ITUB20155667A1 - Metodo ed apparato per la miscelazione di polveri costituite da particelle fini ed ultrafini - Google Patents

Description

DESCRIZIONE della domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo "Metodo ed apparato per la miscelazione di polveri costituite da particelle fini ed ultrafini

Campo tecnico dell'invenzione

L’invenzione è relativa ad un metodo per la miscelazione di polveri costituite da particelle fini ed ultrafini, più precisamente l'invenzione si riferisce alla miscelazione di particelle fini ed ultrafini che si basa sulla tecnologia della fluidizzazione assistita da campi acustici.

Aide nota

Allo stato dell'arte sono noti diversi tipi di miscelatori, come tumbling mixer, miscelatori convettivi, miscelatori high-shear, tra cui media mills e hammer mills. Tuttavia, la presente letteratura si riferisce principalmente a grandi particelle sferiche non coesive, ovvero particelle di dimensioni superiori a 30pm, per le quali le forze interparticellari sono piccole rispetto alle forze di tipo gravitazionale e il loro ruolo nella miscelazione può essere trascurato. Detti tipi di miscelatori si riferiscono raramente a sistemi di particelle in forma di polveri con dimensioni dell'ordine dei micron o inferiori.

Infatti, i miscelatori attualmente disponibili non sono efficaci nella rottura degli aggregati di particelle altamente coesive che richiederebbero imo s hear molto intenso o impatti ad alte velocità, ovvero dispositivi di riduzione granulometrica piuttosto che semplici miscelatori convenzionali.

E’ prevedibile che la prossima generazione di materiali compositi e rivestimenti (coating) impiegherà particelle fini e ultrafini. Pertanto, la capacità di prepar ai' e compositi ben miscelati è estremamente importante, ed è quindi necessario sviluppare tecnologie di preparazione di miscele in grado di gestire grandi quantità di particelle fini e ultrafini. Idealmente, un processo di miscelazione di solidi particellari deve assicurare che le particelle di diversa natura siano intimamente miscelate in modo che qualsiasi piccolo campione prelevato dalla miscela contenga la stessa proporzione dei componenti, cioè i singoli materiali devono essere omogeneamente dispersi. Questo è estremamente difficile da realizzare quando le polveri sono coesive in quanto si presentano in forma di aggregati a causa delle intense forze interparticellari quali, ad esempio, forze di van der Waals ed elettrostatiche in generale.

Le attuali tecniche di miscelazione di polveri fini possono essere classificate in miscelazione umida e a secco.

Le tecniche di miscelazione umida consistono semplicemente nella sospensione delle diverse polveri in un solvente liquido con alcuni additivi quali sali e tensioattivi.

Queste tecniche sono le più comunemente usate, ma presentano degli svantaggi non trascurabili. In particolare, il materiale di interesse deve essere insolubile nel mezzo liquido, sono necessarie ulteriori fasi di filtrazione ed essiccamento (cioè le polveri devono essere riscaldate a temperature superiori a quella ambiente che potrebbero alterare le loro proprietà originali), e, infine, sono generalmente dannose per l'ambiente a causa delle emissioni di VOC.

Le tecniche di miscelazione a secco includono magnetically assisted impact mixing (miscelazione per impatto assistita magneticamente) (MAIM), sistema di ibridazione (ΗΎΒ), mechanofusion (fusione meccanica) (MF), micros (MIC) and rapid expansion of high pressure and supercritical suspensions (espansione rapida di sospensioni ad alta pressione e supercritiche) (REHPS).

Nella tecnica MAIM, le polveri dei componenti da miscelare sono poste in un contenitore non metalhco insieme con particelle magnetiche, successivamente sottoposte ad un campo magnetico oscillante che provoca ima forte agitazione delle particelle magnetiche, le quali subiscono urti con le pareti del contenitore e con le altre particelle favorendo la miscelazione.

Il ΗΎΒ utilizza una camera cilindrica con un rotore e lame rotanti ad alta velocità; a causa delle elevate forze centrifughe, le particelle si muovono violentemente all' interno del sistema subendo molte collisioni con le lame rotanti e tra loro, consentendo quindi la disgregazione degli aggregati e favorendo la miscelazione. Il dispositivo MF ha un tamburo cilindrico che mota ad alta velocità (fino a 3000 rpm) , mentre un braccio interno stazionario crea intense forze di compressione e di taglio sulla miscela di polveri bloccate tra il braccio ed il tamburo cilindrico, promuovendone la miscelazione.

Il dispositivo MIC consiste in un recipiente con un albero principale rotante e un numero di anelli impilati, che servono come mezzi di fresatura. Le particelle, trattenute tra il sistema rotante di anelli e la superficie della parete cilindrica, vengono sottoposte a forze di compressione che causano la loro polverizzazione, dispersione ed intensa miscelazione.

Nel processo REHPS per la miscelazione di polveri fini e ultrafini, un fluido di sospensione, come CO2 supercritica, che trasporta le polveri, è fatto passare attraverso un ugello; l'elevata velocità di dissipazione di energia all'interno e all'ingresso dell'ugello provocano la rottura dell'aggregato.

