Tesi di laurea di Matteo Senni Guidotti Magnani
Recupero di smalti ceramici
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La Provincia di Modena da alcuni anni sta lanciando segnali preoccupanti circa
l’assottigliamento delle risorse idriche della zona di produzione delle ceramiche.
L’industria ceramica di modenese-reggiana consuma annualmente la stessa acqua
di una città di 300000 abitanti . Il perpetrarsi dello sfruttamento delle falde senza
una politica comune a tutto il comprensorio e la mancanza di adeguati incentivi
(esistono pochi fondi distribuiti a fondo perduto dalla regione) oltre a provocare
fenomeni di subsidenza (abbassamento della falda) porterà nei prossimi anni alla
necessità di regolamentare il prelievo di acqua dai pozzi (attualmente tutte le
aziende hanno pozzi privati, per cui gli unici costi relativi all’approvvigionamento
d’acqua sono quelli dell’energia elettrica necessaria per il funzionamento delle
pompe).
E’ ovvio che quindi chi saprà sfruttare al meglio l’acqua a propria disposizione,
nel momento in cui essa diventi una risorsa scarsa, si troverà in una posizione di
vantaggio. L’azienda Castelvetro nel 1999 ha dovuto rifornirsi di acqua
dall’acquedotto pubblico per alcuni mesi a causa di problemi ad uno dei due pozzi.
Questo ha causato costi aggiuntivi per circa 50.000.000 £ /mese.
Quindi l’approvvigionamento idrico è una potenziale causa di costo, da tenere
sotto controllo; possiamo dire che il razionale utilizzo delle risorse idriche, che
minimizzi gli sprechi, è una potenziale fonte di vantaggio competitivo.
I fanghi di scarico della smalteria
La maggior parte dell’acqua perduta è contenuta nei fanghi di scarico delle linee
di smalteria.
La Ceramiche Castelvetro attualmente ricicla questi fanghi utilizzandoli, in parte,
nella produzione di barbottina all’interno dello stabilimento CCVV3 ottenendo in
tale modo un secondo vantaggio, consistente nell’eliminare i costi di smaltimento
relativi dell’acqua riutilizzata (il capitolo con la descrizione dell’azienda contiene
dati sul riciclaggio delle acque sporche). Si tratta in ogni caso di una
dequalificazione dell’acqua, che non risolve né il problema dello spreco di acqua
né quello del riciclaggio.
La smalteria è una linea automatica composta da diversi dispositivi in serie in cui
smalto, engobbio e fiammatura (genericamente detti smalti) vengono applicati
sulle piastrelle provenienti dalla pressa.
I capanni devono essere puliti periodicamente con getti d’acqua ad alta pressione
per evitare che lo smalto accumulandosi rovini la produzione finale. A seconda dei
periodi dell’anno è necessario lavare i capanni ogni una o due ore (d’estate più
frequentemente).
Considerando che il consumo medio di acqua per un lavaggio è di circa 20 litri, e
che le linee funzionano 24 h al giorno per 280 gg all’anno stimiamo un consumo
annuo di sei milioni di litri.
Gli smalti perduti nel lavaggio
Il lavaggio dei capanni oltre alla perdita di acqua comporta la perdita di smalti,
dal costo molto maggiore.
Da un monitoraggio condotto dall’azienda sui fanghi di lavaggio risulta una
perdita sul totale degli smalti di circa il 15%.
Analizzando la contabilità industriale della Castelvetro nel 1999 notiamo che la
spesa annua in smalti, comprensiva dei costi di materie prime, mano d’opera, costi
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industriali, ammonta a 5,795 MLD di lire. Rapportata alla produzione di piastrelle
corrisponde a lire 1089 al metro quadro. La perdita di smalti nei lavaggi ammonta
quindi a quasi 700 milioni di lire.
La mia tesi
Partendo da questa situazione il mio intento è stato di valutare la convenienza
economica dell’inserimento di una macchina che recuperasse parte dello smalto
dall’acqua di lavaggio. Oltre ai costi per gli investimenti necessari si sono valutati
i costi relativi al suo funzionamento. Come guadagni si è considerato, oltre ai
risparmi derivanti dallo smalto recuperato, il risparmio derivante da non dover
smaltire parte dei fanghi di scarico e sul piano strategico e ambientale il risparmio
idrico.
