Aspetti ambientali della generazione del vuoto

Aspetti ambientali della generazione del vuoto
Sommario
Molte fasi degli esperimenti svolti in laboratorio necessitano l’uso del vuoto; per la sua
generazione esistono fondamentalmente due alternative: il ricorso alle pompe ad acqua,
oppure alle pompe da vuoto (siano esse ad olio o a membrana). Il vuoto dovrebbe essere
impiegato solo se strettamente necessario, visti i consumi in termini di materiale e di energia e
i costi ambientali che la sua generazione comporta. Nel caso in cui non fosse possibile
rinunciare a lavorare sotto vuoto, sarebbe meglio non ricorrere alle pompe ad acqua, ma
preferire sempre (qualora le condizioni tecniche del laboratorio lo consentano) quelle
meccaniche: tra i vari modelli disponibili sul mercato, sarebbe, inoltre, meglio scegliere
quelle che consentono un controllo della velocità.
L’inquinamento legato alla generazione del vuoto
L’uso del vuoto è una componente indispensabile in svariate situazioni di laboratorio: tra le
aree di più frequente applicazione, ricordiamo quella delle distillazioni e delle sublimazioni a
pressione ridotta, senza dimenticare i passaggi di essiccamento e filtrazione. Come già detto,
nell’ambito dei laboratori, esistono due alternative per generare il vuoto: tramite pompe ad
acqua, oppure tramite pompe da vuoto. Così come nel caso della somministrazione
dell’energia ad un sistema chimico (cfr. l’articolo “Aspetti ambientali della somministrazione
dell’energia a sistemi chimici” nella sezione “Tecniche” del sito), anche nel caso della
generazione del vuoto si ha a che fare con un inquinamento che va oltre a quello legato al
semplice processo considerato singolarmente: bisogna, infatti, tener conto anche degli apporti
energetici richiesti e dei relativi costi ambientali da pagare.
Figura 1: Esempio di una pompa ad acqua
Figura 2: Esempio di una pompa da vuoto
Quale sia il metodo migliore sotto il profilo (puramente) ecologico per generare il vuoto è un
argomento molto complesso, che non è possibile sviscerare a fondo in questo breve articolo.
L’unico modo per ottenere delle risposte in tal senso, è quello di effettuare un confronto tra
sistemi, valutandoli con l’aiuto di un adeguato metodo, che tenga conto di tutte le possibili
sfaccettature del problema. Partendo da questi presupposti e dal fatto che sia necessario un
esame molto attento per fornire delle affermazioni sicure, si è deciso di valutare quale sia il
metodo migliore per generare il vuoto, tenendo presente il tipo di impatto che ognuno di essi
ha sull’ambiente. Per tracciare questa valutazione, sono quindi stati paragonati tra loro alcuni
dispositivi per generare il vuoto, analizzandone i consumi (sia in termini materiali, che
energetici) e fornendone quindi un giudizio.
1
Utilizzo delle pompe ad acqua
In questa tipologia di pompe, si sfrutta un getto d’acqua che viene fatto passare attraverso un
particolare tubo, il quale termina con un ugello. In corrispondenza del restringimento del
dispositivo, l’energia statica del liquido viene trasformata in energia cinetica e la velocità del
fluido aumenta notevolmente, originando una zona di depressione in corrispondenza
dell’uscita dell’ugello.
Figura 3: Principio di funzionamento delle pompe ad acqua.
A causa della tensione di vapore del liquido, l’utilizzo delle pompe ad acqua è relegato ad
applicazioni che non richiedono un vuoto particolarmente spinto (≥ 16 hPa). Un altro
svantaggio di questi sistemi consiste nel fatto che le sostanze volatili residue (tipicamente i
solventi) finiscono inevitabilmente nella fognatura. Le prestazioni offerte dalle pompe ad
acqua rispetto a quelle da vuoto, inoltre, sono decisamente inferiori. I vantaggi dell’utilizzo
delle pompe ad acqua consistono principalmente nel basso prezzo della strumentazione e nel
minor costo ambientale richiesto per la sua produzione (rispetto agli altri dispositivi).
Per avere un’idea dell’inquinamento legato all’utilizzo delle pompe ad acqua, sono stati
analizzati diversi dispositivi; il consumo medio di energia necessario per soddisfare la
richiesta d’acqua delle pompe è stato valutato tramite un’indagine specifica.
