DECONTAMINAZIONE ELETTROCINETICA Manni Giulia Corso di laurea in Scienze e tecnologie per l’ambiente e il territorio DECONTAMINAZIONE ELETTROCINETICA Relazione per il corso di Depurazione chimica (Prof. Maurizio Vidali)

INTRODUZIONE La normativa più recente in materia di bonifica è il D.M. 471/99. Definisce: terminologia di settore iter per l’elaborazione del progetto di bonifica piano di caratterizzazione relazione tecnica descrittiva progetto preliminare di bonifica progetto definitivo di bonifica

CLASSIFICAZIONE Trattamento di tipo chimico, basato sulla trasformazione degli inquinanti in composti meno mobili o meno pericolosi Trattamento utilizzato in situ, agisce cioè direttamente alla sorgente di contaminazione Trattamento applicato prevalentemente ai suoli e in misura minore alle acque sotterranee

A PROPOSITO DI SUOLO… Il D.M.471/99 definisce il suolo come “tutti i materiali solidi interessati dalla contaminazione del sito” In assenza di una definizione di terreno contaminato accettata a livello europeo, l’Italia lo definisce come “aree potenzialmente contaminate a causa del contatto, accidentale o continuativo, con le attività e sostanze legate ai cicli di produzione di rifiuti potenzialmente tossici e nocivi”

UN PO’ DI STORIA… Nascita negli anni ’30: rimozione di sali non desiderati da terreni agricoli Drenaggio di acqua e fanghi e recupero di oli dai suoli Metà degli anni ’80: separazione di metalli nel suolo e nell’acqua Oggi i casi di reale applicazione sono limitati, pari al 5% delle tecniche diffuse a livello europeo in situ su suoli

DESCRIZIONE DEL PROCESSO Si basa sulla circolazione di corrente elettrica a bassa intensità (mA/cm2) tra due elettrodi inseriti nel suolo e immersi in una soluzione elettrolitica per provocare la migrazione e deposizione degli inquinanti sugli elettrodi stessi a seconda della loro carica

TIPOLOGIE DI INQUINANTI RIMOVIBILI Metalli pesanti Anioni tossici (nitrati, solfati) Cianuri Radionuclidi Esplosivi HC alogenati HC aromatici DNAPLs Composti organici anche ionici Contaminanti non clorurati Catrami organici IPA Fenoli L’efficienza di rimozione è superiore al 60% per tutti i metalli pesanti, con punte del 99%

CAMPO DI APPLICAZIONE Suoli di natura argillosa ovvero con alta porosità ma bassa permeabilità Suoli di natura sabbiosa con spaziatura tra gli elettrodi minore di 2 metri Sedimenti Fanghi Matrici con abbondante frazione fine, sature o parzialmente sature, caratterizzate da bassa permeabilità e difficoltà di drenaggio Acque sotterranee

MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 1 MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 1. Reazioni elettrochimiche agli elettrodi Presso gli elettrodi avviene una reazione redox a carico dell’acqua, l’elettrolisi: ANODO 2H2O 4H+ + O2 + 4e- ossidazione CATODO 2H2O + 2e- 2OH- + H2 riduzione DC catodo (-) anodo (+) OH- H+

MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 1 MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 1. Reazioni elettrochimiche agli elettrodi Gli ioni H+ sono attratti dal catodo, l’elettrodo negativo, presso il quale si forma un fronte acido Gli ioni OH- sono attratti dall’anodo, l’elettrodo positivo, presso il quale si forma un fronte basico DC catodo (-) anodo (+) H+ OH- H+ OH- fronte acido fronte basico H+ OH- H+ OH-

MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 1 MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 1. Reazioni elettrochimiche agli elettrodi La migrazione del fronte acido contribuisce al desorbimento dei contaminanti: Gli H+ possono sostituirsi ai cationi adsorbiti alle particelle di suolo, mobilizzandoli. Tale processo dipende dalla CSC delle stesse particelle L’acidificazione del pH solubilizza i metalli pesanti e gli ossidi metallici, attratti verso il catodo

MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 2. Elettroforesi E’ il movimento di particelle solide cariche rispetto al fluido quando sottoposte a campo elettrico catodo (-) anodo (+) + - + - + - + particelle colloidali Sono particelle di natura colloidale come quelle argillose, cariche negativamente in superficie, che legano cationi. In presenza di un campo elettrico migrano verso il catodo

MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 3. Elettromigrazione E’ il trasporto degli ioni in soluzione nei pori del suolo verso gli elettrodi sotto l’influsso di un campo elettrico catodo (-) (riduzione) anodo (+) (ossidazione) - + fronte acido Cationi ed anioni vengono attratti dall’elettrodo di carica opposta dove subiscono reazioni redox. La velocità di elettromigrazione è espressa dalla formula: Vem=µ/τ2 * dV/dx

MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 3. Elettro-osmosi E’ il trasporto di molecole di acqua che avviene nell’interfaccia solido-liquido del mezzo in presenza di un campo elettrico catodo - - - - - - - + + + + + + + + + + - - - - - - - Qe=(e*z*E)/4*p*h*L Qe=Ke*ie*A

MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 3. Elettro-osmosi Forze elettrostatiche e di diffusione portano alla formazione del doppio strato diffuso, formato da: Strato di Stern: cationi a diretto contatto con le superfici negative Strato di Gouy: strato diffuso di cationi - + + - + + + - + + - + + - + +- strato di Gouy strato di Stern

MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 3 MECCANISMI DI TRASPORTO E RIMOZIONE CONTAMINANTI 3. Attenuazione naturale Advezione Convezione Diffusione Dispersione Assorbimento Volatilizzazione Diluizione Biodegradazione

CONDUCIBILITA’ ELETTRICA NATURALE DEL SUOLO Streaming potential: generazione di un campo elettrico indotto da particelle cariche mosse dal fluido + + + v + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - Sedimenting potential: generazione di un campo elettrico indotto da particelle cariche che sedimentano, sottoposte alla forza di gravità, nel fluido resting - - g - -

CONDIZIONI DI APPLICAZIONE Caratteristiche del suolo: 10%<Umidità<saturazione Permeabilità bassa Conducibilità elettrica naturale del suolo bassa CSC bassa pH acido Granulometria fine Salinità bassa Caratteristiche dei contaminanti: Mobilità ionica µ=t*n*D*z*F/R*T Concentrazione non troppo bassa Tipo di ioni Solubilità in acqua

CARATTERISTICHE DEGLI ELETTRODI Materiale: conduttivo ma chimicamente inerte (platino, grafite, rame, ecc.) per prevenire la corrosione dell’elettrodo. Di solito: catodo in filo di rame anodo in grafite di diametro 8-10 cm Configurazioni: si deve minimizzare l’area di inattività del campo elettrico disposizione in orizzontale o verticale configurazioni mono o bidimensionali

CARATTERISTICHE DEGLI ELETTRODI parallelo quadrilatera triangolare esagonale catodo anodo

CARATTERISTICHE DEGLI ELETTRODI Numero: dipende dalla dimensione del sito contaminato. Si può calcolare il numero degli elettrodi per ogni configurazione e per unità di area: N=F1/Le2 per monodimensionale N=F1/π*Re2 per bidimensionale Le e Re=spaziature anodo-catodo F1=fattore di forma dimensionale che dipende dalla configurazione scelta

MODALITA’ DI RECUPERO CONTAMINANTI Recupero in situ: Uso di reagenti Barriere sopra gli elettrodi Evaporazione o condensazione dell’acqua Recupero ex situ: Pompaggio del fluido di processo dal suolo e separazione degli inquinanti per precipitazione o uso di resine a scambio ionico La rimozione viene fatta ogni 2/3 mesi, facilitata dalla regolare inversione di polarità

SVANTAGGI DEL METODO Acidificazione del pH Particolari caratteristiche del suolo e dei contaminanti Comportamento poco prevedibile degli ioni Lunghi tempi di bonifica Possibile formazione di zone di ristagno Possibile formazione di prodotti indesiderati dalle reazioni redox Riscaldamento del terreno Monitoraggio del contenuto di acqua del suolo Grande impiego di energia Eventuale uso di tecnologie integrate

VANTAGGI DEL METODO Poco invasivo Efficace in zone sature ed insature Flessibile verso la specie di inquinante da rimuovere Idoneo per suoli a grana fine

APPLICAZIONI PARTICOLARI 1. Scambiatore elettrochimico di ioni DC elettrolita 1 elettrolita 2 catodo anodo suolo contaminato - + Nei due elettrodi sono contenute due diverse soluzioni elettrolitiche. Gli ioni si sciolgono nell’elettrolita, lo scambiatore di ioni cattura quello bersaglio e l’elettrolita continua il ricircolo

APPLICAZIONI PARTICOLARI 1. Membrana selettiva DC catodo anodo + + + + + + + + membrana selettiva per cationi Membrana porosa posizionata tra anodo e catodo per rimuovere un determinato catione. Si tratta di membrane specifiche, diverse per diversi tipi di catione

APPLICAZIONI PARTICOLARI 2. Casting ceramico Sistema che permette di aumentare l’efficienza del processo attraverso il controllo del contenuto d’acqua e del pH del suolo con l’aggiunta di una soluzione tampone 3. Lasagna Consta di tre fasi: Fratturazione del suolo per incrementarne la permeabilità ed installare gli elettrodi Separazione elettrocinetica Degradazione/immobilizzazione inquinanti con reagenti o bioremediation

APPLICAZIONI PARTICOLARI 3. Lasagna catodo anodo disposizione orizzontale disposizione verticale Tra anodo e catodo vengono posizionati sistemi assorbenti/reagenti catalitici/soluzioni tampone/agenti ossidanti/altro

TEMPI E COSTI RICHIESTI Tempi variabili a seconda della quantità di matrice da trattare e delle caratteristiche del terreno ma comunque inferiori ad un anno Sui costi incidono: Quantità di matrice da trattare Concentrazione iniziale degli inquinanti e finale da raggiungere Profondità della contaminazione Caratteristiche dei suoli Caratteristiche dei rifiuti residui Preparazione ed esecuzione degli interventi