Prima di effettuare le relative analisi degli investimenti è stato necessario valutare
i rendimenti di più macchine attraverso prove pratiche dei relativi impianti.
Col presente lavoro, così come ho detto, ho cercato di risolvere il problema delle
perdite di smalti e acqua durante i lavaggi della smalteria. Infatti secondo
l’azienda Castelvetro Ceramiche il recupero anche solo della metà degli smalti
persi sarebbe un ottimo risultato.
Le fasi del lavoro da me svolto, che qui presento sono state le seguenti. Dapprima
ho valutato se le lavature avevano le stesse caratteristiche degli smalti, ho
esaminato poi la possibilità di inserire un dispositivo che separasse parte
dell’acqua dai fanghi prima che questi si mescolino con altre sostanze di scarico e
infine ne ho valutato l’opportunità economica.
Ho dovuto tenere conto dei seguenti costi e ricavi aggiuntivi:
Costi Aggiuntivi:
• Acquisto e installazione del dispositivo di separazione liquido solido.
• Costi di funzionamento e manutenzione dell’impianto di lavaggio.
• Realizzazione vasche per la raccolta dei fanghi di lavaggio sotto i capanni
• Manodopera aggiuntiva
Risparmi e Guadagni Aggiuntivi
• Risparmi sui costi di smaltimento.
• Recupero smalti da riutilizzare.
• Minori costi di approvvigionamento dell’acqua.
• Incentivo regionale
• Premio Thermie
• Potenziale risparmio in caso di regolamentazione a pagamento dell’acqua.
Dal Capitolo due
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Per poter formulare soluzioni al problema del recupero degli smalti dai fanghi di
lavaggio della linea di smalteria della Castelvetro è innanzitutto necessario
conoscere i materiali da trattare. Esistono varie tecniche di classificazione e
separazione basate su diversi principi: macchine che sfruttano l’accelerazione
centrifuga, vasche di decantazione che sfruttano la caduta per gravità, aggiunta di
flocculanti e/o schiumogeni che sfruttano principi chimici. La scelta del metodo e
del relativo impianto è infatti legata al tipo di sostanze in sospensione. Le
caratteristiche che sono rilevanti per la tecnica scelta sono la viscosità della
sospensione, la densità, la velocità di sedimentazione, la dimensione e la forma
delle particelle da separare e la loro concentrazione in acqua.
Nel laboratorio del D.I.C.M.A. abbiamo effettuato analisi volte a conoscere tutto
ciò che permette di caratterizzare le sostanze e prevedere il loro comportamento:
la composizione granulometrica dei fanghi, la loro densità, la viscosità, la
concentrazione in solido. Ci siamo rivolti ad un altro laboratorio, sempre
dell’Università di Bologna, dotato di microscopi e delle attrezzature necessarie,
per fotografare la forma delle particelle al microscopio. Abbiamo ricavato le
velocità di sedimentazione con la formula di Stokes.
I risultati delle analisi di laboratorio, hanno permesso di individuare la macchina
idonea al nostro caso. Dai dati già in nostro possesso abbiamo pensato di utilizzare
un idrociclone, particolarmente adatto perché, separando liquido solido grazie alla
accelerazione centrifuga, che porta le particelle di diverse dimensioni a diverse
velocità, divide il Fine ( sono le particelle che non si riescono a recuperare) con
acqua dal Grosso che è la parte riutilizzabile dello smalto.
Abbiamo poi eseguito maggiori indagini per individuare meglio il tipo di
idrociclone da utilizzare.
Una volta individuato il dispositivo abbiamo eseguito una serie di prove,
simulando l’utilizzo in fabbrica allo scopo di vericarne l’effettivo funzionamento.
Analizzando poi la densità e la granulometria del Fine e del Grosso per valutare il
rendimento del ciclone e, tenendo conto di tutti i relativi costi e ricavi aggiuntivi,
esprimeremo un nostro parere sulla convenienza economica o meno del recupero di
smalti dai fanghi.
