Studi e Applicazioni delle Radiazioni alla RI-QUALIFICAZIONE delle Acque

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Luciana Quaranta
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1 Studi e Applicazioni delle Radiazioni alla RI-QUALIFICAZIONE delle Acque Salvatore Silvano Emmi Serena Caminati Biagio Esposito Marco Lavalle Michela Saracino Gruppo AOP ISOF-CNR Bologna Italy SCI, Workshop RADIOCHIMICA E CHIMICA DELLE RADIAZIONI APPLICATE ALL AMBIENTE, ALLA SALUTE E ALL INDUSTRIA, Collegio Ghislieri, Pavia 28/11/2008 1

2 Processi di Ossidazione Avanzata H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O H 2 O 2

3 3

4 L attività Le acque reflue o inquinate possono essere ri-qualificate a nuovi usi per mezzo di trattamenti energizzanti (radiazioni ionizzanti e non ionizzanti). Tutti i metodi fondati sul potere ossidante e cinetico del radicale idrossile (OH) vengono chiamati Processi di Ossidazione Avanzata (AOP) Nel Gruppo AOP affrontiamo gli aspetti fondamentali e applicativi di questi processi, mediante radiazioni gamma, fasci di elettroni ad alta energia, trattamenti UV e cavitazione acustica. Studi di base: ossidazione di due tipi di inquinanti: pesticidi e surfattanti. Progetto Regionale: inquinanti emergenti (ospedali) Applicazioni: Industria 2015 Eco-Appliances, IAEA Consultant Group, Trasferimento Tecnologico nel Laboratorio Regionale Emilia-Romagna ENVIREN; link con produttori degli impianti EB, test su inquinanti a richiesta. 4

Advanced Oxidation Processes Pollutant Fenton Fenton Fe 2+ + H 2 O 2 Fe

Photocatalysis Photocatalysis (TiO2) (TiO2) E-beam H 2 O ))) OH + H TiO 2

+ e - aq SCI, Workshop RADIOCHIMICA E CHIMICA DELLE RADIAZIONI APPLICATE

5 Advanced Oxidation Processes Pollutant Fenton Fenton Fe 2+ + H 2 O 2 Fe Fe 3+ OH - + OH 3+ OH O 3 /H 2 O 2 /UV OH Sonolysis H 2 O 2 + hν OH Photocatalysis Photocatalysis (TiO2) (TiO2) E-beam H 2 O ))) OH + H TiO 2 + hν e - + h + TiO 2 (h + ) + H 2 O ad TiO 2 + OH ad + H + H 2 O OH + H H + e - aq SCI, Workshop RADIOCHIMICA E CHIMICA DELLE RADIAZIONI APPLICATE ALL AMBIENTE, ALLA SALUTE E ALL INDUSTRIA, Collegio Ghislieri, Pavia 28/11/2008 5

6 Il radicale idrossile lo scalpello molecolare Abstracts hydrogen Adds to π bonds H OH Accepts an Electron SCI, Workshop RADIOCHIMICA E CHIMICA DELLE RADIAZIONI APPLICATE ALL AMBIENTE, ALLA SALUTE E ALL INDUSTRIA, Collegio Ghislieri, Pavia 28/11/2008 6

7 H 2 O 2 /UV direct & indirect decomposition P + OH hν Intermediates direct & indirect decomposition hν hν H 2 O 2 mineralization CO 2 + H 2 O + Cl - 7

8 photochemical reactor UV Lamps sample 8

9 9

10 Environment & Electron Beam No. of Articles Note: Total No. of Articles = 19,097 (0.7% referring to AOPs) Total No. of Patents = 37,253 10

11 11 Reuse Reuse Dyes Dyes AOPs Articles by subjects Phenols Phenols Pesticides Pesticides Herbicides Herbicides Industry Industry Municipal Municipal Water Water treatment treatment 0 N. of Articles

