

Requisiti regolamentari:[] I limiti di scarico per olio e grasso in molte giurisdizioni stanno diventando più severi, a volte richiedendo concentrazioni effluenti inferiori a 10 mg/L. Tecnologie come l'elettrocoagulazione seguita da lucidatura fine possono raggiungere tali livelli.

Per esempio, un importante complesso petrolchimico asiatico ha installato una combinazione di lamella chiarificatori e unità di elettrocoagulazione per trattare le acque reflue da un cracker etilene, riducendo il contenuto di olio da 150 ppm a meno di 5 ppm e consentendo il riutilizzo di acqua per torri di raffreddamento.

Vantaggi ambientali ed economici

L'adozione di approcci di sedimentazione innovativi offre molteplici vantaggi oltre la conformità.

• Ridotto impatto ambientale:[[] L'efficienza di rimozione dell'olio più elevata impedisce lo scarico di idrocarburi in fiumi, laghi e oceani, proteggendo gli ecosistemi acquatici.
• Opportunità di riutilizzo dell'acqua:[[] I processi di sedimentazione efficienti producono un effluente di qualità superiore adatto al riciclaggio all'interno della struttura, come ad esempio per il raffreddamento dell'acqua, il riscaldamento della caldaia o il lavaggio del processo.
• Generazione di fanghi a bassa densità:[ Metodi potenziati, in particolare elettrocoagulazione, generano meno fanghi rispetto alla coagulazione chimica convenzionale. Lo smaltimento dei fanghi è un costo importante in molte piante; riducendo il suo volume migliora direttamente la linea di fondo.
• Stabilità operativa:[[] I sistemi di sedimentazione avanzati sono meno suscettibili di cambiamenti di flusso e composizione, fornendo prestazioni costanti.
• Design completo:[[] Piccola impronta consente alle strutture di espandere la capacità di trattamento senza grandi opere civili, particolarmente preziosa nelle zone industriali congestionate o quando si aggiornano gli impianti esistenti.
• Migliorata la salute e la sicurezza:[[] La riduzione della manipolazione chimica e meno passi di processo minimizzano l'esposizione dei lavoratori alle sostanze pericolose.

Da un punto di vista finanziario, mentre l'investimento in capitale per la sedimentazione innovativa può essere superiore a quello dei serbatoi convenzionali, il ritorno sull'investimento è spesso favorevole a causa di costi operativi inferiori, sanzioni ridotte e il potenziale per i crediti di riutilizzo dell'acqua.

Le direzioni future nella tecnologia di sedimentazione

Il campo del trattamento dell'acqua oleosa continua ad evolversi, con diverse promettenti indicazioni di ricerca all'orizzonte.

Nanotecnologie e Materiali Avanzati:[] Sono state sviluppate superfici nanostrutturate con proprietà superoleofobiche o superidrofila per creare supporti di carbonizzazione altamente efficienti.

Sistemi di controllo intelligente:[[]] Integrazione dei sensori per la misurazione in tempo reale della concentrazione dell'olio, dimensione del gocciolo e altezza coperta di fanghi può consentire il controllo del processo adattativo.

I processi ibridi: Combinare la sedimentazione con altri processi fisici o biologici in un unico reattore è un'area attiva di ricerca. Ad esempio, un reattore "sedimentazione-biofilm" potrebbe utilizzare i mezzi galleggianti per sostenere la crescita del biofilm che digerisce l'idrocarburio residuo mentre fissa l'olio e i solidi.

Sidimentazione Membrane-Assisted: I sistemi compatti che combinano la sedimentazione con la filtrazione a membrana (ad esempio, le membrane ceramiche) sono in fase di test per l'efluente di alta qualità. La fase di sedimentazione rimuove la massa di olio per proteggere le membrane, mentre le membrane forniscono una rimozione assoluta di gocce sottili.

Unità portabili e modulari: Per esigenze di trattamento temporaneo o posizioni remote, sono state progettate unità di sedimentazione modulari che possono essere rapidamente dispiegate e rilocate.

L'obiettivo della sostenibilità e dell'economia circolare continuerà a spingere l'innovazione nella separazione delle acque petrolifere, che investono in tecnologie di sedimentazione avanzate oggi saranno ben posizionate per soddisfare i futuri standard ambientali e gli obiettivi di efficienza delle risorse.

Conclusioni

I sistemi di sedimentazione innovativi stanno trasformando come l'industria petrolchimica tratta l'acqua contaminata dall'olio. I sistemi di gravità potenziati come i chiarificatori di lamella e i chiarificatori ad alta densità offrono un trattamento primario compatto ed efficiente, mentre la sedimentazione assistita da elettrocoagulazione fornisce una potente soluzione per la rottura delle emulsioni e il raggiungimento di elevati tassi di rimozione.

I vantaggi si estendono oltre la conformità: ridotta impronta ambientale, minori costi di smaltimento chimico e fango, opportunità di riutilizzo dell'acqua e stabilità operativa contribuiscono a un caso di business convincente.

Comprendendo le capacità e i compromessi di ogni metodo, le strutture petrolchimiche possono progettare treni di trattamento robusti, economici e resistenti al futuro. Le innovazioni descritte in questo articolo rappresentano il vantaggio principale della scienza della sedimentazione, e la loro ampia implementazione aiuterà l'industria a muoversi verso la gestione dell'acqua a zero-liquidi e circolari.

Per ulteriori informazioni sui fondamenti della separazione della gravità e dell'elettrocoagulazione, prendere in considerazione le risorse della Water Research Foundation e U.S. Environmental Protection Agency. Gli studi sui casi industriali sono disponibili attraverso organizzazioni come il American Petroleum Institute e FICE [7]