Plasma Oxidation Archivi - Hoene


27 Dicembre 2019

Impara le basi del plasma, il quarto stato della materia

Lo Stato Solido– Quando il ghiaccio è sufficientemente riscaldato, si scioglie per formare acqua. Ha quindi subito un cambio di stato – da solido a liquido. Ricordiamo che in un solido, tutte le particelle sono strettamente imballate in una posizione fissa, e quindi hanno una forma e un volume fissi.

Lo Stato Liquido – Le particelle in un liquido si toccano ancora e sono in grado di muoversi l’una intorno all’altra, quindi un liquido ha ancora un volume fisso ma prende la forma del loro contenitore.

Lo Stato Gassoso – L’acqua evapora da un liquido a un gas. Le particelle in un gas sono più distanti l’una dall’altra e prendono la forma e il volume del loro contenitore.

Il Plasma – Per alcune sostanze, se continuiamo ad applicare calore alla loro forma gassosa, potrebbe verificarsi un altro cambio di stato. Queste sostanze possono passare da un gas a uno stato della materia chiamato plasma. Perché si verifichi questo cambiamento di stato, è necessario applicare un calore molto forte. Quando il calore è sufficientemente forte, gli elettroni vengono rimossi dai rispettivi atomi, creando elettroni liberi e ioni positivi. Sebbene ci siano particelle sia negative che positive, nel complesso il plasma è neutro in quanto vi sono quantità uguali di particelle caricate in modo opposto. Poiché ci sono elettroni liberi, le sostanze in forma di plasma possono condurre elettricità. Questo è ciò che separa un gas dal plasma: i gas non possono condurre l’elettricità, ma il plasma può farlo. Il plasma presente in natura include fulmini e aurora boreale. Le stelle esistono anche in forma di plasma – in realtà le stelle sono solo sfere di plasma davvero calde. Il plasma può essere trovato in lampadine fluorescenti e insegne al neon. Quando una corrente elettrica viene fatta passare attraverso il vapore di mercurio nelle lampadine fluorescenti e alcuni gas nobili nelle insegne al neon, riscalda sufficientemente i gas da spogliare gli elettroni e creare plasma. La tecnologia in realtà va anche oltre le lampadine e le insegne al neon. I televisori al plasma sono resi possibili da questo stato di cose. Uno schermo al plasma è composto da molte migliaia di piccoli punti chiamati pixel, che sono costituiti da tre elettrodi a luce fluorescente, che emettono i colori rosso, verde e blu. La combinazione di questi colori può dare qualsiasi colore possibile, motivo per cui possiamo vedere tutti i colori su questi schermi. Più alto è il numero di pixel, più alta è la definizione e le immagini appariranno “più nitide” e più dettagliate.

Il plasma ha per noi un interesse relativamente al trattamento ed alla depurazione delle acque e nei prossimi articoli proporremo spunti di discussione in tal senso

 

Nell’ambito della depurazione di acque, pensiamo sia di fondamentale importanza sviluppare applicazioni che soddisfino le richieste della comunità e delle’industria per avere sempre più tecnologie che non producano sottoprodotti , di facile gestione e, perché no, economicamente sostenibili.

Perchè il Plasma?

  • Elevato potere ossidante ed efficienza;
  • Facile l’applicazione mediante moduli che si adattano a situazioni esistenti;
  • Gestione semplice senza dosaggio di chemicals;
  • Costo contenuto;
  • etc..

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20 Dicembre 2019

Impianti  Plasma per scarichi di cantine e aziende vinicole

Il trattamento e la depurazione delle acque di scarico provenienti dalla attività di vinificazione a partire dagli scarichi di cantine ed aziende vinicole è da sempre una processo di depurazione insidioso poiché legato alla stagionalità delle lavorazioni ma anche alle caratteristiche tipiche delle acque reflue con presenza di composti poco affini alla bio-degradazione (fenoli,tannini acido tartarico etc.) e, non di rado, di prodotti chimici utilizzati in cantina per la gestione di varie attività  (lavaggi delle macchine  e dei pavimenti con ipoclorito di sodio ad esempio) che non sono compatibili con lo sviluppo di batteri utilizzati nei processi di depurazione biologica.

In questo articolo. descriviamo l’approccio ad un progetto per il trattamento  di 30 m3/giorno di acque di cantina destinate allo scarico in fognatura, mettendo a confronto la soluzione proposta da Hoene con moduli di ossidazione  Plasma Non Termico con la tradizionale tecnica biologica di ossidazione a fanghi attivi.

