TRATTAMENTI DI OSSIDAZIONE AVANZATA AL SERVIZIO DELL AMBIENTE

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1 MATERIALI E METODI Descriviamo di seguito le strumentazioni impiegate per le sperimentazioni: i tipi di reattori ad UV scelti, le acque di scarico trattate, con i diversi coloranti presi in esame, descrivendo inoltre le modalità con cui queste stesse sono state effettuate. Lampada a bassa pressione Heraeus TNN Lunghezza totale immersa 380 mm Lunghezza immersa fino alla lampada 370 mm Lunghezza di emissione della luce 170mm TRATTAMENTO UV/ H2O2 LA LAMPADA UV La lampada UV da noi utilizzata è a bassa pressione ed emette radiazioni ultraviolette a due diverse lunghezze d onda, corrispondenti a 254 nm e 180 nm, con un emissione pressoché totale nel primo caso e ridotta dell 80% nel secondo. Le caratteristiche principali della lampada sono elencate nella tabella Output della lampada 15 W Vita utile 4000 h Peso 0,28 Kg Emissione concentrata quasi completamente a 254 nm 1

2 Durante le prove sperimentali il reattore di vetro è stato rivestito con della carta stagnola per diminuire la dispersione dell irradiazione nell ambiente esterno. Nel tener conto del tempo di riscaldamento, necessario alla lampada per raggiungere il regime di pieno funzionamento, (l emissione aumenta in modo graduale durante un arco di tempo iniziale variabile tra i 2 e i 5 minuti), abbiamo sempre acceso preventivamente la stessa con un anticipo di 5 minuti affinché le prove non venissero falsate nei tempi e con l obiettivo di avere risultati omogenei. E infatti nei primi minuti che avviene una considerevole quota del processo di decolorazione. Per le stesse ragioni siamo ricorsi all impiego simultaneo di due imbuti che consentono l immissione dall alto del campione in un tempo che varia dai 10 ai 12 secondi. In questo caso si è posto come tempo zero l immissione nel reattore di metà del campione. Questa procedura è ovviamente esposta ad errori di carattere umano a causa della differenza di velocità nel versare il campione tra prova e prova; tale imprecisione si traduce in un errore che equivale ad una errata misura del tempo che tuttavia consiste in al più un secondo di scostamento tra una prova ed un altra; essendo i campioni nei primi 5 minuti di trattamento prelevati ogni 60 secondi ciò si traduce in un errore dell ordine del punto percentuale tra prova e prova. Considerando tuttavia che le tutte le prove sono state ripetute almeno tre volte, eseguendo poi una media dei risultati, si può ritenere che tale errore non influenzi pesantemente i risultati. Dopo alcune prove preliminari, vista la forte colorazione delle acque di scarico preparate abbiamo indirizzato la nostra prima ricerca su concentrazioni di acqua ossigenata piuttosto elevate ( 0,5-1,0 g/l ) 2

3 IL REATTORE FOTOCHIMICO Di seguito si riporta la descrizione del reattore, prodotto dalla Heraeus SpA costituito da tre componenti : d immersione, di raffreddamento e vaso recipiente. 3

4 Il tubo d immersione di forma cilindrica con una sola apertura superiore (il cui disegno è riportato in figura ), costituisce la sede per la lampada UV; è realizzato interamente in quarzo il che consente un ridotto assorbimento dei raggi UV (8% secondo i dati forniti dalla casa produttrice). Dati tecnici TUBO D IMMERSIONE Lunghezza totale 380 mm Diametro 25 mm Peso 0,200 Kg Materiale: quarzo 4

5 Il tubo di raffreddamento è anch esso necessariamente in quarzo trovandosi tra la sorgente di raggi UV e la soluzione da trattare. L apertura nella parte superiore consente l inserimento all interno del tubo d immersione, mentre due piccoli condotti di sezione circolare sono impiegati come ingresso e uscita per il liquido di raffreddamento che circola tra il tubo d immersione e il tubo di raffreddamento distanti tra loro alcuni millimetri. La necessità di un circuito di raffreddamento nasce da una parte dall esigenza di evitare il surriscaldamento della lampada dall altra dall esigenza di svolgere le prove sotto condizioni controllate di temperatura dato che anch essa può influenzare la resa del processo. I due condotti suddetti sono dunque stati collegati a un termostato in cui è stato impiegato come liquido di raffreddamento acqua distillata al fine di ridurre al minimo l assorbimento di raggi UV, dato che tale liquido è interposto tra la lampada e il campione da trattare. La temperatura interna del liquido di raffreddamento è stata regolata a 18 C durante tutte le prove eseguite e si è potuto verificare che il riscaldamento della soluzione nel reattore non fosse tale da influenzare in modo decisivo lo svolgimento del processo. Anche in tempi relativamente lunghi (40 min) infatti si è riscontrato un aumento di pochi gradi centigradi. Dati tecnici TUBO DI RAFFREDDAMENTO Lunghezza totale 340 mm Diametro 39 mm Peso 0,650 Kg Materiale: quarzo 5

6 Il vaso recipiente infine, di forma cilindrica con un restringimento nella parte superiore, consente l inserimento dall alto del corpo costituito dai due precedenti tubi, e, attraverso le altre due aperture superiori, l immissione dei campioni da trattare. Infine in basso è presente un rubinetto che consente il prelievo dei campioni. Dati tecnici REATTORE Lunghezza totale 250 mm Diametro 136 mm Capacità 0,8 L Materiale: vetro 6