Nel complesso, queste tecniche di miscelazione a secco sono, in generale, non efficaci nel conseguire la desiderata miscelazione sulla scala delle particelle primarie di polveri fini ed ultrafini e sono caratterizzate da diversi svantaggi: i) il metodo MAIM comporterebbe Γ aggiunta di particelle magnetiche alle polveri da miscelare, provocando, pertanto, l'inevitabile contaminazione della miscela finale (a causa particelle magnetiche residue); ii) i metodi MIC e MF implicano urna sorta di frantumazione delle polveri, alterando così la granulometria delle polveri originali; iii) i metodi ΗΎΒ e REHPS potrebbero danneggiare le particelle originali, in quanto richiedono impatti ad alta intensità o Γ esplosione degli aggregati di particelle.

In US 7,658,340 è descritto un processo di fluidizzazione di nanopar tic elle mediante applicazione di campi esterni di forze di varia natura senza alcun riferimento esplicito alla miscelazione di polveri fini e ultrafini. La miscelazione è descritta solo in riferimento ad ima realizzazione preferita in cui si utilizzano letti fluidi soggetti a vibrazione meccanica ed in presenza di campi magnetici. Questo aspetto è particolarmente rilevante dal momento che anche in questo caso l'impiego di campi magnetici è legato all aggiunta di particelle con proprietà magnetiche disperse tra le polveri da miscelare. L’impiego di particelle con determinati requisiti costituisce naturalmente un limite del processo e, inoltre, l'aggiunta di particelle magnetiche alle polveri da miscelare determina l'inevitabile contaminazione della miscela finale (a causa particelle magnetiche residue).

Recentemente la miscelazione delle polveri fini ed ultrafini, tra cui micro e nano-particelle, ha suscitato un certo interesse, viste le potenziali nuove applicazioni quali la produzione di cosmetici, alimenti, materie plastiche, materiali compositi, manufatti metallici, catalizzatori; nel settore energetico, dei biomateriali, di materiali metallici, e in sistemi microelettromecc anici (MEMS).

In ale mi e applicazioni, nanocompositi o compositi costituiti da diverse particelle fini (<30μηι) sono prodotti in modo diretto, altre volte tali compositi sono fabbricati a partire dai singoli componenti, che vengono in seguito pressati e sinterizzati.

Poiché le particelle fini e ultrafini sono sempre in forma di aggregati a causa delle grandi forze interparticellari , la rottura degli aggregati è il primo passo necessario per ottenere una buona miscelazione. Tuttavia, i metodi sopracitati portano spesso ad una miscelazione grossolana perché non riescono a contrastare in maniera efficace le forze interparticellari non trascurabili a cui le particelle sono soggette.

Lo stesso richiedente ha ottenuto il brevetto italiano n.

0001239345 riguardante un'apparecchiatura per la vibroflui di zz azione di solidi mediante energia acustica ed il relativo procedimento, dove non vi è alcun riferimento alla miscelazione di polveri coesive; inoltre, detto processo di fluidizzazione riguarda anche solidi a carattere coesivo, ma al limite si riferisce a materiali micronici e non a materiali ultrafini quali nanoparticelle.

Al fine di ottenere una buona miscelazione, ovvero ottenere una miscela omogenea, è necessario che la miscelazione sia accompagnata dalla rottura degli aggregati e da un'efficiente dispersione delle polveri da miscelare.

La tecnica della fluidizzazione solido-gas (D. Kunii, O. Levenspiel, Fluidization Engeenering. B utter worth- H eimrr ann, London, 1991) è, in generale, una delle più efficaci tecniche disponibili atte a garantire la movimentazione di polveri in modo continuo e con ima buona miscelazione a livello macroscopico, grazie all'efficacia del contatto gas-solido.

Sulla base della dimensione e della densità delle particelle di partenza, le polveri fini ed ultrafini rientrano nel gruppo C della classificazione di Geldart delle polveri, ovvero particelle di dimensioni < 30 uni . Ciò significa che la loro fluidizzazione risulta particolarmente difficile a causa di forze coesive interparticellari che diventano sempre più importanti al diminuire delle dimensioni stesse (Zhu, C., Yu, Q., Dave, R.N., Pfeffer, R. (2005). Gas fluidization characteristics of nanoparticles agglomerates, AIChE J. 51, 426—439; Wang, X., Rahman, R.F., Rhodes, M.J. (2007) Nanoparticle fluidization and Geldart's classification, Chem. Eng. Sci. 62, 3455—3461). A causa delle suddette forze interparticellari, le particelle fini coesive si presentano sempre nella forma di aggregati porosi di grandi dimensioni. Pertanto, la fluidizzazione di dette polveri effettivamente avviene in forma di aggregati di particelle piuttosto che come particelle primarie. Le proprietà dei suddetti aggregati influenzano fortemente la qualità della fluidizzazione, mentre la dimensione e la densità delle particelle primarie non possono essere considerati parametri rappresentativi per predire il comportamento della loro fluidizzazione. Ciò costituisce un limite al processo di miscelazione di polveri fini ed ultrafini attraverso la tecnologia della fluidizzazione, dal momento che la qualità della fluidizzazione incide sulla qualità della miscelazione; in particolare, la miscelazione si verificherebbe tra aggregati e non tra le particelle primarie, influenzando in tal modo anche la composizione e l'uniformità della miscela finale.