DEPURAZIONE ACQUE DI CANTINA: PLASMA VS BIOLOGICO

Le caratteristiche delle acque di cantina da trattare sono tipiche e hanno i seguenti valori

  • COD: 6300 mg/lt
  • BOD5: 3000 mg/lt
  • Colore Rosso Mattone
  • Odore: Di Vinacciaacque di cantina da depurare

Bio-Depurazione: Il ciclo di depurazione generalmente utilizzato nel caso di reflui da attività vinicola, data la loro caratteristica prevalentemente organica, prevede trattamenti di tipo biologico, dove vengono “accelerati” processi naturali di abbattimento delle sostanze inquinanti tramite l’uso di batteri aerobici quindi necessitanti di ossigeno per vivere.

Spesso questi sistemi biologici riscontrano notevoli difficoltà nel trattare alti carichi di sostanza organica (COD) ed, essendo basati sull’attività di microorganismi viventi, risentono drasticamente della presenza di sostanze quali ipoclorito e biossido di cloro, perossido di idrogeno, soda caustica, tipicamente usati nelle attività vinicole; tali sostanze creano una moria della flora batterica dell’impianto causandone il malfunzionamento e richiedendo settimane per il ritorno alle condizioni di normalità.

Il sistema biologico, inoltre, è molto sensibile alle variazioni dei carichi organici in ingresso e necessita ad ogni cambio di campagna di tempi di attivazione che possono essere anche molto lunghi prima di ristabilire il corretto funzionamento.

Lo schema di processo per una unità biologica tipica può essere sintetizzato nel seguente modo

Stadio Descrizione note
Primario Grigliatura, filtrazione delle parti grossolane ed omogeneizzazione Filtro  e griglia: rimozione foglie, raspi, bucce etc..
Secondario Primo stadio biologico Ossidazione preliminare su filtro percolatore per rompere molecole refrattarie.
Terziario Secondo stadio biologico a fanghi attivi con flocculazione/sedimentazione e filtrazione finale Ossidazione con produzione di fanghi e gestione biologica del carico incostante

Plasma Non Termico (NTP): la depurazione di acque di cantina mediante Plasma NTP si basa su un ciclo di processo molto semplice che prevede solamente due passaggi

  • Pre-filtrazione a 50 micron mediante filtro rotativo a disco
  • Ossidazione Plasma NTP in tank (anche esistente) che assicuri 1 -2 h di contatto

La depurazione mediante Plasma Non Termico (NTP) si basa sulla azione di una scarica elettrica in acqua ad alto potenziale che è in grado di formare diverse specie di ossigeno reattivo (vedi figura sottostante) che reagiscono velocemente trasformando carbone organico (COD) in carbonio inorganico ovvero CO2 senza quindi alcuna produzione di fanghi da separare, trattare e smaltire.

Grazie all’altissimo potenziale di ossidazione (fino a 2,7 meV), questi radicali sono in grado di degradare senza complicazioni anche composti notoriamente  ‘refrattari’ alla biodegradazione (tannini e polifenoli).

plasma Oxidation

La conduzione del processo di depurazione di acque di cantina con Plasma, a differenza dei sistemi biologici, è molto semplificata poiché consiste nel solo “dosaggio” di energia elettrica in funzione del carico inquinante da depurare. Uno o più moduli Plasma NTP vengono immersi in vasche (anche esistenti) e insufflano aria ionizzata (plasma) che depura l’acqua senza necessità di dosaggi di chemicals. La potenza elettrica utilizzata è regolata in funzione del tempo di contatto prescelto e del carico organico da depurare e può quindi essere ridimensionata o addirittura interrotta qualora non vi siano acque reflue da trattare (funzionamento ON/OFF) come può capitare in alcuni periodi dell’anno.

 

Acque di cantina dopo Plasma Unità Plasma per testare depurazione acque reflue

CASO STUDIATO: DEPURAZIONE  ACQUE DI CANTINA

30 m3/giorno

BIOLOGICO VS PLASMA

Al fine di visualizzare meglio le differenze tra le due tecnologie sopra descritte, proponiamo una tabella riassuntiva dove vengono posti i dati caratteristici principali della gestione dell’applicazione mediante ossidazione con plasma non termico proposta da Hoene e ossidazione biologica a fanghi attivi.

