DISPOSITIVO PER LA DEGRADAZIONE DI CONTAMINANTI AMBIENTALI ORGANICI MEDIANTE ATTIVAZIONE CATALITICA DEL TiO2 PER MEZZO DI UN CAMPO ELETTRICO

Le industrie tessili, conciarie, cosmetiche, alimentari e delle tinture utilizzano numerosi coloranti. Una certa quantità di essi vengono dispersi durante i processi di lavorazione e diventano una sorgente di contaminazione ambientale soprattutto per l’infiltrazione e la persistenza nel terreno. I metodi più diffusi utilizzati per la rimozione dei coloranti dalle acque reflue sono metodi fisici come l’adsorbimento su carbone attivo e metodi chimici quali l’elettrocoagulazione, la precipitazione e la separazione, la clorurazione, l’ozonizzazione e non ultima la fotodegradazione con biossido di titanio (fotocatalisi).

Un inedito modo di attivazione catalitica del TiO2 ideato e sperimentato sfrutta il principio fisico della promozione di elettroni dalla banda di valenza a quella di conduzione per effetto del campo elettrico che si genera tra la grafite e un collettore cilindrico in rame.

Il collettore cilindrico in rame è posto in rotazione a contatto con dei cilindretti di grafite ed immerso nella soluzione da degradare la quale viene posta in rotazione in quanto sottoposta a sforzi tangenziali.

Il campo elettrico tra la grafite e il collettore in rame viene generato da un funzionamento di dinamo tachimetrica del sistema. Per cui abbiamo un avvolgimento elettrico (rotore),un campo magnetico statico (statore) , un collettore in rame e delle spazzole in grafite.

Sono state trattate numerose soluzioni di coloranti azoici (50 mg/L di Reactive blue 2, Procion red mk58, Acid green 25, Alizarin red) con 500 mg/L TiO2 in polvere (Degussa p25)-(Aldrich 24.857-G- 325 mesh). Le soluzioni (200 mL) erano fatte circolare nello spazio del campo elettrico dal movimento dello stesso rotore parzialmente immerso in esse.

Dopo un’ora di trattamento le soluzioni risultavano completamente decolorate. L’analisi allo spettrofotometro confermava l’abbattimento dei coloranti per oltre il 90%. Analoghe prove, che al momento sono sottoposte ad ulteriore conferma, sono state effettuate con molecole di uso farmaceutico e fitofarmaceutico particolarmente recalcitranti al trattamento fotocatalitico.

Anche questi composti risultano rapidamente demoliti da questo sistema catalitico. Inoltre sono state sottoposte allo stesso trattamento anche acque contenenti emulsioni di oli minerali (prodotti petroliferi) e il risultato è risultato essere molto incoraggiante .

Per fissare le idee ,si è sottoposto al trattamento descritto acque con in emulsione oli minerali (oli esausti) per campioni di 230 ml con COD di 1450 mg/L. Dopo poco più di un ora trattamento con il dispositivo il COD misurato per l’acqua trattata è risultato di 260 mg/L. Una degradazione di oltre 80 %.

Ricapitoliamo un pò i risultati sperimentali:  siamo partiti trattando soluzioni di coloranti azoici ed abbiamo ottenuto la completa decolorazione con tempi dell'ordine  di un ora per coloranti molto recalcitranti alla fotocatalisi ,es. reactive blue 2 ecc. per 200 ml di soluzione.  Abbiamo riscontrato che pur usando come catalizzatore il più granulare come il ALDERICH (mesh 350 ) il fenomeno si verifica ed in più  abbiamo che il particolato non si frammenta in dimensioni più piccole al contrario l'effetto del campo elettrico lo macro-aggrega tanto è  vero che il fondo allo spettrofotometro è meno sporco.  Abbiamo provato a sottoporre allo stesso trattamento l'antibiotico tipo Sulfamethazolo con tempi di trattamento dell'ordine di 60 min o  poco più (200 ml ) con TiO2 Alderich e il risultato è stato dell'ordine del 60 % di abbattimento . Inoltre abbiamo trattato anche  l'atrazina e un risultato in termini di degradazione lo abbiamo ottenuto,l’analisi sperimentale è però ancora in corso di approfondimento.  Abbiamo provato anche con acqua contenente oli esausti con COD di 20000 e l'abbattimento è risultato del 50 % con tempi di un ora e  mezza per 230 ml di soluzione con olio minerale in emulsione, usando come TiO2 l' Alderich.  

Interpretazione del fenomeno Indichiamo con U la densità di energia di campo tra le superfici di contatto della spazzola in grafite e del collettore tra le quali è applicata una tensione V. In considerazione delle irregolarità microscopiche tra le due superficie di contatto dell’ordine dei micron ed anche meno, assumiamo una distanza media tra le due superfici d = 0,1 µm ed andiamo a calcolare la densità di energia U tra questo spazio. La superficie di contatto tra le spazzole ed il collettore è di 0,5 cm² .La U sarà data da:U =(ε0 E²) /2. E = V / d = 0,8 V / 0,1 µm Per cui U ≈ 300 J / m³ Consideriamo il particolato di biossido di titanio con delle dimensioni nanometriche e per comodità di calcolo e stima, assumiamo una geometria sferica . Il volume di questa microsfera è di : V= 4 π R³ /3 ≈ 4* 10¯27 m³ con R = 1 nm L’energia T per questo volume è : T = U * V = 300 J/m³ * 4* 10¯27 m³ = 1,2 10¯24 J E’ noto che il rapporto tra il volume della sfera e la sua superficie è R /3 per cui è ragionevole assumere che la densità di energia per volume e la densità di energia di superficie vada altrettanto come R/3. Pertanto si può accettare che l’energia di superficie SE sia uguale a : SE = ( 3 U /R ) * ( 4 π R² ) = 11 * 10 ¯6 J ≈ 7 * 1013 e V. La densità superficiale del particolato di biossido di titanio da fabbrica è di 5 10¯³ gr/m² per cui per la superficie con R = 1 nm abbiamo che la massa M in grammi è uguale a : M = 5 10¯³ gr /m² *4 π R² = 63 * 10 ¯21 Moli = M /Pm = (63 * 10 ¯21 ) / 80 = 0,78 * 10 ¯21 N molecole= Moli * N avogadro ≈ 470 molecole . Considerando che l’energia di gap per ogni molecola di TiO2 è di 3,2 eV , è ragionevole ritenere l’ energia superficiale SE sufficiente per attivare il fenomeno.  

INDICAZIONI PROCEDURALI PER IL RECUPERO DEL TiO2 CONTAMINATO DAGLI INQUINANTI ORGANICI

IL BIOSSIDO DI TITANIO SOTTOFORMA DI POLVERE SCURA DEPOSITATO SUL FONDO DELLA SOLUZIONE TRATTATA VIENE RECUPERATO ED ISOLATO . ESSO VIENE DILUITO IN ACQUA DISTILLATA E SOTTOPOSTO ALLO STESSO TRATTAMENTO DESCRITTO PER UN CERTO TEMPO. TRASCORSO UN INTERVALLO DI TEMPO DAL TRATTAMENTO SI PRODUCE IN SUPERFICIE UNA COPIOSA SCHIUMA BIANCA . DOPO IL PRIMO TRATTAMENTO SI RECUPERA LA POLVERE DEPOSITATA E LA SI TRATTA NUOVAMENTE CON ACQUA DISTILLATA ,REITERANDO L’OPERAZIONE FINO AD OTTENERE UNA POLVERE BIANCA.