Il monoetilenglicole (MEG) è ampiamente utilizzato nell’industria petrolifera e del gas come inibitore della formazione di idrati durante le fasi di produzione, trattamento e trasporto del gas. Come risultato delle operazioni di trattamento del gas e di rigenerazione del MEG, vengono generati grandi volumi di acque reflue industriali contenenti concentrazioni significative di MEG. Tali effluenti sono spesso caratterizzati da un’elevata domanda chimica di ossigeno (COD), alta salinità e una composizione chimica complessa, ponendo rilevanti criticità ambientali e normative qualora vengano scaricati senza un adeguato trattamento.
A causa della variabilità delle caratteristiche delle acque reflue, sono state investigate diverse tecnologie di trattamento per soddisfare sia i requisiti di rimozione del MEG sia quelli di desalinizzazione. Tra queste, il trattamento biologico, l’elettrodialisi e i processi avanzati di adsorbimento rappresentano gli approcci più rilevanti e complementari.
1. Trattamento biologico mediante Sequencing Batch Reactor (SBR)
Il trattamento biologico aerobico mediante Sequencing Batch Reactor (SBR) è stato valutato come un approccio economicamente vantaggioso per la rimozione del MEG da acque reflue industriali con elevato carico organico e salinità moderata.
1.1 Fattibilità della rimozione biologica del MEG
Il trattamento biologico aerobico ha consentito la rimozione efficace del MEG dalle acque reflue industriali. I microrganismi prelevati da un impianto di trattamento di acque reflue civili si sono adattati al MEG e lo hanno biodegradato in condizioni operative controllate, dimostrando la fattibilità della rimozione biologica del MEG.
1.2 Prestazioni del trattamento multi-stadio
Le prestazioni del reattore sono state valutate in tre condizioni di carico di MEG:
- Fase 1 (bassa concentrazione di MEG): l’efficienza di rimozione del MEG ha superato l’80% entro quattro giorni, raggiungendo una rimozione quasi completa dopo la stabilizzazione dell’attività microbica.
- Fase 2 (concentrazione moderata di MEG): l’efficienza di rimozione è diminuita fino a circa il 20%, indicando che il tempo di ritenzione idraulica e la capacità del reattore erano insufficienti per carichi organici più elevati.
- Fase 3 (alta concentrazione di MEG – acque reflue industriali reali): con l’aumento del tempo di ritenzione, l’efficienza di rimozione del MEG ha superato il 70% dopo sette giorni, dimostrando che anche acque reflue con elevate concentrazioni di MEG possono essere trattate biologicamente se viene fornito un tempo di contatto adeguato.
1.3 Influenza del tempo di ritenzione idraulica
Il tempo di ritenzione idraulica (HRT) è stato identificato come un parametro critico nel controllo dell’efficienza di biodegradazione del MEG. Un aumento del tempo di ritenzione consente di migliorare l’adattamento microbico e il metabolismo del MEG, incrementando significativamente le prestazioni di trattamento a elevate concentrazioni in ingresso.
1.4 Stabilità operativa (pH e ossigeno disciolto)
La concentrazione di ossigeno disciolto (DO) è stata mantenuta nell’intervallo 1,5–4,5 mg/L, supportando la biodegradazione aerobica. Il pH è diminuito gradualmente a causa della formazione di sottoprodotti acidi, evidenziando la necessità di un controllo del pH nelle operazioni a lungo termine. Condizioni operative stabili sono fondamentali per garantire prestazioni sostenute nella rimozione del MEG.
1.5 Rilevanza industriale e applicazioni
Dal punto di vista industriale, questo studio dimostra che la tecnologia SBR:
- è in grado di trattare acque reflue industriali contenenti MEG;
- è adatta per impianti oil & gas e unità di rigenerazione del MEG;
- può gestire elevate concentrazioni di MEG con un tempo di ritenzione sufficiente;
- offre una soluzione di trattamento biologico flessibile e scalabile.
Questo approccio è particolarmente rilevante per:
- raffinerie e impianti di trattamento del gas;
- flussi di rigenerazione e perdite di MEG;
- strutture che ricercano soluzioni di trattamento economicamente vantaggiose ed ecocompatibili.