Di conseguenza, la formazione di aggregati grossolani deve essere contenuta in modo da ridurre il più possibile le dimensioni degli aggregati e per sfruttare adeguatamente il potenziale delle particelle fini e ultrafini. In altre parole, si rende necessaria una efficiente disgregazione degù aggregati di particelle, che influirà anche sul regime di fluidizzazione che si instaurerà.

A conoscenza degli inventori, rimane ad oggi insoluto il problema tecnico connesso all’ ottenimento di ima miscelazione efficace di polveri coesive fini e ultrafini .

Scopo della presente invenzione è quello di proporre un metodo di miscelazione in grado di promuovere e migliorare la miscelazione di polveri fini ed ultrafini a carattere coesivo.

Sommario dell'invenzione

La presente invenzione è relativa e un metodo per la miscelazione di polveri fini e ultrafini basato sulla tecnologia della fluidizzazione assistita da campi acustici. In particolare, la tecnologia proposta determina la rottura degù aggregati caratteristici delle polveri coesive (dovuti a forze di van der Waals, coulombiane e altre forze coesive) ed evita, quindi, gli inconvenienti tipici della loro fluidizzazione, quali canalizzazione e formazione di plug, che comprometterebbero la loro stessa miscelazione.

Per polveri fini si intendono polveri costituite da particelle di dimensioni inferiori a 30 micron. Nel caso delle polveri ultrafini le dimensioni delle particelle sono inferiori a 1 micron; in pratica le polveri ultrafini sono costituite da nano particelle, o particelle con dimensioni nanometriche. Per fluidizzazione si intende la distribuzione omogenea del gas (o del fluido) nel solido attraversato. Il concetto e le condizioni di fluidizzazione sono alla portata del tecnico del ramo.

L'intensità e la frequenza del campo acustico possono essere fissate ad un valore compreso tra 125-150dB e 20-300 Hz, rispettivamente. L'applicazione di campi acustici di opportuna intensità e frequenza è in grado di promuovere il meccanismo di rottura degli aggregati; è stato inoltre dimostrato che questi aggregati subiscono un'evoluzione dinamica dm’ ante la fluidizzazione assistita da campi acustici. Durante la fluidizzazione gli aggregati sono soggetti a continui processi di disgregazione e ricombinazione di aggregati più piccob e particelle ultrafini. E' evidente come tale meccanismo di aggregazione e disgregazione comporti, oltre ad ima miscelazione su scala macroscopica, cioè tra aggregati formati da un solo tipo di particelle, anche ima miscelazione microscopica, cioè all'interno degli aggregati sulla scala delle dimensioni delle particelle primarie. Tale miscelazione microscopica determina la formazione di aggregati ibridi, costituiti, cioè, da polveri diverse.

L'invenzione quindi si riferisce alla miscelazione di particelle coesive fini e ultrafini che si basa sulla tecnologia della fluidizzazione assistita da campi acustici. Al fine di ottenere ima miscelazione di diverse pai' tic elle fini ed ultrafini che sia omogenea, ovvero che ogni campionamento ottenuto dalla miscela conservi una data composizione, il processo di miscelazione deve comprendere: a) la rottura degli aggregati costituiti dalle particelle primarie, b) la dispersione delle diverse particelle in fonila di singole particelle o piccoli aggregati di una specie nell'altra. In tal modo, gli aggregati, inizialmente formati da particelle dello stesso tipo saranno poi successivamente formati da particelle di tipi diversi, opportunamente formatisi in fase di rottura degli aggregati di partenza.

Il processo di miscelazione dell'invenzione sfrutta il meccanismo alla base della fluidizzazione assistita da campi acustici, ovvero l'instaurarsi di un moto relativo tra aggregati di polveri coesive (anche di diversa specie) dovuto alla generazione di forze di inerzia e viscose in conseguenza dell'applicazione di campi acustici opportuni. In altre parole, l'applicazione di campi acustici è tale da generare forze di inerzia e viscose, che agiscono sugli aggregati e sulla singole particelle; se tali forze sono sufficientemente elevate (ovvero se i campi acustici hanno opportuni valori di intensità e frequenza) si può provocare un moto relativo (non solo tra fase solida e gas ma anche) tra aggregati di diverse dimensioni, con conseguente rottura degli aggregati dovuti alle forze interparticellari di natura coesiva. Tale meccanismo è in grado di promuovere la rottura degli aggregati, ovvero di realizzare lo step (a). Allo stesso tempo le polveri di diversa specie così disgregate sono soggette sia al! azione del gas di fluidizzazione che tende a favorirne la dispersione (ovvero possono venire in contatto sub-aggregati o particelle di natura diversa) sia all'azione delle forze coesive che tendono a favorire la formazione di nuovi aggregati di natura ibrida. In tal modo si realizza contemporaneamente lo step (b).

Lo scopo della presente invenzione è quello di presentare un metodo di miscelazione basato sulla fluidizzazione assistita mediante campi acustici al fine di promuovere e aumentare il grado di miscelazione di polveri fini ed ultrafini rispetto al caso di ima fluidizzazione non assistita.

Ulteriori scopi dell’ invenzione risulteranno evidenti dalla descrizione dettagliata dell’ invenzione.

