PROCESSO GLOBALE ANTI-INQUINAMENTO CON TECNICHE A MICROONDE di Alberto Breccia Fratadocchi, Siticsa srl (www.siticsa.it) La tecnica delle microonde di potenza è utilizzata nella ricerca, nello sviluppo industriale e nello ambiente. In particolare nei nostri Laboratori sono state sviluppate: Applicazioni delle microonde in Chimica; Interazione delle microonde con la materia (parametri in gioco e modelli di reazione); Utilizzo delle microonde nei processi anti-inquinamento. Dalle ricerche svolte sono stati raccolti e collegati vari sistemi a microonde che, nel loro insieme, rappresentano una proposta complessiva per un processo anti-inquinamento.

Processo Globale Anti-inquinamento Un processo globale di anti-inquinamento si propone di abbattere qualsiasi tipo di inquinante o quanto meno di abbassarne drasticamente le quantità. Il progetto presente riguarda l’abbattimento parziale , sicuramente incisivo per la salvaguardia ambientale, dell’inquinamento atmosferico in qualsiasi sorgente inquinante civile, urbana ed industriale. In una città e nel suo territorio l’inquinamento principale è dato dal riscaldamento, dai mezzi di trazione , dagli impianti tradizionali per produrre energia, dagli inceneritori, da Industrie chimiche.

Lo sviluppo dei processi anti- inquinamento Due sono le linee di azione: Agire sulle materie per la combustione, sugli intermedi di reazione nelle industrie chimiche, sul ricupero dei rifiuti e sulla loro differenziazione, sul materiale per produrre energia. Questa è la linea che dagli anni cinquanta è stata applicata ma ora si sta dimostrando per varie ragioni insufficiente. La seconda linea riguarda la distruzione delle emissioni atomizzando il materiale con alte temperature e ricuperando il calore , quando possibile, per produrre energia o lavoro. Il presente progetto si base sulla distruzione delle emissioni con plasma a microonde a temperature cha vanno da 2000° a 7000° C e producendo energia con turbine o teleriscaldamento

Le applicazioni delle microonde in ricerche di Chimica ed in Ecologia Interazioni delle microonde con la materia. Le proprietà dielettriche. Gli effetti termici e non termici. Microonde in Chimica Organica ed in Chimica Farmaceutica di sintesi. Microonde in processi di polimerizzazione Formazione ed uso del plasma indotto da microonde. Nuovi modelli di apparecchiature a microonde. Le microonde nei nano e micro sistemi

Interazione delle microonde con la materia Interazione delle microonde con la materia. Parametri in gioco nell’applicazione in Chimica Nella interazione delle radiazioni microonde con la materia gli effetti primari che si avvertono sono: Una riflessione delle radiazioni per circa il 100%. Effetto prodotto dai conduttori elettrici. Una penetrazione delle radiazioni nella materia senza alcun assorbimento o diminuzione o riscaldamento, prodotta da materiale isolante. Penetrazione con effetto riscaldante anche elevato secondo il meccanismo del riscaldamento dielettrico. Tale effetto è prodotto da dielettrici con perdita di energia

Proprietà dielettriche della materia Perché le microonde producano un effetto termico sulla materia, occorre che questa sia un dielettrico, Le principali proprietà dielettriche della materia, da cui deriva l’effetto complessivo delle microonde, sono: la costante dielettrica , la permeabilità elettrica complessa *, che da il valore del fattore di perdita di energia (loss factor)  “ e la permeabilità reale ’. Ad esse si aggiunge il fattore tang δ che è dato dal rapporto ”/’ e meglio descrive la capacità di un materiale di assorbire microonde. La tang δ è sempre correlata alla frequenza ed alla temperatura. Diventa così importante lo studio della correlazione della frequenza con gli effetti sui materiali, soprattutto utilizzando le frequenze a 2.45 GHz, a 5.0 GHz ed a 900 MHz, che sono più usate negli indirizzi di ricerca e nelle applicazioni sopra menzionati.

