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DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO – XXII CICLO Attività svolta da Simona Arata durante il primo anno di dottorato (2007) Università.

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Presentazione sul tema: "DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO – XXII CICLO Attività svolta da Simona Arata durante il primo anno di dottorato (2007) Università."— Transcript della presentazione:

1 DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO – XXII CICLO Attività svolta da Simona Arata durante il primo anno di dottorato (2007) Università di Genova Dipartimento di Ingegneria Chimica e di Processo “G. B. Bonino” Via Opera Pia, Genova

2 “Impiego dell’alga Arthrospira (Spirulina) platensis per l’abbattimento degli ossidi di azoto da effluenti gassosi”

3 Stato dell’arte Negli ultimi decenni sono stati effettuati studi inerenti la rimozione di alcuni inquinanti gassosi presenti in atmosfera :   eliminazione biologica simultanea di NO e CO 2 da gas di combustione per mezzo della microalga NOA-113 in fotobioreattore tubolare   rimozione biologica degli NO x da flue gas per mezzo dell’alga Dunaniella tertiolecta   approfondimento dello studio sopra citato in reattori airlift a colonna   meccanismo dell’assorbimento e rimozione di NO da flue gas tramite Dunaniella tertiolecta

4 Ossidi di azoto (NO x ) Generati da processi di combustione per reazione tra N 2 e O 2 dell’aria a temperatura > °C Centrali termoelettriche, riscaldamento, motori a combustione interna emettono NO (95-98%): in presenza di ozono si trasforma in NO 2 Il biossido può essere originato anche da sorgenti naturali La miscela degli NO x permane nell'ambiente alcuni giorni e può interessare territori a grande distanza dalla sorgente inquinante NO x pericolosi per l’uomo: il monossido agisce sull’emoglobina mentre il biossido (gas di colore rosso bruno, odore forte e pungente) è altamente irritante Il biossido di azoto ha tossicità quattro volte maggiore del monossido; effetto su occhi, mucose e polmoni. L’NO 2 provoca “smog fotochimico” e “piogge acide”

5 Processi chimici comunemente utilizzati per l’abbattimento degli NO x Processi DeNO x TERMICO (SNCR, selective non catalitic reduction) DeNO x CATALITICO (SCR, selective catalitic reduction) Problemi principali per il sistema SCR:  Intasamento o erosione del letto catalitico da parte delle ceneri  Avvelenamento del catalizzatore da parte di metalli in tracce, SO 2 ed SO 3 4 NO + 4 NH 3 + O 2 4 N H 2 O 6 NO NH 3 7 N H 2 O

6 Processo biologico sperimentale Utilizzando un terreno privo di nitrato di sodio e alimentando come unica fonte di azoto un flusso esterno di NO x (da bombola), l’obiettivo è:   studiare un impianto alternativo di abbattimento degli NO x mediante Spirulina platensis   ottimizzare l’assorbimento in funzione del tempo e della concentrazione della biomassa

7 Microrganismo e mezzo di coltura Utilizzo terreno di “Schlösser” con la seguente composizione (per litro): NaHCO g Na 2 CO g K 2 HPO g (NaNO 3 )(2.50 g) K 2 SO g NaCl1.00 g MgSO 4. 7H 2 O0.20 g CaCl 2. 2H 2 O0.04 g I nutrienti sono sciolti in acqua distillata a cui si aggiungono 6 ml di soluzione metallica, 1 ml di soluzione di micronutrienti e vitamina B 12 SPIRULINA PLATENSIS Microalga verde-azzurra o cianobatterio Struttura a spirale Facile reperibilità Crescita in ambiente salino e pH fortemente basico Conosciuta in campo farmaceutico - alimentare

8 Impianto a colonna - assemblaggio   Montata una colonna in plexiglass (6 cm di diametro, altezza 80 cm) su un supporto metallico   Tale colonna è collegata in coda (ingresso), tramite tubicino in gomma, con un pallone di miscelazione in vetro   In testa alla colonna è posto un assorbitore in vetro   Illuminazione continua con lampada fluorescente, luce bianca ( PPFD 348 μmoli fot/(mq*s))

9 Schema dell’impianto 1 2

10 Funzionamento impianto   Nel pallone in vetro avviene la miscelazione tra NO x provenienti da bombola in pressione con aria immessa tramite pompa; entrambi i gas sono regolati e misurati da flussimetro   La miscela è insufflata dal basso in colonna contenente la Spirulina p., in testa alla quale è collegato l’assorbitore (1)   Si è lavorato sotto cappa per controllare eventuali fuoriuscite di gas   Nota: valvola a ‘T’ consente verifica corrispondenza volume/moli da bombola NO x tramite assorbitore n. 2