Breve descrizione delle Figure

Figura 1: Rappresentazione schematica tipica dell’apparato per miscelare polveri fini ed ultrafini con il metodo secondo l’invenzione.

Figura 2: Meccanismi di miscelazione degli aggregati. I) Miscelazione dei singoh aggregati; II) Miscelazione dei subaggregati (che conduce alla formazione di aggregati misti).

Figura 3: Immagini SEM degli aggregati della miscela con analisi EDS degli aggregati: campione prelevato dopo 1 min dui’ ante la prova di miscelazione.

Figura 4: Evoluzione temporale della composizione degli aggregati determinata mediante analisi SEM/E DS.

Figura 5: Andamento dellindice di miscelazione degli aggregati (130dB-120Hz) determinato mediante analisi SEM/EDS.

Figura 6: Andamento dellindice di miscelazione degli aggregati determinato mediante analisi SEM/EDS. a) lOOdB-120Hz; b) 130dB-1000Hz.

Descrizione dettagliata dell<'>inv enzione La presente invenzione, differentemente da altri processi di miscelazione di polveri, comporta la formazione dinamica di aggregati ibridi, ovvero formati dai diversi tipi di polveri che si intendono miscelare, fino ad arrivare alla miscelazione completa.

Dette polveri possono essere almeno due di due tipi diversi, e possono essere anche più di due tipi.

Tale differenza è rappresentata graficamente in Figura 2 dove sono mostrati due cammini di miscelazione di polveri di tipo A e polveri di tipo B, diverse fra loro.

Il cammino I (mostrato per confronto) rappresenta ima miscelazione a livello di aggregati mentre il cammino II (secondo Tinvenzione) rappresenta un esempio di miscelazione a livello di particelle singole o sub-aggregati in cui si ha una prima fase di disgregazione degli aggregati seguita da una seconda fase di formazione di aggregati misti A+B. Ai fini di questa invenzione si definisce miscelazione completa o omogenea una miscelazione del secondo tipo o cammino II (Fig. 2).

In pratica l'uso delle condizioni di fluidizzazione assistita da campi acustici favorisce l'intima miscelazione di polveri di diversa natura. Le condizioni di intensità e frequenza secondo l'invenzione permettono di ottenere, a paidire da polveri differenti fra loro, una miscela omogenea che risulterà essere un nuovo tipo di polvere, differente dalle polveri di partenza. Come illustrato schematicamente in Figura 2, a partire dagli aggregati di particelle A e B sono possibili due tipologie di mescolamento delle polveri A e B. Nel cammino I, utilizzando tecniche diverse da quella secondo l'invenzione non idonee alla miscelazione di polveri fini ed ultrafini, si realizza una miscelazione a livello di aggregati. Invece, nel cammino II, nelle condizioni secondo l'invenzione, si realizza ima intima miscelazione delle polveri A e B. In pratica gli aggregati AB e BA risultano ibridi, ovvero costituiti da entrambe le polveri.

A conferma di quanto sopra, la Figura 3 illustra una micrografia degli aggregati ottenuti con il metodo dell'invenzione.

Come illustrato, gli aggregati visibili al SEM sono costituiti da una intima e indistinguibile miscela dei componenti iniziali.

L'analsi EDS consente di determinare in maniera quantitativa la composizione di ciascun aggregato.

Le polveri fini ed ultrafini trattate con il metodo di miscelazione della presente invenzione raggiungono un indice di miscelazione pari a 1 in un tempo inferiore ai 60 minuti, preferibilmente in un tempo inferiore ai 40 minuti.

[ll| metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini della presente invenzione comprende le seguenti principali fasi:

i) acquisizione delle polveri costituite da particelle fini ed ultrafini e loro inserimento nel reattore;

ii) alimentazione del gas di fluidizzazione; il gas da impiegare può essere aria, azoto e qualunque altro gas inerte rispetto alle polveri da miscelare inoltre, è preferibile l’impiego di un gas che non comporti un incremento della coesività delle polveri, ad esempio sarebbe da evitare l’uso di un gas umido in quanto si osserverebbe un aumento della coesività delle polveri dovuto all’ instaurarsi di forze capillari; la velocità superficiale del gas o di fluidizzazione dipende dal tipo di polveri da miscelare (ad esempio, polveri microniche o nanometriche), per cui il modo corretto di procedere prevede la stima della velocità minima di fluidizzazione da impiegare per la miscelazione a partire da preventivi test di fluidizzazione sulle singole poveri in presenza di campi acustici al fine di determinare la loro velocità di minima fluidizzazione. Ne segue che il valore della velocità di fluidizzazione da impiegare nella miscelazione deve essere maggiore del valore della velocità di minima fluidizzazione delle polveri da miscelare. La durata del processo non è prevedibile, in quanto dipende ancora ima volta dalla natura delle polveri, in quanto polveri a carattere maggiormente coesivo (che tendono a formare aggregati inizialmente più stabili) possono richiedere più tempo rispetto ad altre, caratterizzate da aggregati più labili (comunque, nelle nostre investigazioni i tempi sono sempre risultati inferiori ad un'ora di trattamento, anche inferiori ai 40 minuti);

iii) contemporanea attivazione del campo acustico; l'intensità e la frequenza del campo acustico possono essere fissate ad un valore compreso tra 125-150dB e 20-300 Hz, rispettivamente;

iv) il sistema viene operato in queste condizioni per il tempo necessario ad ottenere la miscelazione delle polveri;

v) scarico delle polveri dal reattore.

