Filtri a carboni attivi per l’abbattimento di odori, COV e CIV

Nei depuratori a carboni attivi le molecole inquinanti vengono eliminate attraverso il principio dell’adsorbimento: fenomeno chimico-fisico che consiste nell’accumulo di una o più sostanze fluide sulla superficie di un condensato. In questa tecnologia le sostanze aerodisperse nell’effluente vengono infatti intrappolate all’interno della superficie solida adsorbente (i carboni attivi), riducendo sensibilmente le molecole inquinanti presenti nel flusso da trattare.
Le forze fisiche che rendono possibile questo fenomeno sono chiamate forze di Van-der-Waals. Tuttavia, in alcuni casi, queste ultime non sono sufficienti per garantire il legame tra gli inquinanti e i carboni attivi poiché alcune molecole sono troppo volatili per rimanere intrappolate nelle cavità. Per questo motivo, è necessario creare un legame chimico.
Nel prossimo paragrafo approfondiremo questo concetto, analizzando insieme i meccanismi di attivazione dei carboni attivi.

I carboni attivi sono materiali amorfi prodotti da materie prime ricche di carbonio come legno, torba e noci di cocco. Questi materiali sono caratterizzati da una struttura porosa e da un’elevata superficie specifica, elementi che permettono di intrappolare all’interno dei loro pori numerose molecole inquinanti. Per rendere i carboni idonei all’adsorbimento degli inquinanti, si utilizzano principalmente due metodi:

• attivazione fisica: avviene a temperature tra 400 e 600 °C in ambiente privo di ossigeno. Questo processo rimuove eventuali impurità e permette la creazione di “siti attivi” in cui vengono intrappolati gli inquinanti;
• attivazione chimica: si basa sull’azione deidratante di composti come acido fosforico e idrossido di potassio. Il trattamento superficiale permette la creazione di “siti chimicamente attivati” in cui vengono intrappolate anche quelle molecole che risultano troppo volatili per rimanere legate ai siti attivi. I carboni di questo tipo vengono definiti “impregnati”

Questi meccanismi di attivazione rendono i carboni attivi estremamente versatili ed efficaci nella rimozione di una vasta gamma di sostanze. Inquinanti organici con particolari gruppi attivati come -S- e -N- ed i loro relativi inquinanti inorganici, date le loro caratteristiche chimico fisiche, necessitano di carboni attivi impregnati. Solitamente ed in via generale si ha:

Quando si progetta un depuratore a carboni attivi è quindi fondamentale conoscere le caratteristiche delle molecole da rimuovere, in modo tale da poter scegliere i carboni più idonei e gli equipaggiamenti minimi da installare per minimizzare rischi intrinsechi alla tecnologia.
Tipico è infatti il fenomeno di formazione di “hot spot”: punti caldi nel letto dove, a causa di condizioni particolari legate principalmente alle classi di inquinanti presenti (chetoni, ma anche aldeidi e alcoli), si formano braci che possono portare all’incendio dell’intero media filtrante.
Conoscere tali caratteristiche e sapere come affrontarle è un fattore fondamentale per la scelta del partner ambientale.

L’accumulo di inquinanti sulla superficie dei carboni attivi porta alla loro saturazione, riducendone così il potere adsorbente. A seconda della natura e della tipologia delle molecole trattate, i carboni attivi possono infatti adsorbire determinate quantità di inquinanti prima di saturarsi. Ma come possiamo capire quando è necessario sostituire o rigenerare i carboni?
A tale scopo si utilizzano sistemi di tipo diretto o indiretto per la misurazione dell’efficienza dei carboni. I sistemi diretti misurano la concentrazione di COV all’emissione, indicando con precisione il momento in cui sostituire i carboni. Tuttavia l’investimento economico per questi sistemi risulta molto significativo, limitandone l’applicazione agli impianti di adsorbimento con rigenerazione interna. I sistemi indiretti, invece, misurano il peso iniziale dei carboni attivi e le variazioni nel tempo tramite celle di carico posizionate alla base dei depuratori. Adsorbendo gli inquinanti, i carboni attivi aumentano infatti il loro peso fino a raggiungere un valore che indica la saturazione. Questo dato viene impostato dal nostro personale esperto nel momento dell’installazione dell’impianto, valutando le caratteristiche degli inquinanti trattati. In presenza di mix di composti organici, risulta però importante affinare tale parametro tramite una serie di analisi ripetute, così da ottimizzare l’attività manutentiva.
Una volta constatata la saturazione dei carboni attivi, è necessario sostituirli con carboni vergini di nuova produzione oppure rigenerati. La principale differenza tra i due, oltre che economica, riguarda la capacità residua di adsorbimento che nei primi è totale, mentre nei secondi risulta diminuita a causa del percorso di rigenerazione.
Negli impianti di adsorbimento a rigenerazione interna la rigenerazione può avvenire tramite vapore o altri gas inerti e può comportare la perdita di una parte del carbone trattato, che dovrà comunque essere ripristinato.