....
Laser-Partcle-Sizer “analysette 22”
Lo strumento è stato sviluppato nella Germania dell’Est dai Laboratori Fritsch e,
come detto sfrutta il principio secondo cui un corpo sferico viene colpito da un
raggio elettromagnetico, il raggio viene diffuso in tutte le direzioni e l’intensità
della luce diffusa è essenzialmente funzione della lunghezza d’onda della luce e
del diametro della sfera.
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.....
Forma delle particelle
Per completare lo studio dei fanghi abbiamo fotografato le particelle al
microscopio.
Dal Capitolo tre
Efficienza di recupero del ciclone
Per valutare il rendimento del nostro dispositivo (l’idrociclone individuato per il
recupero degli smalti, n.d.c.) abbiamo eseguito alcune prove granulometriche del
passato fine e grosso nelle diverse prove. Abbiamo anche misurato la
concentrazione in solido, al fine di valutare l’efficienza della macchina:
E = M trattenuta / Malimentazione
dove con M trattenuta si indica il passato grosso, estratto dal fluido.
Prova 1 – sm69
descrizione campion
e
Massa
solido
Msosp
Ma-Mr
Volume
sosp
Densità
sosp
Mr/Ma Vol
Mr
Kg Kg,Mr l Kg/l l
partenza cic1-Ma 5,525 83,20
0
80,0
grosso 0,5
litri
cic2 0,366 0,690 0,5
grosso 0,5
litri
cic4 0,292 0,695 0,5
grosso 15
litri
cic6 2,502 16,57 15,0
tot grosso 16
litri
Mr 3,159 17,96 16,0 1,123
0,572
16,0
.....
Come mostrato nelle tabelle riassuntive in tutte le prove possiamo dire di aver
raggiunto un efficienza attorno al 50 % (nella terza prova abbiamo recuperato
solo 11,5 litri), recuperando cioè la metà del materiale in una sospensione (tra
gli 11 e i 24 litri) con una densità attorno a 1,1 Kg/l, inferiore però a quella di
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lavorazione. E’ comunque una densità interessante, che suggerisce, perlomeno,
di procedere con la ricerca.
L’utima prova è quella che ha dato i risultati più importanti: partendo da
concentrazioni maggiori, circa 1075 Kg/m3, abbiamo ottenuto gli stessi rendimenti
con densità molto superiori (1.175 Kg/l) e continuando a trattare la sospensione
abbiamo raggiunto efficenze dell’ 86% con densità attorno a 1,1 Kg/l.
Curve Granulometriche
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.....
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.....
Allego le altre curve granulometriche in appendice.
Analizzando le curve granulometriche si osserva che l’idrociclone utilizzato riesce
a separare efficacemente particelle con un diametro di separazione abbastanza
definito tra i 10 µm e i 25 µm.
Ricordando che il nostro obiettivo è quello di estrarre smalto denso (con densità
maggiore di 1,4 Kg/l), notiamo che la quantità d’acqua eliminata con il passato
grosso aumenta mano a mano che estraiamo il grosso, cioè il fluido assume una
concentrazione minore quando la granulometria diminuisce.
Questo si spiega col fatto che le particelle più grosse e più pesanti vengono
estratte col primo passaggio; nei successivi trattamenti il rendimento del ciclone è
inferiore perché il diametro medio è diminuito. Dall’esame delle concentrazioni in
solido in peso e dalle stime delle densità in volume (ricavate dalle stime dei
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volumi di solido secco) è emerso anche che le uscite del ciclone, fine e grosso
non sono omogenee.
Su 80 litri di fango da trattare si osserva che lo smalto solido contenuto nel primo
mezzo litro di passato grosso ha una densità maggiore a quella dello smalto secco
di partenza.
Sottolineo anche il fatto che essendo l’idrociclone un classificatore
granulometrico lo smalto recuperato ha una frazione di particelle fini molto
inferiore non solo alla lavatura, ma anche allo smalto; questo , secondo me, non
dovrebbe essere un problema, ma, al contrario, un vantaggio perché come
abbiamo visto la parte fine dello smalto in genere va tutta persa nei condotti di
aspirazione.
