DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO – XXII CICLO

Presentazione sul tema: "DOTTORATO DI RICERCA IN INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO – XXII CICLO"— 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 CO2 da gas di combustione per mezzo della microalga NOA-113 in fotobioreattore tubolare rimozione biologica degli NOx 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 (NOx) Generati da processi di combustione per reazione tra N2 e O2 dell’aria a temperatura > °C Centrali termoelettriche, riscaldamento, motori a combustione interna emettono NO (95-98%): in presenza di ozono si trasforma in NO2 Il biossido può essere originato anche da sorgenti naturali La miscela degli NOx permane nell'ambiente alcuni giorni e può interessare territori a grande distanza dalla sorgente inquinante NOx 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’NO2 provoca “smog fotochimico” e “piogge acide”

5 Processi chimici comunemente utilizzati per l’abbattimento degli NOx
4 NO + 4 NH3 + O <=> N2 + 6 H2O 6 NO2 + 8 NH <=> N H2O DeNOx TERMICO (SNCR, selective non catalitic reduction) DeNOx 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, SO2 ed SO3 Processi

6 Processo biologico sperimentale
Utilizzando un terreno privo di nitrato di sodio e alimentando come unica fonte di azoto un flusso esterno di NOx (da bombola), l’obiettivo è: studiare un impianto alternativo di abbattimento degli NOx mediante Spirulina platensis ottimizzare l’assorbimento in funzione del tempo e della concentrazione della biomassa

7 Microrganismo e mezzo di coltura
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 Utilizzo terreno di “Schlösser” con la seguente composizione (per litro): NaHCO3 13.61 g Na2CO3 4.03 g K2HPO4 0.50 g (NaNO3) (2.50 g) K2SO4 1.00 g NaCl MgSO4. 7H2O 0.20 g CaCl2. 2H2O 0.04 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 B12

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 NOx 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 NOx tramite assorbitore n. 2

11 Descrizione della sperimentazione prova in bianco
Scopo: verificare il comportamento della miscela gassosa NOx/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 NOx 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 NOx 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 NOx 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 Assorbitore / gorgogliatore (1) & (2):
Parametri monitorati Assorbitore / gorgogliatore (1) & (2): Determinazione, nella soluzione alcalina assorbente di KMnO4, della concentrazione di NO3- (mg/l) tramite cromatografia a scambio ionico vedere Allegato 1 Dm 25 agosto 2000 Colonna / reattore: Determinazione, nel terreno di coltura, della concentrazione (mg/l) delle forme NO2- e NO3- tramite analisi di chimica analitica Contenuto NO2- : metodo al reattivo di Griess Contenuto NO3- : 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 NOx 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 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 NOx 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
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 NOx 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: 2NO2 <=> N2O (a) NO + NO2 <=> N2O (b) N2O4 + H2O => HNO2 + HNO (c) N2O3 + H2O => 2HNO (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 , 1998. 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 NOx tramite Spirulina platensis risulta essere efficace, funzionante, da ottimizzare Dalle analisi si è dedotto che gli NOx 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