2. Trattamento mediante elettrodialisi di acque reflue ipersaline contenenti MEG
L’elettrodialisi (ED) è un processo a membrana azionato elettricamente che consente il trasporto selettivo delle specie ioniche attraverso membrane a scambio ionico, trattenendo in larga misura i composti non ionici come il MEG. Questa caratteristica rende l’ED particolarmente adatta al trattamento di acque reflue industriali ipersaline, in cui è necessario ottenere la desalinizzazione senza eccessive perdite di MEG.
2.1 Applicabilità dell’elettrodialisi per acque reflue contenenti MEG
Gli studi confermano che l’elettrodialisi è tecnicamente fattibile per il trattamento di acque reflue ipersaline contenenti MEG. Il processo consente un’efficace rimozione dei sali mantenendo perdite minime di MEG, risultando idoneo a contesti industriali in cui sono richieste sia la desalinizzazione sia la conservazione del glicole.
2.2 Prestazioni di rimozione dei sali
L’elettrodialisi ha raggiunto efficienze di rimozione dei sali comprese tra il 56% e l’89%, a seconda delle condizioni operative. Sia gli ioni monovalenti che quelli bivalenti (sodio, potassio, calcio, magnesio, cloruro e solfato) sono stati trasportati con successo attraverso le membrane a scambio ionico. La migrazione ionica ha seguito andamenti prevedibili governati dalla carica ionica, dalla mobilità e dalla selettività delle membrane, supportando prestazioni di desalinizzazione stabili e controllabili.
2.3 Trasporto e ritenzione del MEG
Il MEG è un composto non ionico e pertanto non è direttamente influenzato dal campo elettrico applicato durante l’elettrodialisi. Il trasferimento del MEG attraverso le membrane è avvenuto solo indirettamente, a causa di fenomeni di cotrasporto associati alla migrazione dei sali. Le perdite di MEG misurate sono rimaste molto basse:
- perdite di MEG comprese tra lo 0,29% e l’1,60%, anche a elevati livelli di rimozione dei sali.
Questo comportamento supporta l’uso dell’elettrodialisi per la desalinizzazione, consentendo al contempo il recupero o il riutilizzo del MEG.
2.4 Influenza delle condizioni operative
Sono state valutate configurazioni di elettrodialisi sia batch sia continue. I risultati indicano che:
- tensioni e velocità di flusso più elevate aumentano la rimozione dei sali, ma incrementano leggermente anche il trasporto del MEG;
- condizioni operative ottimali permettono di bilanciare un’elevata efficienza di desalinizzazione con una perdita minima di MEG;
- i sistemi ED continui multistadio sono stati identificati come particolarmente adatti ad applicazioni industriali e offshore grazie al design compatto e alla stabilità operativa.
2.5 Vantaggi tecnologici per applicazioni industriali
Sulla base dei risultati di questo studio, l’elettrodialisi offre diversi vantaggi per il trattamento di acque reflue contenenti MEG:
- rimozione efficace di elevate concentrazioni saline;
- perdite di MEG molto basse durante il trattamento;
- idoneità al funzionamento continuo;
- design compatto del sistema;
- ridotta impronta ambientale rispetto ai processi termici.
3. Rimozione del MEG mediante tecnologia avanzata di adsorbimento
Il trattamento basato sull’adsorbimento è stato studiato come tecnologia efficace per la rimozione diretta del MEG dalle acque reflue industriali, in particolare nei casi in cui i limiti di scarico o i requisiti di riduzione del COD non possano essere soddisfatti dalla sola desalinizzazione o dal trattamento biologico.
3.1 Adsorbimento come strategia efficace per la rimozione del MEG
Gli studi dimostrano che l’adsorbimento rappresenta un approccio pratico ed efficiente per la rimozione del MEG, soprattutto quando i processi biologici o a membrana presentano limitazioni operative. I metal–organic frameworks (MOF) avanzati a base di zirconio hanno mostrato un’affinità eccezionalmente elevata per il MEG in condizioni realistiche di acque reflue.
3.2 Prestazioni degli adsorbenti e capacità di rimozione del MEG
Sono stati valutati due adsorbenti MOF:
- UiO-66 modificato
- UiO-66-2OH (funzionalizzato con gruppi idrossilici)
I principali risultati prestazionali includono:
- capacità massima di adsorbimento pari a 800 mg di MEG per grammo per l’UiO-66 modificato;
- capacità massima di adsorbimento pari a 1000 mg di MEG per grammo per l’UiO-66-2OH;
- efficienze di rimozione superiori al 90% a basse concentrazioni di MEG in condizioni di pH neutro.