Reazioni per attivazione termica Due tipi di meccanismi sono stati messi in evidenza nelle reazioni sotto microonde; l’effetto termico correlato a diversi stati energetici che riducono i tempi di reazione ma mantengono il tipo di meccanismo e la cinetica delle reazioni. Tre fattori causano tale effetto: sovrariscaldamento dovuto alla presenza di cariche elettriche, tipo ioni; velocità più alte rispetto a quelle tradizionali,con il raggiungimento della temperatura di reazione in tempi più brevi, ad es. minuti rispetto ad ore o giorni; aumento della velocità dei processi diffusivi.

Reazioni per effetto non termico Quando le reazioni sotto microonde non sono giustificate da effetti termici, diversi meccanismi vengono proposti: Formazione di centri di calore (hot spot) molto alto che giustificano velocità di reazione più elevate. Ri-allineamento di spin elettronici in strutture radicaliche. Formazioni di radicali. Ri-allineamento molecolare. Effetto catalitico come una conseguenza di formazione di dipoli in stati di transizione

La tecnica a microonde nei processi di anti-inquinamento I processi principali di anti-inquinamento presi in considerazione nelle nostre ricerche riguardano: l’essiccamento di fanghi e rifiuti per abbassarne il contenuto in acqua per renderli autocombustibili (< 65%) sotto microonde. l’abbattimento di fumi e di composti metallo organici tipo diossine, con tecniche a microonde. l’abbattimento di fumi derivati da processi di combustione con plasma a microonde.

Abbattimento di fumi con plasma a Microonde I fumi prodotti da sistemi di combustione o da generatori di energia da carbone, petrolio, biomasse, rifiuti o da inceneritori sono stati abbattuti da apparecchiature al plasma di microonde che atomizza il materiale trattato utilizzando come gas per il plasma lo stesso fumo. Nell’abbattimento si riduce del 70% l’emissione di CO e CO2, bruciano gli idrocarburi, si producono NOx, NO2 in maggiore quantità e polvere di carbone. Occorre pertanto mettere a valle un catalizzatore per gli NOx anche se si sta cercando di irradiare ulteriormente con microonde senza uso del plasma gli NOx per la loro distruzione con tecnica già nota. Per le polveri di carbone si può procedere al ricupero.

Essiccamento di fanghi e rifiuti con tecniche a microonde Esempi di apparecchiature per l’essiccamento e per l’abbattimento degli alogeno-organici, diossine o simili nelle ricerche di laboratorio

Impianti pre-industriali per essiccare fanghi con microonde Tre esempi di impianti industriali per essiccare e incenerire fanghi e rifiuti con tecniche a microonde fino a 250 Kg/ora. Esempio di inceneritore con le sorgenti a microonde per abbat-tere gli alogeno-organici

Produzione ed Utilizzo del plasma a microonde per la distruzione di fumi Il plasma è uno stato particolare delle materia . Esso è formato da ioni, elettroni fortemente energetici e stati transienti. I tre tipi di plasma termici più usati sono il plasma elettrico, il plasma da radiofrequenza ed il plasma da microonde. Questo ultimo raggiunge temperature inferiori, fino a 7000°C. Particolare attenzione è stata posta nel predisporre apparecchiature modulari al plasma a microonde per distruggere fumi derivati da diversi sistemi di combustione, partendo da cappe da laboratorio o da cucina ad apparati per i gas di scarico delle auto ad impianti pre-industriali ed industriali. I progetti hanno dato risultati nettamente positivi anche se migliorabili. Importante è la tipologia delle sorgenti di microonde.

Sorgenti di plasma a microonde per bassa potenza, fino a 1-2 kWatt Sorgenti da 1,0 kWatt per cappe, con o senza schermo di ceramica, termoisolante ma trasparente alle microonde. Con la potenza da 2 kWatt l’alimentatore è posto fuori dalla scatola per le dimensioni.