Recuperando comunque quantità maggiori di passato grosso (10-20 litri) e
quindi di smalto secco si osserva un calo della densità, ma anche una maggiore
omogeneità alle caratteristiche standard di lavorazione.
Concentrazione in volume
Un altro parametro da individuare è la concentrazione in volume del solido, cioè lo
studio del variare delle concentrazioni in volume del solido in sospensione. Infatti
non possiamo considerare a priori la sospensione omogenea: le prime particelle ad
essere separate nel cosiddetto grosso sono oltre alle più grosse le più pesanti cioè
quelle con un speso specifico maggiore. Non avendo la possibilità di valutare
correttamente la concentrazione in volume abbiamo provato a darne una stima dei
volumi di solido secco valutandola sui campioni prelevati. Tali stime sono però
affette da errori, soprattutto nei casi di basse concentrazioni: quando infatti
misuriamo i campioni messi al forno ci troviamo di fronte quantità di solido secco
anche di 10 ordini di grandezza inferiori alla tara.
Le stime indicano un andamento della concentrazione in volume analogo a quella
in peso, anche se i rendimenti risultano differenti per le due sostanze trattate: si
hanno rendimenti accentuati per sm69 e ridimensionati per fm28/b.
Efficienza di separazione
Non essendo possibile, nel caso di un idrociclone, individuare un diametro di
separazione definito, in genere si utilizza il diametro delle particelle che hanno
uguale probabilità di passare nel fine o nel grosso. Tale diametro, chiamato anche
cut point si indica con d
50
.
Le curve di partizione riportano le percentuali di particelle dell’alimentazione
finite nel rifiuto (fine) o nel passato grosso. Per disegnarle occorre conoscere la
curve di partizione - fine
0,0%
20,0%
40,0%
60,0%
80,0%
100,0%
120,0%
0 2040608010
F1
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quantità di alimentazione che è finita nel fine e nel grosso e moltiplicare queste
quantità per le percentuali riportate nelle analisi granulometriche (particelle per
classe di grandezza). Nella prova 2 (sm69 Icic) dalle tabelle si ricava che il 40%
dell’alimentazione va nel rifiuto e il 60% nel passato grosso. In realtà ci risulta
abbastanza difficile avere dei dati precisi sulle masse, perché i valori che
otteniamo sono ricavati da piccoli campioni di cui è noto il volume e conosciamo
la densità. I dati che riguardano invece la massa fine e l’alimentazione invece sono
più significativi perché i valori sono calcolati sulle quantità dell’intera vasca. Per
questo motivo riportiamo solo la curva che esprime la probabilità
dell’alimentazione di non finire nel fine per dimensioni dei diametri (calcolata
come complementare della curva che sprime la probabilità dell’alimentazione di
finire nel fine)
Dalle curve si ricava poi il d
50.
Nel nostro caso, si ricava un d
50
= 10 micron circa.
Come parametro di efficienza di separazione si usa l’imperfezione I:
I = ( d
75
– d
25
) / 2*d
50
Ricordiamo comunque che l’obbiettivo che ci eravamo proposto era di studiare il
funzionamenti dell’idrociclone al fine di recuperare, tramite esso, la maggior
quantità possibile di smalti. E’ interessante osservare come l’idrociclone provato
funzioni come classificatore anche con particelle fini, ma soprattutto come ci
permetta di recuperare oltre il 50% degli smalti perduti.
CONCLUSIONI DELLE PROVE SULL’IDROCICLONE
Tali risultati suggerirebbero di migliorare l’impianto costruendo una serie di
cicloni di dimensioni appropriate, in cui un ciclone simile a quello che abbiamo
provato funzionerebbe da “sgrossatore”. Infatti tale ciclone non è indicato per
separare particelle nel nostro range (1-100µm).
Possiamo comunque dire di aver superato abbondantemente le aspettative; a fronte
di risultati che vedevano l’impiego del ciclone con diametri di separazione attorno
ai 75 µm e di ipotesi di raggiungere al massimo diametri di separazione di 45µm
siamo riusciti ad avvicinarci alla soglia dei 10µm-20µm.