Questi risultati indicano che l’adsorbimento basato su MOF può superare le prestazioni degli adsorbenti convenzionali utilizzati nel trattamento delle acque reflue industriali.
3.3 Influenza del pH e delle condizioni operative
L’efficienza di adsorbimento è risultata massima a pH neutro (circa pH 7), tipico di molti effluenti industriali. L’UiO-66-2OH ha mostrato prestazioni costantemente superiori grazie ai gruppi funzionali idrossilici, che migliorano le interazioni a legame idrogeno con le molecole di MEG. Solo una perdita limitata di prestazioni è stata osservata in condizioni acide o fortemente basiche.
3.4 Cinetica di adsorbimento e stabilità
Il processo di adsorbimento ha seguito un modello cinetico di pseudo-primo ordine, indicando un rapido assorbimento del MEG. La maggior parte della rimozione del MEG è avvenuta nelle fasi iniziali del tempo di contatto, supportando un trattamento efficiente in tempi operativi pratici. Il trasferimento di massa è stato governato dalla diffusione all’interno della struttura porosa dell’adsorbente, seguita dall’adsorbimento all’equilibrio nei pori. Queste caratteristiche sono favorevoli sia per sistemi batch sia per sistemi continui.
L’adsorbimento del MEG è avvenuto principalmente tramite adsorbimento fisico e legami a idrogeno, piuttosto che attraverso reazioni chimiche irreversibili. La struttura porosa e l’elevata area superficiale dei MOF hanno fornito un elevato numero di siti di adsorbimento. I test di rigenerazione hanno mostrato che gli adsorbenti mantengono una parte significativa della loro efficienza di rimozione su più cicli, indicando una buona stabilità operativa. Ciò rende la tecnologia adatta all’uso ripetuto e al funzionamento a lungo termine nei sistemi di trattamento delle acque reflue industriali.
3.5 Applicabilità industriale
Dal punto di vista del trattamento delle acque reflue, questo studio dimostra che l’adsorbimento basato su MOF:
- è altamente efficace per il trattamento di effluenti industriali contenenti MEG;
- può ridurre significativamente la concentrazione di MEG e il COD;
- opera in modo efficiente a pH neutro;
- offre elevate capacità di adsorbimento con quantità relativamente ridotte di adsorbente;
- è adatto come fase di affinamento, per trattamenti di emergenza o per acque reflue con elevate concentrazioni di MEG.
Questa tecnologia è particolarmente rilevante per:
- impianti di lavorazione oil & gas;
- unità di recupero del MEG;
- flussi di acque reflue industriali con elevato carico organico.
4. Conclusioni generali e strategia di trattamento integrata
A causa della composizione eterogenea delle acque reflue industriali contenenti MEG, nessuna singola tecnologia di trattamento risulta universalmente sufficiente. L’elettrodialisi fornisce una soluzione efficace per la desalinizzazione di acque reflue ipersaline mantenendo perdite di MEG molto basse, consentendo la conformità ambientale e la conservazione delle risorse. Le tecnologie avanzate di adsorbimento offrono un’elevata efficienza di rimozione del MEG in condizioni operative blande, con cinetiche rapide e buona riutilizzabilità, rendendole adatte come fasi di affinamento o come trattamento mirato per effluenti ad alta concentrazione di MEG. Il trattamento biologico mediante reattori batch sequenziali aerobici rappresenta un approccio economicamente vantaggioso ed ecocompatibile per la degradazione del MEG, in particolare quando vengono applicati un adeguato tempo di ritenzione idraulica e un appropriato controllo operativo.
Un approccio di trattamento integrato che combini elettrodialisi, adsorbimento e processi biologici consente una progettazione flessibile del sistema in funzione delle caratteristiche delle acque reflue, dei limiti di scarico e degli obiettivi di riutilizzo. Tali soluzioni integrate garantiscono una rimozione affidabile del MEG, stabilità operativa e conformità ambientale a lungo termine, ottimizzando al contempo il consumo energetico, l’uso di prodotti chimici e le prestazioni complessive del trattamento.
Le fonti delle immagini e degli articoli utilizzati per scrivere questo testo sono disponibili in questo file scaricabile: Clicca qui!