Biologico Plasma NTP
Vasche di processo 300 m3 3 m3
Consumo Energetico 16 Kw 16 Kw (4 moduli da 4 KW)
Gestione On/Off NO SI
Produzione Fanghi SI NO
Facilità gestione * *****
Dosaggio Chemicals SI NO
Utilizzo vasche esistenti NO SI

 

COSTI DI GESTIONE E DI INSTALLAZIONE

Il costo di gestione di un impianto di depurazione per acque di cantina mediante Plasma è per la maggior parte imputabile al consumo energetico ed è in linea con il consumo energetico di un impianto biologico che deve alimentare soffianti per ossigenare le vasche a fanghi attivi.

In realtà le attività di manutenzione e di gestione nel caso del trattamento con Plasma sono sensibilmente semplificate poiché trattasi di un sistema completamente automatico la cui unica manutenzione è il cambio semestrale degli elettrodi (15 minuti per modulo- costo 600€ circa)

 


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20 Dicembre 2019

Depurazione acque reflue con Acetaldeide mediante Plasma Non Termico

Viene presentata una esperienza, condotta a livello pilota, finalizzata allo studio di un nuovo ciclo di trattamento di acque reflue altamente inquinate per aldeide acetica ed altri composti organici (es. diossano) attraverso Plasma Non termico (NTP).

ciclo trattamento CH3CHOIn questo articolo descriviamo l’approccio ad un progetto per il trattamento  di 50 m3/giorno di acque reflue provenienti da processi di sintesi polimerica per l’industria del packaging dove, allo stato attuale, le acque reflue più inquinate vengono trattate mediante strippaggio e combustione degli organici separati. Le acque di risulta, assieme ad atri stream di stabilimento, vengono poi convogliate ad un Bio-Filtro per il raggiungimento dei limiti di scarico in fognatura.

Hoene ha svolto una serie di test con Plasma Non Termico per valutare una possibile dismissione del sistema di abbattimento termico assai oneroso in termini di consumo energetico con una unità di ossidazione Plasma NTP in grado di mineralizzare il carbonio organico nello stream e produrre un ‘acqua di risulta con un rapporto BOD/COD favorevole per il trattamento biologico presente.

DEPURAZIONE ACQUE CON ACETALDEIDE: PLASMA VS STRIPPAGGIO – COMBUSTIONE

La depurazione mediante ossidazione biologica delle acque di risulta in uscita dalla colonna è, in questo caso, fortemente limitata dalla scarsa affinità alla bio degradazione di molecole quali acetaldeide e diossano, che ne impediscono un trattamento diretto con il Bio-filtro esistente. In uscita dalla colonna di strippaggio, le acque contengono ancora un certo carico organico e anche se il rapporto BOD/COD non è favorevole, vengono inviate, assieme ad altri stream diluiti, alla depurazione biologica.

Le caratteristiche delle acque reflue da trattare sono le seguenti nel processo attuale di strippaggio (Q: 3000 lt/h):

In Colonna Out Colonna
COD 35.000 mg/lt 1.600 mg/lt
BOD 5.850 mg/lt 150 mg/lt
Aldeidi 1.000 mg/lt 20 mg/lt

Plasma Non Termico (NTP): Hoene ha condotto test pilota con modulo plasma NTP delle acque che  attualmente sono trattate per via termica ed ha ottenuto risultati al quanto promettenti sia in termini di efficienza nella rimozione di organici ma anche per quel che concerne il consumo energetico.

I risultati analitici ottenuti a seguito dei test eseguiti confermano l’ipotesi scientifica ovvero che i principali prodotti della degradazione possano essere CO, CO2 e CH3OH (come confermato dall’incremento sensibile della componente di BOD ).

La depurazione mediante Plasma Non Termico (NTP) si basa sulla azione di una scarica elettrica  ad alto potenziale in grado di formare diverse specie di ossigeno reattivo (vedi figura sottostante) che degradano velocemente il carbonio organico (COD) in carbonio inorganico ovvero CO2 e CO oltre a CH3OH . In realtà la concentrazione di metanolo, sottoprodotto dell’ossidazione plasma, non rappresenta un problema poichè favorisce il trattamento biologico a valle della ossidazione avanzata con Plasma.