Dopo aver approfondito il funzionamento del depuratore e i meccanismi di attivazione e rigenerazione dei carboni attivi, è giunto il momento di individuare i punti di forza e di debolezza di questa tecnologia.

L’efficacia del filtro a carboni attivi è dovuta a diversi fattori, quali:

• superficie di adsorbimento: maggiore è la superficie, maggiore è la possibilità di adsorbire gli inquinanti. Importante però non esagerare, soprattutto senza valutare la composizione e la tipologia chimica degli inquinanti da trattare;
• varietà della dimensione dei pori: le cavità presenti nei carboni attivi hanno diverse dimensioni. Questa caratteristica permette di adsorbire molecole di diverse dimensioni, dalle più piccole alle più grandi;
• capacità di adsorbimento: i depuratori a carboni attivi possono adsorbire diverse tipologie di inquinanti (odori, COV e alcuni CIV);
• versatilità: grazie alla loro vasta capacità di adsorbimento, possono essere utilizzati in diversi contesti industriali;
• controllo della saturazione: come abbiamo visto, i filtri a carboni attivi possono essere dotati di appositi sistemi per verificare il livello di saturazione dei carboni

I filtri a carboni attivi rappresentano un valido alleato per l’eliminazione di molti inquinanti dell’aria, ma presentano dei limiti quali:

• temperatura: il principio di funzionamento alla base della tecnologia è l’adsorbimento fisico tramite le forze di Van der Waals. Con l’aumento di temperatura l’agitazione molecolare, unita alla dilatazione termica, abbassano l’efficacia di queste forze riducendo di fatto la capacità di adsorbimento. Per temperature elevate si devono quindi considerare carboni attivi impregnati o con strutture particolari;
• umidità relativa: il vapore acqueo rappresenta uno dei più comuni problemi per le performance del filtro. Questo perché in presenza di vapore acqueo i pori vengono saturati, rendendo impossibile l’adsorbimento di altre specie chimiche;
• tipo di inquinante: le caratteristiche chimico-fisiche degli inquinanti influenzano fortemente l’efficacia e l’efficienza di funzionamento dell’impianto. Per questo motivo è fondamentale conoscere e prendere in considerazione dimensioni, polarità, peso specifico e dimensioni delle molecole da rimuovere;
• concentrazione degli inquinanti: questo parametro risulta fondamentale per valutare la sostenibilità dell’investimento, specialmente per i filtri non impregnati;
• materiale: la scelta del materiale adsorbente deve essere effettuata tenendo in considerazione le caratteristiche dell’inquinante e del sistema produttivo. In generale, un media filtrante con mesopori rappresenta la via di mezzo che garantisce una buona superficie interna e riduce il rischio di saturazione da vapore acqueo che si verifica solitamente in presenza di pori molto piccoli;
• impregnante: per i filtri con carboni impregnati la capacità adsorbente è in funzione della superficie totale dell’impregnante a contatto con il fluido. La tipologia dell’impregnante ne determina invece la selettività.

Per concludere questo articolo possiamo quindi affermare che la filtrazione a carboni attivi rappresenta una valida soluzione per il trattamento degli inquinanti atmosferici. Tuttavia, per garantire la massima efficienza, è fondamentale conoscere le caratteristiche delle molecole da trattare. Per questo motivo, gli impianti di abbattimento devono essere progettati e realizzati da professionisti in grado di scegliere i carboni attivi più adatti in base agli specifici inquinanti.
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