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rapporti - Deliverable

Realizzazione di un impianto fotocatalitico per la depurazione e prove preliminari di funzionamento

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Realizzazione di un impianto fotocatalitico per la depurazione e prove preliminari di funzionamento

Progetto ELCITER ha come obiettivo generale lo studio e lo sviluppo di elettrotecnologie destinate al settore domestico ed industriale. Con particolare riferimento al controllo della qualità dell’aria negli ambienti indoor e al trattamento di aria e acqua nel settore terziario e civile, è stata prevista una attività sperimentale per la verifica dell’applicabilità dei processi fotocatalitici all’abbattimento di inquinanti organici (VOC) tipici degli ambienti domestici od industriali. Ricerche condotte nell’ultimo decennio hanno dimostrato come la concentrazione di agenti inquinanti (VOC , NOx, CO2, batteri e muffe) all’interno di ambienti chiusi, sia spesso più elevata di quanto potrebbe indicare la qualità dell’aria all’esterno. La presenza di questi composti in elevate concentrazione può causare seri danni alla salute ed è spesso all’origine di malesseri più o e meno evidenti (allergie, mal di testa ecc) generalmente identificati nella patologia nota come “sick building syndrome”. Per quanto riguarda i composti organici, le principali fonti di inquinamento sono gli stessi materiali utilizzati per la costruzione degli edifici, i solventi, i detergenti, le vernici e le colle utilizzate per il trattamento dei mobili, i prodotti di combustione, il fumo delle sigarette. La qualità dell’aria all’interno dei locali può peggiorare anche per la presenza di tappeti, tende e mouquettes: questi ultimi agiscono come adsorbitori degli inquinanti che vengono successivamente rilasciati nell’ambiente in modo lento e continuo. Per la riduzione del livello di inquinamento indoor non sempre è sufficiente una buona areazione degli ambienti (soprattutto quando anche all’esterno la concentrazione di inquinanti è rilevante), per cui negli ultimi anni notevole attenzione è stata dedicata allo sviluppo di sistemi per il trattamento dell’aria basati su processi convenzionali di filtrazione ed adsorbimeto degli agenti inquinanti su carboni attivi. Tuttavia, tali sistemi richiedono frequenti manutenzioni per l’esaurimento delle proprietà assorbenti dei carboni attivi e soprattutto non possono essere sottoposti a procedure di rigenerazione in loco. I processi fotocatalitici costituiscono una interessante alternativa ai metodi tradizionali in quanto consentono la degradazione dei VOC sino alla completa mineralizzazione (loro trasformazione in composti non nocivi quali CO2 ed H2O) e nel contempo presentano il vantaggio di realizzare anche una sterilizzazione dell’aria. La presente relazione riferisce sulle attività svolte nell’ambito della Commessa IMPCLEAN che si poneva come obiettivo finale la realizzazione di un impianto sperimentale fotocatalitico in grado di trattare elevati flussi di aria con concentrazioni di inquinanti tipiche degli ambienti indoor. La fase di progettazione dell’impianto è stata preceduta da una attività sperimentale effettuata con un piccolo reattore da laboratorio costituito da un cilindro di vetro all’interno del quale era posizionata una lampada UV da 20 Watt con emissione a 360 nm. Il catalizzatore, costituito da polveri nanometriche di biossido di titanio ancorate su frammenti di quarzo di dimensioni comprese tra 3-15 mm, è stato collocato nell’intercapedine tra la lampada e la parete interna del reattore. Questa fase è stata propedeutica al successivo scaling- up dell’impianto fotocatalitico che si è scelto di dimensionare in modo tale da costituire il primo step della realizzazione di un sistema prototipo adatto al trattamento dell’aria di un locale di piccole-medie dimensioni (4x4x3 m3). Il suddetto impianto comprende essenzialmente una sezione di alimentazione, il reattore fotocatalitico e la sezione di analisi. La sezione di alimentazione è costituita da un sistema di valvole (azionando opportunamente le quali è possibile alimentare il reattore per effettuare le misure di efficienza di conversione o by-passarlo per effettuare la taratura delle miscele), da una pompa a membrana e da flussometri rispettivamente per l’immissione e la regolazione dei gas (miscele di VOC, aria, azoto e miscele di taratura). Il reattore è invece costituito essenzialmente da un cilindro in acciaio del volume di circa 23 l all’interno del quale sono disposte 4 lampade di tipo black (emissione a 360 nm) ciascuna da 20 W e della lunghezza di

40 cm. Anche in questo caso il catalizzatore (della stessa tipologia di quello descritto precedentemente) è posto all’intercapedine tra lampade e parete interna del reattore. Infine, la sezione di analisi è costituita da un analizzatore NDIR di anidride carbonica per la misura quantitativa dell’evoluzione di CO2 prodotta nella reazione di mineralizzazione fotocatalitica, e da un gas cromatografo per monitorare la scomparsa dei VOC. L’impianto è stato testato ricorrendo a miscele sintetiche con concentrazioni di VOC elevate (più di un ordine di grandezza superiori a quelle reali) in modo da valutare più adeguatamente le cinetiche di scomparsa dei VOC e da poter meglio evidenziare l’eventuale formazione di sottoprodotti di reazione. In particolare sono state utilizzate miscele di aria secca contenenti concentrazioni di benzene o di etilene pari a 50 ppm in volume. Inoltre, al fine di valutare le capacità di abbattimento dei VOC relativamente al trattamento di elevati volumi di aria, si è ritenuto opportuno operare con l’impianto in singolo passo anziché in riciclo. Le principali indicazioni fornite dalla sperimentazione sono di seguito sinteticamente riportate: – durante la reazione di fotocatalisi le molecole di VOC vengono chemiadsorbite sulla superficie del catalizzatore; – il benzene viene adsorbito in misura maggiore rispetto all’etilene; – gli intermedi di ossidazione del composto primario rimangono adsorbiti sulla superficie del catalizzatore sino al completamento di tutti gli stadi che portano alla loro completa mineralizzazione. Di conseguenza non è mai stata osservata la presenza in fase gassosa di sottoprodotti di decomposizione del benzene o dell’etilene; – alimentando il reattore con 120 e 180 l/h di una miscela contenente 50 ppm di C2H4 si ottengono valori dell’efficienza di abbattimento pari al 100 %. L’efficienza di degradazione si riduce all’80 % quando si aumenta il flusso della corrente gassosa a 400 l/h; – la degradazione del benzene risulta più lenta rispetto a quella dell’etilene. Anche se in condizioni di illuminazione il C6H6 viene fortemente adsorbito sul catalizzatore, la sua completa mineralizzazione richiede tempi di reazione molto maggiori. le prove con benzene hanno evidenziato fenomeni di disattivazione del catalizzatore con conseguente perdita di efficienza dell’impianto. Questi fenomeni sono ben evidenti già nei primi minuti di reazione con 50 ppm di benzene e si osservano dopo tempi di funzionamento più lunghi (2 ore) quando la concentrazione è ridotta a 20 ppm. Il catalizzatore può essere comunque rigenerato facendo fluire nel reattore aria e mantenendo accese le lampade in modo da indurre la mineralizzazione dei composti rimasti chemiadsorbiti sul catalizzatore. Link di riferimento al documento:Link A0-024099.

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