Plasma per depurare acque reflue
Plasma per depurare acque reflue

La conduzione del processo di depurazione di acque reflue mediante plasma NTP, a differenza dei sistemi biologici, è molto semplificata poiché consiste nel solo “dosaggio” di energia elettrica in funzione del carico inquinante da depurare. Uno o più moduli Plasma NTP vengono immersi in vasche (anche esistenti) e insufflano aria ionizzata (plasma) che depura l’acqua senza necessità di dosaggi di chemicals e senza alcun incremento della temperatura.

Modulo Plasma ossidazione Mobile per test di depurazione acque reflue
Unità Plasma per testare depurazione acque reflue

CASO STUDIATO: DEPURAZIONE  ACQUE CONTENENTI ACETALDEIDE

3 m3/h

Strippaggio/combustione VS Plasma NTP

Il test è stato condotto con batch da 10 lt con un modulo pilota NTP  da 200 W. L’obiettivo, come anticipato, era quello di verificare la possibilità di dismettere un sistema di trattamento termico con combustione di organici e relativo punto di emissione con una stazione di ossidazione avanzata Plasma NTP che potesse degradare il carbonio in parte come CO2 e CO ed in parte come metanolo per la  digestione biologica a valle.

 

Tabella. Risultati Plasma OX

Alimento Plasma Rimozione %
COD 35.000 mg/l 4.050 mg/l 88
BOD 5.850 mg/l 2.020 mg/l 40
Aldeidi 1.000 mg/l 50 mg/l 95
 Combustione Plasma
BOD/COD 0,1 0,5
Consumi Energetici > 200 KW 40 KW

 


 

Ossidazione con plasma

 

COSTI DI GESTIONE E DI INSTALLAZIONE

Come si evince dai risultati analitici, le acque in uscita dallo stadio di ossidazione con Plasma, presentano un rapporto BOD/COD favorevole ad un successivo stadio di trattamento biologico. Il Plasma ha degradato le molecole refrattarie (oltre alla aldeide acetica anche Diossano) trasformando il carbonio in parte in fase gassosa come CO2 e CO ed in parte in alcool metilico che è, come noto, un ottimo nutriente per  impianti biologici.

Per quanto riguarda i costi di gestione, ci si riferisce principalmente al consumo energetico dei moduli Plasma (in questo caso 40 KW installati) mentre un vantaggio indiscutibile è rappresentato dalla estrema semplicità di installazione dei moduli stessi (plug & play) che, al di là del costo  moderato, non richiedono particolari lavori strutturali.

Plasma modulo per depurazione acque

Vantaggi Plasma

  • Consumo energetico moderato
  • Semplicità di installazione e gestione
  • manutenzione minima

In realtà le attività di manutenzione e di gestione nel caso del trattamento con Plasma sono sensibilmente semplificate poiché trattasi di un sistema completamente automatico la cui unica manutenzione è il cambio semestrale degli elettrodi (15 minuti per modulo- costo 600€ circa)

 

 


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22 Novembre 2019
Rimozione di cloroformio e di Composti Organici Refrattari Mediante Plasma Non Termico ovvero in Corrente di Aria Ionizzata senza Dosaggio di Chemicals e senza Sottoprodotti da Smaltire.

INTRODUZIONE

La chimica del plasma è un campo in rapida crescita ed Hoene è impegnata nello sviluppo del grande potenziale di questa tecnica di ossidazione in modo tale da mettere a punto nuove soluzioni efficaci ed allo stesso tempo sostenibili economicamente. Nella fattispecie abbiamo testato la capacità di un modulo NTP (Plasma Non Termico) per promuovere l‘ossidazione di tracce di cloroformio (CHCl3) in acqua di falda e verificare da un lato l’efficienza del processo di rimozione e dall’altro lato la fattibilità economica dell’adozione di questa tecnica di bonifica di acque sotterranee rispetto a  tecniche tradizionali quali, ad esempio,l’utilizzo di carboni attivi ed Ozono (O3).

INQUINANTI ORGANICI DELL’ACQUA SOTTERRANEA

Tra i contaminanti più diffusi e pericolosi presenti nelle acque sotterranee dobbiamo sicuramente ricordare

  • Solventi clorurati, in particolare tricloroetilene (HClC = CCl2), percloroetilene (Cl2C = CCl2), cloroformio (CHCl3);
  • Idrocarburi aromatici provenienti da attività petrolifere (BTX: benzene, toluene,xileni) ed altri prodotti petroliferi;
  • Etere di metil-terbutile (MTBE) sempre da industria oil & gas.