7 2.1.4 REAGENTE UTILIZZATO: Il reagente chimico utilizzato in questa sperimentazione, le cui principali caratteristiche sono riportate in Tabella, è stata una soluzione di perossido di Idrogeno al 30% (H2O2), della ditta CARLO ERBA H2O2 Per analisi Soluzione al 30%m/m Aspetto Limpido incolore Odore Forte, pungente Densità a 20 C [g/cm3] Temperatura di ebollizione [ C] 107 Punto di congelamento [ C] - 26 Solubilità in acqua Completa ph a 20 C 2-4 Degradabilità All aria e alla luce Pressione vapore a 20 C [hpa] 18 Picco di adsorbimento 220 nm Classe di tossicità 3 (su 6) Effetti Ecotossicologici Tab. 4 LC50(Pesci)=35-37 mg/l/96h LC50(Dafnie)=7,7 mg/l/24 h EC50(Alghe) =17 mg/l 7

8 LO SPETTROFOTOMETRO L abbattimento del colore è stato da noi quantificato con misure di assorbanza fatte attraverso lo spettrofotometro Perkin Elmer Lambda 25. Per mezzo di tale strumento è stato possibile sia ottenere degli spettri completi (regione del visibile ) dei campioni, sia delle misure puntuali di assorbanza. Per ogni campione è stato misurato uno spettro completo d assorbimento, con lunghezze d onda comprese tra 400 nm e 700 nm. Abbiamo cioè valutato l assorbimento della soluzione nella regione del visibile, dove abbiamo notato dei picchi caratteristici corrispondenti alla colorazione del campione. Tutte le misure di assorbanza sono state fatte utilizzando delle cuvette in quarzo con cammino ottico di 1 cm. I valori di assorbanza puntuali, rilevati in corrispondenza dei picchi ci hanno permesso di calcolare le concentrazioni in ppm, utilizzando le rette di taratura. 8

9 Spettrofotometro Perkin-Elmer 9

10 REATTORE H2O2 - UV Lampada UV ai vapori di mercurio a bassa pressione 15 W Potenza di alimentazione Emissione concentrata a 254 nm Reattore fotochimico termostato camicia di protezione di quarzo camicia di separazione del fluido di raffreddamento in quarzo reattore cilindrico (vol. 800 ml) generatore elettrico agitatore magnetico Reagente chimico H2O2 (soluzione al g/l) Spettrofotometro Perkin-Elmer Lambda 25 (per le misure di assorbanza) 10

11 TRATTAMENTO TIO2/UV - LA LAMPADA UV UTILIZZATA lampada Ultra-Vitalux 11

12 TRATTAMENTO TiO2/UV LAMPADA UTILIZZATA La luce di questa speciale lampada è simile, nella sua composizione, al mix di radiazioni della luce solare alpina naturale. Questa è generata da un filamento in tungsteno in una lampada ad alta pressione. Lo speciale bulbo in vetro della lampada ULTRA-VITALUX è dotato di un riflettore interno che focalizza le radiazioni. Grazie ad un vetro speciale le radiazioni UVA e UVB prodotte sono ben definite. Grazie al suo spettro radiante simile alla luce solare, la lampada ULTRAVITALUX è particolarmente adatta per la simulazione del sole nei test di materiali industriali. In molti campi produttivi tali test costituiscono un momento importante nel controllo degli standard di qualità. I test di laboratorio possono supportare notevoli intuizioni nelle seguenti aree: verifica di adattabilità all'operatività in ambienti tropicali, degradazione e invecchiamento artificiali, determinazione di cambiamenti nelle proprietà dei materiali, nella loro funzionalità e durata in condizioni climatiche inusuali. L alta proporzione di radiazioni UV nello spettro di questa lampada la rende anche un utile accessorio per l indurimento della plastica (polimerizzazione). L applicazione delle lampade UV ha ottimamente semplificato i processi di trattamento delle materie plastiche e degli adesivi. 12

13 REATTORE TiO2 - UV Lampada con spettro di emissione simile alla luce solare; a filamento di tungsteno ad alta pressione DATI TECNICI E COSTRUTTIVI Lampada in vetro duro a forma di fungo con riflettore incorporato W V t (h) d(mm) a(mm) l(mm) attacco

14 BIOSSIDO DI TITANIO Il biossido di titanio di dimensioni nanometriche è stato calcinato su sferette di vetro del diametro di 1mm. 25 x x 86 x 400 x 14

15 Foto reattore 15

16 Foto reattore 16

17 Modalità operative con TiO2 Sequenza operazioni: Accensione lampadatempo di riscaldamento 2 min Beker da 1 litro Inseriti nel beker 100 grammi di sferette di vetro ricoperte con TiO2 nanometrico. Posti 200 ml di soluzione da trattare Il bagno è stato sottoposto a leggera agitazione mediante ancoretta magnetica Prelievi eseguiti dopo ( Quantità prelevate per valutare l assorbanza e quindi la decolorazione subita dal bagno. ) La quantità di bagno finale è stata utilizzata per testare il COD, il ph e la conducibilità. Il sistema visto il wattaggio della lampada ed il conseguente forte riscaldamento è stato raffreddato con circolazione d aria mediante un ventilatore. 17

18 QUANTITÀ DI BIOSSIDO DI TITANIO Quantità effettiva di TiO2 utilizzato nella prova: Peso totale medio singola sferetta = 5,27 Sfere presenti in 100 g = 100 / 5, = Volume singola sfera = 4/3 Πr3 = 4/3 Π0,53 = 0,524 mm3 Volume totale sfere V = 0,524 x = mm3 Peso sfere di vetro = x 2,5 x 10-3 = circa 25 g Peso biossido di titanio = circa 75 g g. 18