Consumo d’acqua per generare il vuoto
È stato confrontato il consumo d’acqua legato all’utilizzo di tre diverse tipologie di pompe ad
acqua (di diversi produttori). L’apparato sperimentale impiegato è mostrato in Figura 4 (a
pagina seguente):
2
Figura 4: Apparato di misura del consumo d’acqua delle pompe:
1. Misurazione del vuoto applicato;
2. Misurazione della pressione dell’acqua;
3. Pompa ad acqua;
4. Valvola di controllo.
Le pompe ad acqua utilizzate hanno raggiunto la loro massima prestazione solo dopo diversi
minuti di funzionamento. La pressione dell’acqua in entrata è rimasta costante durante l’intero
esperimento (4,8 bar); in Tabella 1 è possibile trovare tutti i dati registrati.
Pompe ad acqua
Vuoto iniziale
Vuoto dopo 20 min
Consumo d'acqua
Materiale
sintetico
40
26
8,74
Vetro 1
Vetro 2
[…]
40
36
6,95
40
34
6,57
hPa
hPa
L/min
Tabella 1: Consumo d’acqua delle pompe
Come già detto precedentemente, l’utilizzo delle pompe ad acqua permette di evitare l’utilizzo
di energia elettrica, tuttavia bisogna ricordare tutti i costi connessi all’erogazione dell’acqua
potabile dal rubinetto.
Pompe ad acqua – Consumo energetico nei processi preliminari
L’energia impiegata per produrre e distribuire (attraverso altre pompe) l’acqua potabile è, ad
esempio, un costo direttamente connesso con la produzione del vuoto tramite pompa ad
acqua. Bisogna, inoltre, considerare i bilanci dei materiali ed energetici che accompagnano la
realizzazione di tutti quei dispositivi necessari per il trattamento e la potabilizzazione
dell’acqua; anche i processi produttivi del cloro e delle sostanze anti-corrosione (che vengono
impiegati per mantenere in perfetta efficienza la rete idrica) sono aspetti che devono essere
considerati. In Tabella 2 sono disponibili tutti i dati relativi al consumo di energia e materiali
per la fornitura di acqua potabile da parte di diverse aziende del settore.
3
Azienda
1
2
3
4
5
Produzione di
acqua potabile
[m³]
2655000
6852136
9813655
10970963
1236547
Energia elettrica
[kWh/m3]
Cloro
[g/m3]
NaOCl
[g/m3]
Prevenzione della
corrosione [g/m3]
1,28
0,94
0,35
0,21
0,66
0,29
0,23
0,12
0,06
0,00
0,72
0,31
0,00
0,97
0,40
6,48
0,68
0,00
1,45
0,00
Tabella 2: Consumo di energia e materiali per la fornitura dell’acqua potabile
Secondo i dati appena forniti, servono all’incirca 670 Wh (1 Wh = 3,6 kJ) di energia per m³ di
acqua potabile. Considerando un consumo medio d’acqua per una pompa attorno ai 7 L/min,
risulta quindi un consumo energetico complessivo di 5 Wh/min, che deve essere inteso come
inquinamento addizionale, che va a sommarsi all’effettivo consumo d’acqua.
Dopo aver determinato il consumo di materiali ed energia delle pompe ad acque, si è passati
all’analisi delle pompe da vuoto.
Utilizzo delle pompe da vuoto
Le pompe da vuoto funzionano grazie all’energia elettrica e possono essere impiegate in
sostituzione delle pompe ad acqua. Il loro svantaggio principale è l’elevato costo da affrontare
per l’acquisto, soprattutto se paragonato a quello di una normale pompa ad acqua. Altri
problemi sono legati alla produzione di scarti, come nel caso dell’olio esausto delle pompe ad
olio, oppure alla necessità di installare trappole criogeniche per condensare e trattenere le
sostanze di scarto più volatili. Per un confronto tra pompe ad acqua e pompe da vuoto, sono
stati analizzati svariati modelli, focalizzando l’attenzione sul loro consumo energetico.
Pompa a membrana Vacuubrand, modello “MZ 2C/1,7”
Il modello Vacuubrand MZ 2C/1,7 (portata: 2,4 m³/h; pressione finale: < 15 hPa) è una
classica pompa a membrana.
Figura 5: Apparato di misura del consumo energetico – pompa a membrana:
1. Misurazione dell’energia elettrica;
2. Misurazione e settaggio della pressione;
3. Pompa.
4
Modello Vacuubrand MZ 2C/1,7
Consumo
[Wh/min]
# esperimento
1
2
3
4
5
6
7
8
1013 hPa
3,08
3,10
3,06
3,07
3,04
3,07
3,03
3,04
60 hPa
2,58
2,52
2,61
2,53
2,51
2,63
2,56
2,60
Tabella 3: Consumo di energia per la pompa da vuoto Vacuubrand, modello “MZ 2C/1,7”
A pressione atmosferica la pompa consuma circa 3,1 Wh/min, mentre lavorando a 60 hPa il
valore si abbassa a circa 2,6 Wh/min, come evidenziato dalla Tabella 3. Dal momento che il
consumo di energia dovrebbe essere circa lo stesso nelle due condizioni di lavoro, è possibile
stimare un consumo medio da parte della pompa di 2,8 Wh/min.
