840-Trattamenti termici

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TRATTAMENTI TERMICI
Sono trattamenti particolarmente adatti per il risanamento di terreni contaminati
da sostanze organiche, in taluni casi sono applicabili anche alle sostanze
inorganiche ossidabili alle basse temperature.
Queste tecniche, che come dice il nome stesso sono basate sul riscaldamento del
terreno possono, essere utilizzate sia per desorbire e volatilizzare i contaminanti
che per distruggerli o immobilizzarli.
I principali fenomeni fisici che sono coinvolti dipendono ovviamente dalla
temperatura:
• 90 °C – 650 ° C: Desorbimento termico
o 90 °C – 300 °C: Evaporazione acqua, evaporazione dei composti
organici volatili (idrocarburi), vaporizzazione di composti inorganici
con basso punto di ebollizione (NH3, H2S e Hg)
o 300 °C – 650 °C: Evaporazione e pirolisi (decomposizione di un
composto chimico mediante il calore) di composti organici
semivolatili (idrocarburi pesanti), composti inorganici come cianuri,
solfuri e piombo
• > 650° C: Termodistruzione
o 650° C – 900° C: si raggiunge la completa evaporazione/pirolisi, con
successiva ossidazione in fase gassosa, di tutte le sostanze organiche
e di buona parte di quelle inorganiche
o > 900° C: Prosegue l’evaporazione/pirolisi e successiva ossidazione
dei composti inorganici; la matrice solida inizia a fondere
immobilizzando i contaminanti ancora presenti in una matrice
vetrosa che si forma dopo il raffreddamento
Un aspetto particolarmente importante è quello del riutilizzo del terreno dopo
avere effettuato il trattamento termico. Anche in questo caso si può ragionare in
funzione della temperatura:
• < 460 °C: parziale deterioramento in seguito alla mineralizzazione della
sostanza organica e alla trasformazione degli ossidi di ferro e di alluminio.
Il terremo può essere riutilizzato per uso agronomico, dopo alcune stagioni
riassume le caratteristiche di un normale terreno
• 460 °C – 900 °C: perdita degli ossidrili delle argille e dissociazione dei
carbonati (calcinazione), non può più essere utilizzato per uso agronomico
ma solo come materiale di riporto
• > 900 °C: fusione del terreno, una volta raffreddato si ottiene un prodotto
vetrificato utilizzabile nel settore dell’edilizia (riempimenti, fondi stradali
ecc.)
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Incenerimento o termodistruzione
E’ una tecnica tipicamente applicata off-site, presso un impianto di
termodistruzione, sebbene in alcuni casi sia utilizzata anche on-site mediante
inceneritori mobili di piccole dimensioni.
L’installazione di questi impianti on-site o il trasporto dei contaminanti off-site in
genere fanno alzare notevolmente i costi (vedere la tabella dei costi), tuttavia si
raggiungono efficienze di bonifica molto elevate, ad esempio per i composti
organici si supera il 99.9%.
Questi impianti, dei quali è sopra riportato uno schema tipico, sono ben noti,
pertanto ci si limita ad elencare quali sono le fasi principali del trattamento
nell’ambito della bonifica dei siti contaminati:
• Escavazione del terreno
• Vagliatura del terreno per separare la frazione grossolana (ciottoli di grandi
dimensioni)
• Contrariamente ad altre tecniche in questo caso si possono trattare anche
materiali estremamente vari come sostanze liquide, solidi grossolani, bidoni,
catrami, ecc. Per questo motivo oltre alla vagliatura possono essere previste
anche operazioni di triturazione e di omogeneizzazione della granulometria
(richiesti per l’ottimizzazione del trattamento). Durante questa fase è
necessario controllare le eventuali emissioni gassose.
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• Il terreno omogeneizzato viene quindi convogliato verso l’unità di
termodistruzione a temperature tipicamente di 700 °C – 1000 °C.
• Utilizzando impianti particolari si possono raggiungere temperature
superiori ai 1200 °C, e quindi la fusione e successiva raffreddamento
vetrificazione. Nella matrice vetrosa finale sono inglobate, e quindi
immobilizzate, le sostanze non ancora termo-distrutte. La vetrificazione è
una delle tecniche preferite per il trattamento dell’amianto.
Con queste tecniche si riescono ad ottenere buoni risultati (vedere tabella delle
applicabilità) per tutti i contaminanti organici indipendentemente dalle
caratteristiche del terreno.
Si riescono inoltre ad estrarre per vaporizzazione tutti i metalli pesanti con punto
di ebollizione inferiore ai 1100°C (e.g. Hg, Ar, Pb), la loro estrazione dai gas
recuperati è però alquanto problematica.