Nello specifico, il metodo si adatta a polveri fini ed ultrafini (microniche e nanometriche) di qualunque tipo, quali ad esempio l'ossido di alluminio (AI2O3) e l'ossido di ferro (FegOa).

La frequenza e l'intensità sonora vengono mantenute costanti nel corso del processo di miscelazione. Generalmente detta intensità cade nell’intervallo 125-150 dB. L’intensità ha generalmente un effetto monotono sull’efficacia della miscelazione, fissate le polveri da miscelare; esiste comunque mi valore di soglia (minimo), fissate le polveri da miscelare, a cui corrisponde la massima efficacia di miscelazione, ovvero al di sopra del quale non si osservano ulteriori miglioramenti nella miscelazione, essendo questa già completa. A seconda delle polveri tale intensità minima può essere più o meno elevata, nell’intervallo indicato. In modo analogo la frequenza delle onde sonore è fissata e cade nell’intervallo 20-300 Hz.

La frequenza, al contrario dell’intensità, ha un effetto non monotono sull’efficacia della miscelazione fissate le polveri da miscelare. E’ generalmente possibile individuare un intervallo di frequenze ottimali, pari a 50-120 Hz.

Dm' ante la fluidizzazione il gas o la miscela di gas impiegati sono scelti secondo i seguenti criteri: il gas da impiegare può essere aria, azoto e qualunque altro gas inerte rispetto alle polveri da miscelare, inoltre, è preferibile l’impiego di un gas che non comporti un incremento della coesività delle polveri, ad esempio sarebbe da evitare l’uso di un gas umido in quanto si osserverebbe un aumento della coesività delle polveri dovuto all’ instaurarsi di forze capillari.

Detti gas sono immessi nel letto di fluidizzazione a velocità di fluidizzazione fissata secondo i seguenti criteri: la velocità di fluidizzazione dipende dal tipo di polveri da miscelare (ad esempio, polveri microniche o nanometriche), per cui il modo corretto di procedere prevederebbe la stima della velocità di fluidizzazione da impiegare per la miscelazione a partire da preventivi test di fluidizzazione sulle singole poveri in presenza di campi acustici al fine di determinare la loro velocità di minima fluì di zz azione.

Per il calcolo della velocità di minima fluidizzazione esistono delle relazioni semi empiriche che, però, nel caso di polveri a carattere coesivo possono non avere un carattere predittivo. In questo caso è più corretto ricorrere alla determinazione sperimentale della velocità di minima fluidizzazione a partire dalla curva di fluidizzazione che riporta le perdite di calicò subite dal gas nell'attraversamento del letto in funzione della velocità superficiale del gas stesso. L'esperto del ramo è in grado di determinare le condizioni di fluidizzazione di polveri. In ogni caso il valore della velocità di fluidizzazione da impiegare nella miscelazione deve essere maggiore del valore della velocità di minima fluidizzazione delle polveri da miscelare. Valori tipici della velocità di fluidizzazione da impiegare per la miscelazione sono pari a 0.1-0.5 cm/s nel caso di polveri nanometriche e a 1-5 cm/s nel caso di polveri microniche. La fluidizzazione è eseguita per un tempo non prevedibile, in quanto dipende dalle polveri da miscelare, poiché polveri a carattere maggiormente coesivo (che tendono a formare aggregati inizialmente più stabili) possono richiedere più tempo rispetto ad altre caratterizzate da aggregati più labili; comunque, nelle nostre investigazioni i tempi sono sempre risultati inferiori all'ora, e anche inferiori a 40 minuti, con valori tipici, nel caso di polveri nanometriche, dell'ordine della decina di minuti e, nel caso di polveri microniche, dell'ordine di qualche minuto.

L'apparato per la realizzazione del metodo comprende tipicamente i seguenti elementi:

1) reattori a letto fluidizzato in sé noti. La colonna di fluidizzazione può essere costituita da qualunque materiale (plexiglas, pyrex, quarzo, acciaio, ...). Ovviamente l'impiego di materiali trasparenti consente di avere anche una visione del materiale durante la miscelazione, cosa che invece è preclusa nel caso, ad esempio dell'acciaio. E' possibile pensare anche ad ima miscelazione condotta a temperature maggiori di quella ambiente (l'app he azione dei campi acustici è possibile anche in questo caso, purché raltopaiiante sia preservato daH'irr aggi amento del letto), per cui in questi casi è necessario l'impiego di materiali resistenti a queste temperature (tipo pyrex, quarzo o acciaio)

2) sistema di generazione e propagazione del campo acustico costituito da un generatore di segnale, un amplificatore, un altoparlante ed un microfono. Ha senso parlare di posizionamento rispetto alla colonna solo dell' altoparlante: esso può essere posizionato in testa alla colonna di fluidizzazione, lateralmente o anche al di sotto del distributore, e collegato al reattore mediante apposita guida d'onda sonora. Il microfono deve essere in grado di rilevare il segnale sonoro proveniente dal letto fluidizzato. Entrambi i dispositivi devono essere posizionati in modo da garantirne la protezione dalle polveri elutriate o dall'irraggiamento del letto nel caso di miscelazione a temperatura maggiore di quella ambiente. L'intero sistema (reattore e guida d'onda) rispetta il principio alla base del risuonatore di Helmhotz, che consente di attenuare le onde sonore e, quindi, il rumore ad esse associato, garantendo un efficace isolamento acustico. Tutti i dispositivi sopra menzionati sono alla portata del tecnico del ramo;

3) misuratori della portate del gas alimentato: possono essere di qualunque tipo (rotametri, misuratori di portata massica,...).

