Elettrocinesi

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. 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 (-)
OH-
anodo (+)
H+
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 (-)
H+
H+
H+
H+
fronte acido
anodo (+)
fronte basico
OHOHOHOH-
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. 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
elettrolita 1
DC
catodo
anodo
elettrolita 2
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