12 Carbamate Insecticides N-methyl carbamates are widely used as insecticides throughout the world. Estimated annual worldwide use: from 20,000 to 35,000 tons (Int. Programme on Chemical Safety, 1986). Carbamate methyl ester Carbofuran Propoxur Dioxacarb Pirimicarb H H N O O H H H HN O O O HN O O O HN O O O O N O O N N N 12

13 pesticides organohalogen compounds surfactants bisphenol-a Endocrine Disruptors interfere with production, release, transport, metabolism, bonding, action or elimination of hormons regulating omeostasys and growth processes Wasted in waters from industries and domestic activities 13

14 Distruzione dei carbammati e dei surfattanti mediante: Electron Beam foto-ossidazione ossidazione con H 2 O cavitazione con ultrasuoni 14

Propoxur (Baygon ) Pulse radiolysis with N 2 O or H 2 O 2 Propoxur + OH 0.14 0.12 0.10 Propoxur / N 2 O (4 μs) Propoxur / H 2 O 2 (60 mm) / Ar satd. (1.5 μs) Propoxur / H 2 O 2 (60 mm) / Air satd. (1.5 μs) ΔA 0.

15 Propoxur (Baygon ) Pulse radiolysis with N 2 O or H 2 O 2 Propoxur + OH Propoxur / N 2 O (4 μs) Propoxur / H 2 O 2 (60 mm) / Ar satd. (1.5 μs) Propoxur / H 2 O 2 (60 mm) / Air satd. (1.5 μs) ΔA k bim = 7.8 x 10 9 M -1 s -1 ΔA time, μs 2-isopropoxyphenyl methylcarbamate λ, nm Observed spectrum of the hydroxylated Propoxur, dose = 16 Gy Inset: Formation of transient species [Propoxur + OH] at 320 nm 15

16 Photolysis & Radiolysis Laser Flash Photolysis* hν Pulse Radiolysis OH k bim = 7.8 x 10 9 M -1 s ΔA x x10-6 Time (μs) ΔA * Sanjuan,, A. et al. Applied Catalysis B: Environmental 25 (2000) λ, nm 16

17 TOC (Total Organic Carbon) TOC (mg/l) E-Beam degradation In natural Air & room temperature only Propoxur (150 μm) Propoxur (150 μm) and H 2 O 2 (10 mm) x x x x x x x10 5 Dose (Gy) 27% 97% 17

18 Degrading speeds: E-beam vs. UV 50 Soluzione acquosa di propoxur (150 μ M) e H 2 O 2 (10 mm) 40 degradazione E-beam degradazione UV TOC (mg/l) time (min) 18

19 Endocrine disruptors mimic hormones R R sexual hormons HO nonilphenol HO 19

20 Degradation of SDS 40 mg/l in different atmosphere γ-rays treatment % Degradation SDS / N 2 O SDS / O 2 SDS / natural air Dose (Gy) 20

21 Conclusioni Utilità Un processo Electron beam bonifica in profondità acqua e liquami. L azione di bonifica è fisica e chimica. Gli inquinanti organici vengono distrutti e non separati come nella filtrazione. Altri AOP sono meno efficienti ma ugualmente efficaci Risposte a problemi ambientali e industriali decomposizione degli inquinanti, sterilizzazione delle acque, rapidità di azione. L acqua riabilitata è molto più economica dell acqua di prima fornitura. L EB è indicato per grandi flussi d acqua da scarichi industriali, municipali, civili, ospedalieri e zootecnici. 21

22 Aspetti innovativi Tutti gli AOP operano a temperatura ambiente e in atmosfera. sono efficaci anche sugli inquinanti bio-resistenti. impatto ambientale inesistente perché minimizza o annulla impiego e stoccaggio di prodotti chimici. L EB in particolare agisce in profondità anche in sistemi eterogenei (sospensioni, fanghi, ecc) con un unico trattamento distrugge gli inquinanti e sterilizza acque e fanghi. impianti mobili (disponibili dal 2009) e rapidità di trattamento lo rendono ideale per incidenti ambientali naturali o provocati. Trasferibilità Gli impianti EB e UV sono in produzione, adattabili e integrabili in depuratori esistenti. 22

23 Grazie per l attenzionel 23

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