Tutti i dispositivi sopra menzionati sono in sé noti;

4) strumento per la misura della caduta di pressione subita dal gas attraverso il letto: può essere di qualunque tipo (tipo manometri a U, trasduttori,...). Tutti i dispositivi sopra menzionati sono in sé noti;

Il metodo sopra descritto non si configura come un metodo per la fluidizzazione di polveri ma costituisce un vero e proprio metodo di miscelazione e il reattore a letto fluidizzato acusticamente in cui lo si realizza si configura come un mescolatore o mixer di polveri fini ed ultrafini.

Nella realizzazione delTinvenzione deve essere considerata Tattenuazione dellintensità del campo acustico attraverso Taltezza del letto di fluidizzazione che è pari a circa 10 dB per 10 cm di letto (F. Rag anati, P. Ammendola, R. Chirone, CO2 adsorption on fine activated carbon in a sound -assist ed fluidized bed: Effect of somid intensity and frequency, CO2 partial pressure and fluidization velocity, Appi. Energ. 113 (2014) 1269-1282.); si ritiene, quindi, che l'altezza massima per il letto di fluidizzazione è pari a 50 cm.

Ciò significa che su scala industriale Γ apparecchi atura potrà svilupparsi in superficie aumentando le dimensioni trasversali del letto di fluidizzazione e predisponendo più altoparlanti opportunamente collocati rispetto a detto letto, in modo da garantire la propagazione di un'onda sonora piana.

La presente invenzione presenta numerosi vantaggi tra i quali vi è il fatto di non richiedere apparecchiature aggiuntive né additivi da inserire nel materiale da miscelare, come è invece richiesto da altri metodi di miscelazione facenti parte dello stato dell’arte, e inoltre detto metodo non altera in alcun modo le proprietà delle particelle di partenza, come ad esempio le caratteristiche magnetiche e morfologiche. Lo stesso metodo può essere impiegato a temperature superiori alla temperatura ambiente e consente di ottenere miscelazioni su scala nanometrica.

Ulteriore vantaggio è rappresentato dall’ economicità delle apparecchiature necessarie e dalla semplicità del loro utilizzo.

L’invenzione trova applicazione preferita in tutti i settori industriali che si occupano della miscelazione di palàie eli e fini e ultrafini, in particolare nel settore manifatturiero quali ad esempio il settore cosmetico, alimentare, della plastica, metallurgico.

Altre possibili applicazioni dell’invenzione interessano il settore energetico -ambientale, in particolare processi di trattamento di materiali fini o sistemi di filtraggio per la cattura del particolato.

Esempi

E’ qui di seguito descritto un esempio di realizzazione dell’invenzione a dimostrazione dell'efficacia della fluidizzazione assistita da onde sonore nel promuovere la miscelazione di polveri ultrafini. Nello specifico sono state miscelate due polveri nanometriche quali l’ossido di alluminio (AI2O3), indicata come polvere A, e l’ossido di ferro (FeijCL), indicata come polvere B, di dimensioni inferiori a 50 nm.

In particolare, si è caratterizzata la miscelazione tra le due polveri sia a livello globale di tutto il letto che a livello degli aggregati fluidizzati, che, se presente, sarebbe da imputare ad un’ evoluzione dinamica degli aggregati in condizioni di fluidizzazione. In altre parole, la miscelazione a livello globale può essere associata a due meccanismi che si sviluppano a Kvello locale, schematicamente riportati in Fig. 2, dove A e B indicano due aggregati iniziali composti unicamente da AI2O3 e FeaCL, rispettivamente. La fluidizzazione assistita acusticamente può promuovere, da un lato, la miscelazione uniforme di aggregati costituiti da ima sola delle due polveri (percorso I) e dall’altro, la miscelazione dei sub-aggregati, associata al continuo meccanismo di rottura e riaggregazione dei singoli aggregati, che conduce alla formazione di aggregati misti costituiti sia dall’ima che dall’altra polvere (percorso II).

Sulla base dei risultati ottenuti dalle prove di fluidizzazione delle polveri singole, si è deciso di operare con un campo acustico di intensità e frequenza pari, rispettivamente, a 130dB e 120Hz (valori che rientrano negli intervalli ottimali indicati), con una velocità superficiale del gas pari a 0.45cm/s, tale da garantire la fluidizzazione di entrambe le polveri sotto l’azione del campo acustico utilizzato. E’ stato utilizzato un rapporto massa ossido di ferro/massa ossido di alluminio paria al 50%.

L'apparato dell’invenzione è schematicamente riportato in Fig. 1.