E’ ovvio che un idrociclone di dimensioni appropriate potrebbe fornire risultati
ancora più incoraggianti, soprattutto nella separazione delle particelle fini, sotto ai
20 µm, che pur essendo assai diluite, non permettono di considerare l’acqua pulita.
Per quanto riguarda il recupero di acqua, spingendo la separazione al massimo,
siamo riusciti ad ottenere fanghi con densità attorno a 1010 Kg/m3. Questo residuo
di sostanza nel fango è costituito da particelle finissime (il 9% delle quali ha
diametro tra 10 e 20 µm, il 20% con diametro tra 5 e 10 µm, il 27% con diametro
tra i 2 e i 5 µm e il 44% con diametro inferiore a 2 µn) non separabili utilizzando
l’idrociclone che abbiamo provato.
.....
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Dal Capitolo quattro
Cercheremo in questo capitolo di mostrare quali sono i risvolti economici
dell’installazione di un dispositivo di recupero smalti (basato su idrocicloni tipo
quello provato in laboratorio) lungo le linee dello stabilimento CCV3 delle
Ceramiche Castelvetro.
I risultati di questa analisi avranno solo un significato in termini economici;
cercheremo di integrare questi risultati con tutte le altre informazioni che
contribuiscono ad una scelta d’investimento. Come abbiamo già ampiamente
illustrato infatti il valore del recupero degli smalti ha altri vantaggi: di ordine
strategico, commerciale, ambientale, produttivo, alcuni dei quali potrebbero in
futuro tradursi in termini economici.
ANALISI DEI COSTI E DEI BENEFICI
Per valutare la convenienza economica dell’installazione della macchina scelta
occorre conoscere, oltre ai costi di ammortamento, di consumo energetico e di
manutenzione della stessa, le quantità e il valore degli smalti recuperabili. In
prima analisi dovremo osservare le seguenti nuove entrate e uscite allo scopo di
capire quali originano flussi di cassa. Come possibili uscite abbiamo:
• Acquisto e installazione del dispositivo per il recupero di smalti..
• Costi di funzionamento e manutenzione dell’impianto di recupero.
• Realizzazione di vasche per la raccolta dei fanghi di lavaggio sotto i capanni.
• Manodopera aggiuntiva.
E, come possibili entrate :
• Risparmi sui costi di smaltimento dei fanghi.
• Recupero smalti da riutilizzare.
• Minori costi di approvvigionamento dell’acqua.
• Incentivo regionale.
• Premio Thermie.
• Potenziale risparmio in caso di regolamentazione a pagamento dell’acqua.
Prima di analizzare le singole voci occorre precisare che la loro valutazione può
essere diversa in ogni realtà aziendale.
....
Riassumo nella tabella che segue i flussi di cassa relativi al sistema di recupero
proposto (considerando l’investimento con durata un anno:
recupero di smalti 348.170.885
costo del sistema -71.112.000
costi di funzionamento -18505000
Valore netto del recupero
£. 258.553.885
Nel caso del trattamento di tutte le perdite di smalti di un anno l’utilizzo del
sistema proposto produrrebbe un utile netto di lire 258.553.885 a fronte di un
investimento di lire 89.617.000 . Il rendimento dell’investimento è quindi:
PROFITTO / INVESTIMENTO = 2,88 = 288 %
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Attribuendo i costi fissi e i costi di lavaggio sulla base dei kg trattati otteniamo il
costo del recupero di un Kg di smalto:
costi trattamento
smalti annui (£)
Smalti
recuperati in un
anno (Kg)
costo per kg di
smalto
recuperato (£)
costo
impianto
71112000 289584 245,5661
costi
energetici
18505000 289584 63,90201
totale 89617000 309,4681
Quindi, osservando che al momento non ci sono smalti con costi di produzione al
chilogrammo inferiori a 301 lire, converrà trattare tutte le lavature.
APPLICAZIONI PER L’INDUSTRIA CERAMICA
Cercheremo di valutare quali sono i principali vantaggi dell’applicazione del
sistema di recupero smalti e acqua all’interno dell’industria ceramica.