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Trattamenti di termodistruzione e immobilizzazione: vetrificazione in situ
La vetrificazione consiste nel riscaldamento del terreno fino alla temperatura di
fusione, attorno ai 1200°C – 2000°C, e al successivo rapido raffreddamento in
modo da ottenere un ammasso amorfo e vetroso inerte.
Le fasi principali di questa tecnica sono (figura sopra):
o Si dispongono 4 elettrodi, generalmente di molibdeno, della lunghezza di 6m
in modo da formare un quadrilatero di lato circa 6m
o Sopra la superficie viene disposto uno strato formato da una miscela di
graffite in scaglie e una fritta (miscela ottenuta per fusione di sostanze
solubili e insolubili) vetrosa
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o Il riscaldamento avviene a causa del passaggio di corrente elettrica generato
da una differenza di potenziale di 4000V applicata agli elettrodi
o Il terreno ha una scarsissima conducibilità elettrica, quindi inizialmente la
corrente elettrica passa solo attraverso lo strato superficiale artificiale fino a
fonderlo
o Lo strato fuso trasmette calore al terreno sottostante fondendolo e
generando così un nuovo strato conduttivo: in tal modo la fusione del
terreno è data dall’avanzamento dall’alto verso il basso dello strato
conduttivo già fuso. In condizioni ottimali la velocità di avanzamento è di
circa 5 cm/h, corrispondenti a circa 3 t/h di terreno.
o Man mano che la fusione progredisce si ha la volatilizzazione e la pirolisi
delle sostanze volatili le quali vengono liberate verso l’alto in atmosfera: per
la loro raccolta e successivo trattamento viene disposta una cappa di
raccolta sopra l’area di fusione.
o Alla fine del processo il monolite vetroso ha una porosità praticamente nulla
e quindi occupa un volume minore con un conseguente abbassamento della
superficie (subsidenza) che deve essere colmata con materiale di
riempimento.
Questa tecnica permette la termodistruzione quasi totale dei composti organici
(>99%), mentre gli inquinanti inorganici non volatili vengono immobilizzati
all’interno della matrice vetrosa e quindi si ha comunque una decontaminazione.
E’ da notare che, come per tutte le tecniche in-situ, non comporta ne rimozione
ne pre trattamento del terreno.
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Desorbimento termico
Per trattamenti di desorbimento termico si intendono generalmente processi che
consentono di bonificare matrici solide (terreni, fanghi, sedimenti) contaminate da
sostanze vaporizzabili, generalmente di natura organica.
In particolare, nei processi di desorbimerito termico, si sottopone la matrice
contaminata a un riscaldamento (diretto o indiretto) così da provocare la
migrazione dell’inquinante verso la fase gassosa; quest’ultima deve essere
successivamente sottoposta a idonei trattamenti di decontaminazione.
Le temperature di trattamento impiegate sono molto variabili, ma generalmente
comprese tra 90 e 650 °C; in queste condizioni è possibile avere parziale
decomposizione (pirolisi/ossidazione) della sostanza organica desorbita.
Dalla temperatura di trattamento dipende anche la velocità del trattamento del
terreno. Nella figura sotto è riportato un diagramma che mette in luce questo
aspetto.
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Desorbimento termico ex-situ
Questo processo consta normalmente di tre fasi:
- pre-trattamento
- desorbimento
- post-trattamento
Pre-trattamento
A seconda del caso, possono risultare necessari i seguenti pre-trattamenti del
materiale di partenza:
- rimozione di detriti o riduzione della pezzatura mediante vagliatura e/o
triturazione delle particelle più grossolane (che potrebbero subire un
riscaldamento non uniforme), operate mediante vagli, frantoi e mulini;
- Separazione di eventuali parti metalliche mediante separatore magnetico;
- miscelazione (necessaria in caso di elevate concentrazioni dell’inquinante,
per problemi di sicurezza e di maneggiamento);
- neutralizzazione (solo in caso di pH eccessivamente alto o basso, per
ridurre i rischi di corrosione delle apparecchiature);
- disidratazione (qualora il contenuto di umidità della matrice da trattare sia
> 25%) .
Desorbimento
Una volta completato il pre-trattamento, attraverso nastri trasportatori e
tramogge di carico, si procede a introdurre la matrice contaminata nell’unità di
desorbimento.
Qui il materiale da trattare viene riscaldato, provocando l’evaporazione dell’acqua
interstiziale e dei contaminanti. Gli inquinanti organici vaporizzati vengono
allontanati per mezzo di un gas di trasporto che può essere aria, un gas di
combustione, un inerte (per es. azoto) o vapore.