Si tratta di ima colonna di fluidizzazione dotata di distributore del gas di fluidizzazione (40mm ID). Al di sopra del distributore è collocata una presa di pressione per la rilevazione delle perdite di carico subite dal gas durante l’attraversamento del letto mediante un dispositivo di misura di pressione. Per evitare che la presenza di umidità potesse esaltare le forze di tipo capillare, è stato utilizzato azoto proveniente da bombole come gas di fluidizzazione. La portata del gas è stata regolata mediante l’impiego di appositi strumenti di misura. Il sistema di generazione e propagazione del campo acustico è costituito da un generatore di segnale, da un amplificatore, da un altoparlante e da un microfono.

Il generatore digitale produce un segnale d’onda sinusoidale di frequenza fissata e lo invia ad un amplificatore sonoro di 400W di potenza in uscita, con cui è possibile fissare l’intensità del campo acustico. Il segnale è quindi trasmesso ad un altoparlante di tipo woofer (8 W) di 250mm di diametro posizionato in testa alla colonna di fluidizzazione. L’onda acustica generata dall’ altoparlante viene trasmessa al letto attraverso una guida d’onda, opportunamente progettata e posta superiormente alla colonna. Il microfono consente la lettura del segnale proveniente dal letto fluidizzato, che fornisce l’intensità sonora realmente presente all’ interno del letto. La scelta del percorso della perturbazione acustica consente di ottenere la protezione dell’ altoparlante da parte delle polveri eventualmente elutriate. La progettazione dell’intero sistema (reattore e guida d’onda) è stato effettuato secondo il principio alla base del risuonatore di Helmhotz, che consente di attenuare le onde sonore e, quindi, il rumore ad esse associato, garantendo un efficace isolamento acustico.

La qualità di miscelazione tra le due polveri è stata studiata mediante la microscopia elettronica a scansione con microanalisi a raggi X (SEM/EDS) tramite analisi di campioni prelevati dal letto a vari istanti di tempo. Lo scopo è stato quello di ottenere land amento temporale dell'indice di miscelazione, il suo valore asintotico e il tempo caratteristico di miscelazione. In particolare, durante ciascun esperimento sono stati realizzati ima serie di prelievi di piccole quantità di letto a differenti intervalli di tempo.

L'analisi EDS ha permesso di ottenere la composizione chimica, in termini di percentuale in peso di Al e Fe, in corrispondenza di diversi tempi, sia di intere aree di campioni di letto, sia dei singoli aggregati. In questo modo sono state ottenute, da un lato, informazioni sulla miscelazione globale del letto, e dall'altro, informazioni sulla miscelazione degli aggregati e l'evoluzione temporale della loro composizione. Questa analisi ha fornito, quindi, indicazioni sui tempi caratteristici del processo di miscelazione.

L'analisi, condotta su intere aree di campioni di letto, ha mostrato che già dopo un minuto la composizione media del letto ha raggiunto valori prossimi a quello teorico (50% di polvere A e 50% di polvere B).

Questo risultato conferma che la miscelazione del letto, su scala macroscopica, avviene in tempi brevi, come suggerito dairanalisi visiva del letto.

Per quanto riguarda la miscelazione a livello microscopico, la Fig. 3, nella quali si riportano le immagini SEM degli aggregati e la relativa composizione chimica determinata mediante EDS, mostra che tutti gli aggregati sono costituiti sia da FeaCh che da AI2O3, in accordo col percorso II di Fig. 2, e le loro composizioni variano in un ampio intervallo. Sono, infatti, presenti aggregati molto ricchi sia di ossido di alluminio che di ossido di ferro. Allo scopo, dunque, di investigare l'entità e l'efficacia della miscelazione a livello degli aggregati, per ogni campione, prelevato in un determinato istante di tempo, sono state effettuate numerose analisi elementari su altrettanti aggregati scelti in maniera del tutto casuale. I risultati sono mostrati in Fig. 4 in un grafico che riporta l'evoluzione temporale della composizione degli aggregati.

In particolare, il grafico riporta in ascissa la composizione degli aggregati, normalizzata in modo tale che a -1 ed 1 corrispondano aggregati costituiti dalla sola polvere A e B, rispettivamente, e a 0 aggregati perfettamente miscelati (cioè aggregati la cui composizione è quella teorica del 50%). Ogni punto rappresenta un aggregato ed ogni set di punti rappresenta gli aggregati analizzati ad un determinato istante di tempo. Si osserva che, già a partire da lmin dopo l'applicazione del campo acustico, tutti gli aggregati analizzati sono misti, ovvero sono formati da entrambe le polveri, anche se, come già detto precedentemente, hanno una composizione estremamente variabile. E', inoltre, evidente come la composizione chimica degli aggregati vali nel tempo, a conferma dell'evoluzione dinamica di questi ultimi in regime di fluidizzazione. In particolare, i set di punti convergono a 0 all’ aumentare del tempo (cioè gli aggregati, che cominciano ad essere ibridi già dopo pochi minuti, evolvono nel tempo tendendo a raggiungere la composizione teorica). In Fig. 5 viene riportato l'andamento temporale dell'indice di miscelazione degli aggregati, I(t), ricavato direttamente a partire dai risultati riportati in Fig. 4.