Pompa ad olio Leybold/Heraeus, modello “trivac D2A”
La pompa ad olio (a pale rotanti) Leybold/Heraeus, Modello “trivac D2A” (portata: 2,0 m³/h)
utilizzata presenta all’incirca lo stesso consumo energetico a tutte le pressioni prese in
considerazione; il valore medio si attesta attorno ai 5,4 Wh/min (cfr. Tabella 4, pagina
seguente).
Figura 6: Apparato di misura del consumo energetico – pompa a pale rotanti:
1. Misurazione dell’energia elettrica;
2. Misurazione e settaggio della pressione;
3. Pompa;
4. Valvola a tre vie.
5
Pompa ad olio Leybold/Heraeus, modello “trivac D2A”
Consumo
[Wh/min]
#
esperimento
1
2
3
4
5
6
7
8
1010 hPa
600 hPa
200 hPa
1 hPa
5,28
5,12
5,28
5,24
5,23
5,26
5,24
5,25
5,36
5,36
5,35
5,34
5,35
5,54
5,16
5,34
5,52
5,50
5,52
5,51
5,53
5,48
5,51
5,52
5,52
5,55
5,60
5,69
5,53
5,73
5,59
5,60
Tabella 4: Consumo di energia per la pompa da vuoto Leybold/Heraeus, modello “trivac D2A”
Pompa ad olio Vacuubrand, modello “CVC 2000”
Questo modello (portata: 1,6 m³/h; pressione finale: < 2 hPa) è una pompa da vuoto ad olio,
dotata di controllo della velocità; questo significa che il vuoto non è regolato tramite
ventilazione (come accade normalmente), bensì viene controllato agendo sui giri al minuto
effettuati dallo strumento.
Figura 7: Apparato di misura del consumo energetico – pompa ad olio:
1. Misurazione dell’energia elettrica;
2. Misurazione e settaggio della pressione;
3. Pompa.
Le misurazioni hanno fornito un consumo energetico medio di 0,94 Wh/min a pressione
atmosferica; passando invece a valori di pressione inferiori, i dati ottenuti non sono molto
significativi, in quanto la pompa si blocca autonomamente, una volta raggiunto il valore di
pressione impostato. Si considera quindi che il consumo energetico sia superiore rispetto ai
valori presenti in Tabella 5 (cfr. pagina seguente), ma inferiore rispetto al funzionamento a
pressione atmosferica.
6
Pompa a controllo di velocità Vacuubrand, modello “CVC 2000”
Consumo
[Wh/min]
#
esperimento
1
2
3
4
5
6
7
8
1010 hPa
600 hPa
200 hPa
3 hPa
0,65
0,96
0,95
0,94
0,93
0,93
0,94
0,92
0,15
0,12
0,12
0,12
0,13
0,12
0,12
0,13
0,23
0,11
0,12
0,12
0,11
0,12
0,11
0,12
0,18
0,16
0,19
0,18
0,19
0,17
0,19
0,18
Tabella 5: Consumo di energia per la pompa da vuoto Vacuubrand, modello “CVC 2000”
Conclusioni
In analogia a quello che è stato riscontrato per le operazioni di riscaldamento (cfr. l’articolo
“Aspetti ambientali della somministrazione dell’energia a sistemi chimici” nella sezione
“Tecniche” del sito), anche l’utilizzo del vuoto ha delle conseguenze immediate rispetto al
consumo di materiale e di energia che una determinata sintesi comporta, incidendo quindi
anche sul suo potenziale di inquinamento. Visto che molto spesso la generazione del vuoto
occupa la fetta più consistente all’interno del consumo globale di energia, il suo utilizzo
andrebbe limitato solo a quei casi in cui sia effettivamente necessario (ad esempio: solo se
non esistono alternative soddisfacenti).
Un elevato consumo d’acqua e un consumo di energia comparabile a quello delle pompe da
vuoto rendono le pompe ad acqua molto inquinanti: per generare il vuoto con un occhio di
riguardo all’ambiente, è quindi preferibile ricorrere alle pompe da vuoto.
Tra tutte quelle disponibili, inoltre, sarebbe meglio (per rispettare l’ambiente) optare per le
pompe da vuoto dotate di un sistema di controllo della velocità, tramite il quale è possibile
modularne il funzionamento.
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