Le unità di desorbimento possono essere classificate in diversi modi, la
distinzione principale è però quella della modalità di riscaldamento. Si
distinguono infatti:
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Riscaldamento indiretto:
Il terreno è generalmente posto a contatto con superfici metalliche riscaldate e il
trasferimento di calore avviene quindi per scambio termico (conduzione e
irraggiamento).
In questo caso, i gas in uscita dall’unità di desorbimento sono costituiti (oltre che
dal gas vettore) dal vapore acqueo e dagli inquinanti rilasciati, e sono richieste
dimensioni più contenute del sistema di depurazione rispetto ai sistemi a
riscaldamento diretto.
La capacità di questo tipo di unità varia tra 2 e 15 t/h e non ha limitazioni
relativamente al potere calorifico e al contenuto di umidità del materiale da
trattare.
Riscaldamento diretto:
La matrice contaminata viene riscaldata per contatto diretto con un vettore di
calore (per es. un combustibile ausiliario che viene bruciato all’interno del forno o
un flusso di aria calda).
Il volume di gas prodotto, composto dai contaminanti e dall’acqua desorbiti,
nonché dai prodotti di combustione del bruciatore, è elevato.
La sezione di trattamento degli effluenti gassosi risulta quindi più complessa
rispetto a un’unità a riscaldamento indiretto della stessa capacità.
Questo tipo di sistema è, però, tipicamente più efficiente dal punto di vista
energetico ed economico, poiché è in grado di trattare portate maggiori di terreno
(10-50 t/h) e ha costi operativi inferiori.
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Queste unità sono ideali per il trattamento di matrici con un potere calorifico di
900-2400 KJ/kg e con contenuto di umidità relativamente basso (< 25%).
Post-trattamento
In tutti i sistemi di desorbimento termico sono necessarie le fasi di posttrattamento
dei solidi trattati e dei gas effluenti.
- Solidi: abbattimento delle polveri e stoccaggio.
- Gas e particolato: Rimozione dei gas acidi (HCl e SO2) e abbattimento del
particolato (le tecniche utilizzate sono ben note).
Alcuni fattori che influenzano l’appilicabilità della tecnica:
o Proprietà dei contaminanti:
- E’ applicabile a tutti gli inquinanti organici VOC e SVOC
- E’ applicabile nel caso del Hg
o Proprietà del terreno:
- Matrici fortemente argillose tendono a formare aggregati che ostacolano il
trasferimento di calore
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Desorbimento termico in situ: estrazione con vapore
E’ una tecnica in situ conosciuta anche come “strippaggio con vapore”, “hot
air/steam stripping” (letteralmente estrazione con vapore ad alta temperatura).
Il processo consegue la rimozione di contaminanti volatili e semivolatili, presenti
sia al di sopra che al di sotto del livello di falda, tramite iniezione di vapore nel
terreno a temperature variabili tra 150°C e 230°C attraverso dei pozzetti
d’immissione posti lungo il perimetro dell’area contaminata.
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Il vapore iniettato, venuto a contatto col terreno, si condensa, mentre il terreno
medesimo viene progressivamente riscaldato fino a raggiungere la temperatura
del vapore; si forma allora il cosiddetto “fronte di vapore”, che, avanzando
orizzontalmente nel sottosuolo, volatilizza i contaminanti incontrati lungo il
percorso e li veicola verso un pozzo di estrazione installato all’interno della zona
inquinata.
La pressione d’iniezione non deve essere troppo elevata da causare la
fessurazione del terreno, con la conseguente creazione di corto-circuiti.
Il fronte di vapore viene captato da un pozzo di estrazione di acqua e vapore che
può quindi essere usato contemporaneamente anche per il trattamento “pump
and treat”.
La miscela di vapori ed inquinanti gassosi estratta, viene preliminarmente
raffreddata in un condensatore.
I vapori non condensabili vengono quindi trattati in filtri a carbone attivo, prima
di essere scaricati in atmosfera.
Il condensato liquido, assieme alle acque direttamente emunte, è invece inviato
ad una unità di separazione per estrarre i composti oleosi.
La soluzione acquosa rimanente è infine sottoposta a trattamenti ed
eventualmente riciclata in testa all’impianto.
Applicabilità
Lo strippaggio con vapore si applica a tutti i tipi di contaminanti vaporizzabili,
come idrocarburi aromatici e policiclici aromatici, oli minerali vari, ed idrocarburi
alogenati con punto di ebollizione compreso tra 100 e 250°C.
Per le sostanze citate sono fattibili efficienze di rimozione superiori al 99%.
I migliori risultati sono ottenibili con terreni uniformi e permeabili, quali quelli
sabbiosi.
In presenza di suoli argillosi, cioè a bassa permeabilità intrinseca all’aria,
l’efficienza di rimozione può essere notevolmente abbassata.
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