Per ogni istante di tempo, sono stati considerati quali aggregati efficacemente miscelati tutti gli aggregati con concentrazione in peso di polvere A o B compresa tra il 45 e il 55% (ovvero la cui concentrazione in peso presenta imo scostamento dal valore teorico inferiore al 5%); l’indice di miscelazione degli aggregati in quell’istante è stato calcolato come rapporto tra il numero di tali aggregati efficacemente miscelati ed il numero totale degli aggregati analizzati. Successivamente, i punti rappresentativi dei vaioli di I(t) sono stati interpolati utilizzando ima funzione del tempo del tipo I (t) = a 1 -exp , che minimizza

gli scarti quadratici medi, realizzando la curva riportata in Fig. 5 insieme alla relativa equazione. Si nota che il tempo caratteristico (τ) necessario a raggiungere il valore asintotico dell'indice di miscelazione è dell'ordine di 30min. In corrispondenza di questo tempo il sistema si porta, in maniera asintotica, ad un indice di miscelazione pari ad 1; ciò vuol dire che, nell’ arco temporale di 30 min tutti gli aggregati sono efficacemente miscelati. Il raggiungimento di ima miscelazione soddisfacente è dovuto ad un efficace meccanismo di frantumazione e ri aggregazione degli aggregati delle due polveri promosso dall’applicazione del campo acustico.

Si può, quindi, concludere che il meccanismo della miscelazione è caratterizzato da dinamiche che evolvono in tempi differenti, a seconda che il fenomeno venga osservato da un punto di vista macroscopico oppure da un punto di vista microscopico. Nel primo caso, infatti, sono necessari pochi secondi (circa lmin) affinché il letto assuma visivamente e quantitativamente una composizione omogenea e vicina a quella teorica. Nel secondo caso si è, invece, osservato che i fenomeni si sviluppano su una scala temporale più lunga, dell’ordine di 30min.

Infine, sono stati effettuati dei test di miscelazione utilizzando campi acustici (100dB-120Hz e 130dB-1000Hz) di intensità o frequenza non appartenenti agli intervalli ottimali indicati. I risultati ottenuti, in termini di andamento dell’indice di miscelazione sono mostrati in Fig. 6. In particolare, si osserva che in entrambi i casi studiati l’indice di miscelazione ottenibile è inferiore a 0.25 (cioè meno del 25% degù aggregati risulta essere ben miscelato), a conferma che l’utilizzo di campi acustici non idonei (cioè caratterizzati da intensità o frequenza al di fuori degli intervalli ottimali indicati) è inefficace nel promuovere la miscelazione di polveri fini ed ultrafini.

Claims (15)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per miscelare polveri fini ed ultrafini costituite da particelle di dimensioni da nanometriche a micrometriche basato sulla fluidizzazione assistita da campi acustici comprendente le seguenti fasi principali: i. acquisire le polveri da miscelare e inserirle in un reattore di fluidizzazione assistita da campi acustici; ii. alimentare un gas di fluidizzazione ad una velocità pari o superiore alla condizione di minima fluidizzazione; iii. applicare un campo acustico con un'intensità compresa neH'intervallo di 125-150 dB e una frequenza compresa nell'intervallo di 20-300 Hz; iv. mantenere le condizioni delle fasi ii. e iii. a valori costanti e per il tempo necessario ad ottenere la miscelazione delle polveri.
2. 2. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo la rivendicazione 1 , in cui la frequenza è compresa nell'intervallo di 20-300 Hz, preferibilmente nell'intervallo 50-120 Hz.
3. 3. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-2, in cui le polveri sono costituite da polveri diverse fra loro, di qualunque tipo.
4. 4. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-3, in cui il gas aria, azoto e qualunque altro gas inerte rispetto alle polveri da miscelare.
5. 5. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo la rivendicazione 3, in cui il gas è tale da non incrementare la coesività delle polveri, ad esempio un gas a basso tasso di umidità.
6. 6. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, in cui la velocità di fluidizzazione per la miscelazione di polveri nanometriche è neirintervallo 0.1-0.5 cm/s.
7. 7. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-5, in cui la velocità di fluidizzazione per la miscelazione di polveri micrometriche è nell'intervallo l-5 cm/s.
8. 8. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo la rivendicazione 1, in cui la fase iv) è condotta per un tempo pari o inferiore a un'ora, preferibilmente inferiore a 40 minuti.
9. 9. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8, in cui la fase iv) è condotta per un tempo dell'ordine delle decine di minuti per miscelare polveri costituite da particelle nanometriche.
10. 10. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8, in cui la fase iv) è costituite da particelle micrometriche.
11. 11. Metodo per la miscelazione di polveri fini ed ultrafini secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-10, in cui le polveri sono due o più di tipi diversi fra loro.
12. 12. Uso della tecnica della fluidizzazione assistita da campi acustici per miscelare omogeneamente polveri coesive fini ed ultrafini.
13. 13. Uso di un apparato di fluidizzazione assistita da campi acustici per miscelare omogeneamente polveri coesive fini ed ultrafini.
14. 14. Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 12-13 in cui il campo acustico ha un'intensità compresa neH'intervallo di 125-150 dB e una frequenza compresa nell’intervallo di 20-300 Hz.
15. 15. Polveri fini ed ultrafini ottenute con il metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui dette polveri raggiungono un indice di miscelazione pari a l in un tempo inferiore ai 60 minuti, preferibilmente un tempo inferiore ai 40 minuti.