11 Descrizione della sperimentazione prova in bianco Scopo: verificare il comportamento della miscela gassosa NO x /aria nella colonna contenente solamente il terreno di Schlosser privo dell’unica fonte di azoto, state condotte delle prove di assorbimento del gas con le seguenti condizioni sperimentali:   Colonna contenente 1.5 litri di terreno di Schlosser senza nitrato di sodio   Flusso d’aria costante per tutta la sperimentazione pari a 40 Nl/h   Flusso NO x tale da ottenere in soluzione in colonna la concentrazione teorica desiderata (pari a mg/l in azoto)   Assorbitore (1) contenente 100 ml di permanganato di potassio in soluzione alcalina

12 Prova con Spirulina platensis Scopo: verificare la possibilità di rimozione degli NO x tramite Spirulina platensis sono state condotte delle prove di assorbimento del gas con le seguenti condizioni sperimentali:   Colonna contenente 1.5 litri di terreno di Schlosser senza nitrato di sodio   Inoculo algale tale da ottenere in colonna una concentrazione iniziale di 0.4 g/l   Flusso d’aria costante per tutta la sperimentazione pari a 40 Nl/h   Flusso NO x tale da ottenere in soluzione in colonna la concentrazione teorica desiderata (pari a 150 mg/l in azoto)   Assorbitore (1) contenente 100 ml di permanganato di potassio in soluzione alcalina

13 Parametri monitorati Assorbitore / gorgogliatore (1) & (2):   Determinazione, nella soluzione alcalina assorbente di KMnO 4, della concentrazione di NO 3 - (mg/l) tramite cromatografia a scambio ionico vedere Allegato 1 Dm 25 agosto 2000 vedere Allegato 1 Dm 25 agosto 2000 Colonna / reattore:   Determinazione, nel terreno di coltura, della concentrazione (mg/l) delle forme NO 2 - e NO 3 - tramite analisi di chimica analitica Contenuto NO 2 - : metodo al reattivo di Griess Contenuto NO 2 - : metodo al reattivo di Griess Contenuto NO 3 - : metodo colorimetrico al salicilato di sodio Contenuto NO 3 - : metodo colorimetrico al salicilato di sodio   Test di crescita della biomassa tramite valutazione del peso secco (g/l) e misurazione della variazione del pH nel terreno di coltura

14 Risultati e discussione prova in bianco Andamento nel tempo delle concentrazioni degli ioni nitrito e nitrato (mg/l) in colonna con terreno di Schlosser privo di nitrato di sodio ed arricchito con un flusso di NO x corrispondente a circa mg/l in N diminuzione continua nel tempo concentrazione nitriti fino a 6-11 mg/l andamento concentrazione nitrati si mantiene in un range tra mg/l

15 Prova con Prova con Spirulina platensis Andamento nel tempo del peso secco (g/l) della S. platensis in colonna con terreno di Schlösser privo di nitrati ed arricchito con un flusso di NOx pari a 150 mg/l in N l’aumento di biomassa ha confermato l’utilizzo di NO x da parte dell’alga verde-azzurra interruzione crescita micro-organismo a circa g/l come peso secco dopo circa 7/8 giorni

16 Andamento del peso secco e del pH di due colture (1) e (2) di S. platensis in colonna con terreno di Schlösser privo di nitrati ed arricchito con un flusso di NO x pari a 150 mg/l in N, in funzione del tempo

17 Valori giornalieri in colonna delle concentrazioni di nitriti e nitrati (mg/l), corrispondente valore in N (mg/l) e contenuto totale in N (mg/l) previsione: diminuzione costante del contenuto in azoto andamento variabile nel tempo della concentrazione dei nitriti e nitrati e quindi dell’azoto totale in colonna

18 Analisi dei risultati Alcuni autori sostengono che delle reazioni tra ossidi di azoto in presenza di acqua, le principali a temperatura e pressione standard sono le seguenti: 2NO 2 N 2 O 4 (a) NO + NO 2 N 2 O 3 (b) N 2 O 4 + H 2 O => HNO 2 + HNO 3 (c) N 2 O 3 + H 2 O => 2HNO 2 (d) In condizioni alcaline si considera che l’assorbimento avvenga attraverso le reazioni (c) e (d) completamente spostate verso destra. Dati di solubilità degli ossidi di azoto in acqua: (*) W.H. Koppenol. The basic chemistry of nitrogen monoxide and peroxynitrite. Free Radical Biology & Medicine. Vol. 25, Nos. 4/5, pp ,  L’alga consuma per la sua crescita l’azoto, che nel terreno classico è sotto forma di nitrato, riducendolo ad altre forme (ammonio) attraverso enzimi che essa stessa produce: nitrato e nitrito riduttasi

19 Conclusioni   Il sistema di abbattimento degli NO x tramite Spirulina platensis risulta essere efficace, funzionante, da ottimizzare   Dalle analisi si è dedotto che gli NO x vengono assorbiti nel terreno, che la biomassa li utilizzi per la crescita e che esiste un consumo dell’azoto in colonna   La prosecuzione della sperimentazione permetterà di approfondire lo studio del sistema e di ottenere un valore dell’efficienza di abbattimento da confrontare con il valore dei sistemi tradizionali


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