Sviluppo delle sorgenti per plasma a microonde da 1000 watt Lo sviluppo della sorgente per plasma a microonde da 1 kW: si vedono la finestra in quarzo e la guida d’onda. I componenti della sorgente: magnetron,alimentatore, diodi, condensatore e termostato.

Impianto al plasma a microonde per cappa Impianto al plasma composto da sorgente al plasma, motore di tiraggio della cappa e la zona plasma. Nella seconda figura si vede la zona plasma accesa con sistema ad arco e con auto-alimentazione.

Sistema al plasma a microonde per l’abbattimento di gas di scarico di auto Sistema a plasma da 2 kW di microonde per gas di scarico di auto, composto di zona plasma con inserimento del fumo come gas del plasma.

Sistemi di controllo dei gas di scarico delle auto con tecniche al plasma da microonde Il sistema mostrato in figura è composto da : gas cromatografo portatile, sistema a plasma da micronde, connessione con marmitta auto, bombole di aria compressa, azoto ed argon.

Impianto sperimentale per plasma a microonde per trattare fumi Sistema sperimentale per il trattamento dei fumi da inceneritore per fanghi. La fiamma del plasma è lunga circa 15 cm e larga alla base circa 3 cm.

Impianti industriali per abbattere fumi da inceneritori al plasma a microonde Progetto industriale per inceneritori al plasma a microonde per fumi o solidi sospesi. Nella parte superiore è posto il sistema scam-biatore di calore ed il generatore di energia a turbina. Lateralmente sono poste le sorgenti a micro-onde. In rosso al centro sono posti gli augelli con le fiamme del plasma a microonde. La sorgente a microonde ha la frequenza di 2,45 GHz. Il medesimo impianto è utilizzabile anche per liquidi, ponendo una pompa ad ignezione ed un sis-tema di trasferimento nella parte inferiore.

Nuove strutture con tecniche a microonde: Produzione Farmaci Sistema di microtecnologia industriale per la produzione di farmaci fino a 3 ton /anno di prodotto ad una velocità di reazione di 2 hr per 2 kg di prodotto. La reazione può essere automatizzata ed il prodotto finale può salire ad 8 tonnellate/anno. Connessione tra il reattore interno a bolle, il miscelatore esterno ed il deposito dei reagenti e dei solventi.

Nuove strutture con tecniche a microonde: Edilizia Nuovo sistema con quattro sorgenti di microonde da 800 Watt per il riscalda-mento della miscela di bitume da stratificare in terrazze e sotto i tetti. Il peso dell’apparecchio è di 50 kg.

Nuove strutture con tecniche a microonde: Biocombustibile Il serbatoio da 100 litri è fatto di due parti, in una si miscelano i reagenti, nell’altra c’è il reattore a microonde con una potenza di 8/16 kWatts. Si è verificato che le radiazioni a micro-onde riducono a un terzo i tempi della reazione.

Nuove strutture con tecniche a microonde: Sanitari Nella figura è mostrato un sistema per disinfezione di ferri medicali soprattutto odontoiatrici. Pressione e temperatura sono registrabili.

Nuove strutture per forni commerciali a microonde Nella figura a fianco è mostrata una struttura dove la cavità è fissa ed adattabile a diverse esigenze mentre la sorgente è posta in un cassetto-box con potenza in microonde variabile.

Il risparmio di energia con l’uso della tecnica a microonde Il primo fattore che esplicita meglio il risparmio energetico che si ottiene con le microonde è il rendimento lavoro. Ad esempio 1 kWatt di energia elettrica produce mediamente 0.9 kWatt di energia a microonde di frequenza 900 MHz; 0.75 kWatt di energia a microonde di frequenza 2.45 GHz. Ad esempio per evaporare sperimentalmente 450 gr di acqua occorre energia pari a 1000BTU con apparecchio elettrico mentre con le microonde di 2.45 GHz ne occorre una quantità pari a 850-900 BTU nelle stesso condizioni con una resa media complessiva dello 85%.