TECNOLOGIE TRADIZIONALI PER LA RIMOZIONE DI CONTAMINANTI ORGANICI DA ACQUA

Esistono numerose tecniche per la rimozione di inquinanti organici da acque reflue a seconda della tipologia e concentrazione dell’inquinante.

In questo lavoro ci soffermiamo sulla comparazione di tecniche diffuse come l adsorbimento su carboni attivi e l’ossidazione mediante ozono con la promettente tecnica di depurazione mediante plasma non termico messa a punto da Hoene.
Adsorbimento su carbone attivo (GAC): il contaminante in soluzione viene adsorbito  tramite pompaggio di acqua in pressione nella colonna contenente il materiale adsorbente. La rigenerazione del carbone consiste in una estrazione e/o ossidazione degli inquinanti e rappresenta anch’essa una fase onerosa per il processo.Con questa operazione l’adsorbente viene rigenerato solo in parte) e dopo alcuni cicli dovrà essere sostituito.L’efficienza del processo di adsorbimento dipende da vari fattori tra cui la qualità del carbone,  concentrazione, polarità e peso molecolare di l’inquinante oltre che dalla temperatura.

Ossidazione con Ozono (O3): consiste nella produzione di ozono a partire da un flusso di ossigeno puro mediante scariche elettriche ad alto voltaggio e media frequenza.può essere utilizzato da solo o in combinazione con catalizzatori, UV ed acqua ossigenata in modo da favorire la produzione di radicali ossidrilici altamente ossidanti.

Plasma Ox

PLASMA NON TERMICO PER LA RIMOZIONE DI COMPOSTI ORGANICI REFRATTARI

il Plasma è uno stato della materia costituito da particelle ionizzate e viene prodotto attraverso opportune scariche elettriche all’interno di un campo elettrico dove gli elettroni prodotti eccitano le particelle costituenti il flusso gassoso alimentato (aria, argon e altro gas).

plasma Oxidation

Il modulo NTP di Hoene lavora in immersione attraverso scariche elettriche a pressione atmosferica e temperatura ambiente, e produce un ambiente ossidante con specie altamente reattive comprendenti elettroni, molecole eccitate, specie atomiche e radicali (O, OH), ioni (O2 + •, N2 + •, NO +, O– •, O2– •, O3– •), O3 e NO.

Il processo non prevede l’utilizzo di alcun reagente e l’unica materia prima è energia elettrica (in questo caso un modulo a turbina immersa della potenza di 1 KW).

RIMOZIONE DI CLOROFORMIO- CHCl3

In un batch di 1000 lt, a partire da una concentrazione iniziale di 0,44 ug/lt già dopo 20 minuti il cloroformio residuo viene ridotto al di sotto di 0,004 ug/lt senza formazione di sottoprodotti organici ovvero completa  mineralizzazione dell’inquinante.

COMPARAZIONE PLASMA NTP vs GAC vs O3

Al di là della efficienza, ottima, del processo di rimozione mediante Plasma NTP di cloroformio è altrettanto importante visualizzare il costo energetico associato al processo rispetto a tecniche concorrenti

 

Ox CHCl3 Unità Plasma Ozono Carbone
Energia KWh/m3 0,15 - 0,25 0,3 - 0,5 0,4 - 0,7
Costo 100m3/day Euro/m3 0,02 - 0,3 0,25 - 0,28 0,32 - 0,36
Costo 1000m3/day Euro/m3 0,015 - 0,2 0,07 - 0,085 0,06 - 0,32
*** ** *
[1] Abeggelen, C.; Spurenstoffe eliminieren: Kläranlagentechnik; Eawag News, 67d (2009) 25-27

 [2] Metzger, S.; Tjoeng, I.; Rößler, A.; Schwentner, G.; Rölle, R.; Kosten der Pulveraktivkohleanwendung

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23 Agosto 2019

L’applicazione di forti campi elettrici in acqua è stata studiata per diversi anni, a causa della sua importanza nei processi di trasmissione elettrica e delle sue applicazioni pratiche in biologia, chimica ed elettrochimica. Hoene Ambiente con i suoi Soci, ha messo a punto reattori a scarica elettrica in fase liquida per molte applicazioni ambientali, tra cui il trattamento dell’acqua potabile e delle acque reflue. Il sistema, grazie all’applicazione di scariche elettriche ad alta tensione, promuovere reazioni chimiche in fase acquosa in grado di ossidare con grande efficienza composti organici ed azotati.



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