La contemporanea presenza delle produzioni di smalti, atomizzato, biscotto e
monocottura, come già detto, permette alla Castelvetro di riciclare all’interno del
ciclo produttivo la quasi totalità dei rifiuti industriali. Permette anche il riutilizzo
di smalti con una densità inferiore a quella di lavorazione, mescolandoli con
smalto proveniente dal reparto smalti con una densità maggiore a quella di
lavorazione.
Questa situazione è in realtà un’eccezione all’interno del panorama industriale
ceramico; la maggior parte delle aziende infatti produce solo supporto finito
(monocottura e/o bicottura) e gli smalti necessari a produrlo.
Pur facendo ogni azienda caso a sé, possiamo vedere quali possono essere le
principali differenze di una azienda standard dalla Castelvetro Ceramiche e cosa
comportano queste differenze a livello economico.
Ulteriori vantaggi economici
Le differenze si hanno soprattutto a livello di smaltimento dei fanghi di lavaggio.
Una smalteria con una produzione analoga alla Castelvetro deve smaltire attorno
dai 3500 ai 6000 metri cubi di fanghi del reparto di smalteria l’anno a seconda
della densità del fango. Anche il costo degli scarichi industriali varia con la
densità: i fanghi fino a 1,030 Kg/l hanno costi di smaltimento di £25/Kg, i fanghi
con densità superiori hanno costi di smaltimento di £50/kg. Alcune aziende poi
“filtropressano” i fanghi e li smaltiscono allo stato solido con ulteriori costi.
Ciò equivale ad una spesa annua di smaltimento compresa tra i 100 e i 200 milioni.
Tali costi differenziali possono essere notevolmente ridotti inserendo un impianto
di recupero basato su idrocicloni. Tale impianto dovrà però garantire diametri di
separazione inferiori a quelli da noi raggiunti, sotto i 5 µm, in modo da “produrre”
oltre a smalti ceramici, acqua pulita.
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Dalle conclusioni
Alla fine di questo studio durato diversi mesi possiamo dire di aver individuato
una soluzione soddisfacente al problema delle perdite di smalto nel reparto di
smalteria dell’industria ceramica.
Il primo passo fondamentale è stato quello di aver esaminato i fanghi di lavaggio
e di non aver trovato (a parte la concentrazione) differenze dalle caratteristiche
degli smalti ceramici.
Questo ha permesso di sperimentare un idrociclone per recuperare smalti e acqua
dai fanghi. La campagna sperimentale di prove sull’idrociclone ha mostrato un
efficienza di recupero del 50% dei fanghi. Le ulteriori analisi hanno mostrato
come questo smalto sia riutilizzabile direttamente nel reparto di smalteria.
Le valutazioni economiche sulla possibilità di utilizzare un sistema basato su
idrocicloni nell’azienda Ceramiche Castelvetro hanno evidenziato come a fronte di
esigui investimenti, dovuti al basso costo degli idrocicloni, si possono ottenere
notevoli benefici economici. Inoltre si è mostrato come non solo sia possibile
utilizzare gli idrocicloni nell’industria ceramica per trattare le acque di lavaggio
della smalteria, ma anche come questo porti ad una riduzione dei costi e ad un
maggior rispetto ambientale.
Una drastica riduzione dei fanghi di lavaggio infatti ridurrebbe notevolmente il
prelievo idrico dalle falde locali e quindi porterebbe alla riduzione del rapporto di
impatto ambientale, che, come si vede nella mappa di seguito, è legato alla
presenza di industrie ceramiche.
Verrebbero meno anche tutti i costi ambientali legati al trasporto, stoccaggio e
trattamento dei fanghi.
In un ottica di lungo periodo verrebbero meno anche i rischi di movimento della
falda dovuti al prelievo eccessivo di acqua.
Concludendo, dal momento che gli idrocicloni sono macchine semplici e
dai costi limitati, e che garantiscono il recupero che ci eravamo
prefissato, se ne valuta positivamente l’inserimento nell’industria
ceramica.
Inoltre l’aver utilizzato un dispositivo originariamente progettato per
altri usi fa supporre che sia possibile continuare lo studio su altri
idrocicloni con caratteristiche appropriate, migliorando ancora i risultati
illustrati in questa tesi.