Cavitazione idrodinamica

Cos’è?

La cavitazione è un fenomeno di formazione, accrescimento e implosione di bolle di vapore in un liquido a temperature inferiori rispetto al punto di ebollizione, che genera microambienti caratterizzati da temperature localmente elevatissime e intense onde di pressione e getti idraulici.
Per anni è stata considerata un fenomeno indesiderato ed è stata studiata unicamente per limitarne gli effetti negativi, come la corrosione di parti meccaniche (eliche, turbine, componenti sommersi). Negli ultimi decenni è stata invece “riscoperta” per le sue grandi potenzialità per l’intensificazione di una serie di processi fisici, chimici e biochimici, tanto da essere stata definita “benedizione sotto mentite spoglie” (Shrikant and Khambete, 2017).

Come si genera

 Ci sono diverse tecniche di innesco e controllo della cavitazione idrodinamica, ma quella più efficiente e praticabile per trattare matrici ad elevato contenuto di materiale biologico e/o di particelle solide, prevede l’accoppiamento di una o più pompe idrauliche con reattori in forma di tubi Venturi. 

All’interno di un circuito idraulico chiuso, il liquido in movimento viene forzato a passare attraverso una strozzatura nel condotto (Venturi) che impone al liquido una variazione di pressione capace di innescare la formazione delle bolle di cavitazione e la loro successiva implosione nella sezione del condotto che si allarga gradualmente fino a riprendere il diametro normale del tubo.
Il controllo del fenomeno è dunque strettamente legato alla geometria del Venturi, ai cui dettagli sono ascrivibili insieme la criticità e le straordinarie opportunità delle tecniche di cavitazione idrodinamica (HC).

Effetti

Durante la fase di collasso, all’interno delle bolle si generano microambienti estremamente reattivi, “hot spot”, caratterizzati da temperature elevatissime, intense onde di pressione e getti idraulici, responsabili delle diverse trasformazioni chimiche e fisiche.
La dinamica delle bolle di cavitazione è piuttosto complessa: è fatta di tanti processi (turbolenza diffusa, cambiamenti di fase, scambi di calore) che si verificano a diverse scale (dalla massa alla micro scala) e che avvengono in diverse zone (all’interfaccia con superfici solide, all’interno del fluido, intorno alle bolle).
In sintesi uno schema delle principali trasformazioni:

  • All’interno delle bolle: migrazione delle sostanze idrofobiche, micro-pirolisi
  • All’interfaccia liquido-bolla: ossidazione dei radicali (OH, limitato senza additivi AOP), ossidazione
  • Intorno alle bolle: effetti fisici (meccanici), microporosità / macinazione / rottura
  • Nel liquido: degassamento, riscaldamento volumetrico, turbolenza, aumento della massa e degli scambi di calore.

Tra le proprietà fondamentali della classe di tecnologie e processi HC, di particolare rilievo sono la degassificazione delle matrici liquide, il marcato incremento degli scambi di massa e di calore, il riscaldamento volumetrico e più efficiente, la disintegrazione, o l’incremento di porosità, di sostanze solide, la forte riduzione dimensionale delle gocce di olio o dei granuli lipidici, la riduzione della tensione superficiale con conseguente incremento della miscibilità di liquidi diversi, la micropirolisi molecolare, depolimerizzazione e degradazione di sostanze idrofobiche, l’inattivazione a temperature moderate della carica batterica e perfino di alcuni virus, l’incremento del recupero di minerali per flottazione, e, coniugate a specifici additivi, la generazione di potenti processi ossidativi.

Applicazioni

Le tecnologie HC sono sperimentate e praticate con successo in una vasta area di campi applicativi quali, ad esempio, depurazione delle acque reflue e disinfezione delle acque potabili, pretrattamento delle biomasse, pastorizzazione e sterilizzazione degli alimenti, formazione di nanoemulsioni ultra-stabili, e molte altre.
Lo spettro delle applicazioni delle tecnologie HC si va estendendo sempre più rapidamente, fino a coinvolgere numerosi campi tecnici dei settori agricolo, agro-industriale, forestale, alimentare ed energetico.

Se la maggior parte delle applicazioni sono per ora solitamente sperimentate alla scala di impianti pilota e dunque confinate allo stadio di convalida in laboratorio (Technology Readiness Level – TRL 4), alcune sono già state trasferite al livello industriale (TRL da 7 a 9) e il trend è in crescita.

Vantaggi

Le tecnologie basate su HC si sono dimostrate nettamente competitive, in grado di aumentare decisamente le rese dei processi, sia operando come unità singola sia integrate con altre tecnologie. Permettono di aumentare le rese complessive e il consumo exergetico dei processi in cui sono impiegate, e sono scalabili. Sono aderenti ai principi dei green and sustainable extraction methods of natural products.

  • inferiori costi di impianto e di gestione 
  • superiori rese di processo e risparmio energetico 
  • tempi di processo inferiori 
  • robustezza, scalabilità e flessibilità di applicazione 
  • superiore estrazione di composti bioattivi 
  • riduzione o annullamento dell’impiego di additivi (solventi, emulsionanti, conservanti, ecc.) 
  • conformità ai principi della chimica verde e dell’estrazione verde di prodotti naturali.

Per approfondire

Meneguzzo, F., Albanese, L., Crisci, A., & Zabini, F. (2019). Controlled hydrodynamic cavitation as a tool to enhance the properties of biological sources. In A. Ferrari (Ed.), BioEconomy. Biological sources for a sustainable world. Montelibretti (Roma): Area della Ricerca di Roma 1. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.16323.66081