Wet Electrostatic Scrubbing - una nuova tecnologia per il controllo delle emissioni atmosferiche

Alla luce dei recenti studi tossicologici ed epidemiologici, l'Organizzazione Mondiale della Sanità, OMS [2 nel PDF], ha recentemente riconsiderato la pericolosità del particolato fine e i suoi effetti sulla salute umana, raggiungendo due importanti conclusioni.

La prima è la riconsiderazione dei valori limite di PM2.5 raccomandati per tutelare la salute umana, che sono stati ridotti del 50% nella media annua e del 40% in quella oraria rispetto ai precedenti.

La seconda è la necessità di estendere la valutazione della qualità dell'aria ad altre specifiche frazioni del particolato - il black carbon e l'elemental carbon (BC/EC), le particelle ultrafini (UFP) e le polveri desertiche - per cui si ritiene ancora necessario un consolidamento delle attività di monitoraggio e la raccolta di dati sufficienti a stabilire specifici valori limite di qualità dell'aria.

Alla luce delle indicazioni dell'OMS ed in considerazione dei livelli di qualità dell'aria nei propri territori, circa un anno fa la Commissione Europea ha emanato una revisione dell'Ambient Air Quality Directive - la Direttiva Aria (EC/2024/2881) in cui si riducono i valori limite della qualità dell'aria per il PM2.5 e si impone il monitoraggio ambientale degli inquinanti emergenti e del potenziale ossidativo del particolato in vista dell'introduzione di specifiche norme in materia e dei relativi nuovi standard metrologici per la loro implementazione. Il nuovo approccio normativo europeo riflette la necessità di una politica ambientale più mirata, in grado di affrontare la complessità tossicologica del particolato e garantire una migliore qualità dell'aria, soprattutto nelle aree urbane ad alta densità di popolazione.

La letteratura scientifica concorda nell'attribuire principalmente le emissioni atmosferiche di UFP e di BC/EC alle attività antropiche.

Per avvicinare la qualità dell'aria agli standard indicati dall'OMS, è ragionevole ipotizzare la necessità di introdurre norme specifiche anche per le emissioni industriali e i sistemi di riscaldamento domestico.

Nell'ottica di un adeguamento al percorso delle norme sulla qualità dell'aria, le nuove norme sulle emissioni dovrebbero intervenire sia nella direzione di una riduzione complessiva delle emissioni, che nell'introduzione di nuove metriche di riferimento, necessarie per quantificare le emissioni e le efficienze di trattamento rispetto ai nuovi parametri emergenti: UFP, BC/EC e potenziale ossidativo.

Le piccole dimensioni delle UFP (<100 nm) e del BC/EC (in buona parte <500 nm), e la necessità di tenere conto del potenziale ossidativo del particolato, in larga misura legato alle frazioni più fini, evidenziano la necessità di riconsiderare la progettazione degli impianti di depolverazione industriali.

Infatti, in molti casi le UFP e il BC/EC costituiscono una frazione minoritaria della massa del PM2.5 e, di conseguenza, metriche di controllo e criteri di dimensionamento basati su fattori di emissione ponderali possono risultare insufficienti per determinare l'effettiva concentrazione di UFP e BC/EC nei gas depurati.

In tal senso è interessante l'esperienza delle norme già in vigore per il controllo delle emissioni di particolato allo scarico dei motori (ad esempio, le Direttive 2024/1257/ EC e 2016/1628/EC), che suggeriscono metriche di controllo basate sull'impiego contemporaneo di misure di concentrazione numerica e ponderale degli aerosol, così da descrivere tutte le frazioni che compongono il PM2.5.

In generale, la depolverazione di una corrente gassosa prevede di separare gli aerosol depositandoli sulla superficie solida o liquida di un collettore ed evitandone il successivo ritrascinamento nel gas.

Nei convenzionali sistemi di cattura idrodinamica del particolato, il gas contaminato attraversa una camera di contatto in cui il collettore è rappresentato dalle pareti della camera o da una serie di elementi distribuiti nello spazio, come le fibre di un filtro o le gocce utilizzate nei sistemi di trattamento ad umido come le torri di lavaggio o i Venturi scrubbers.

L'efficacia del processo di cattura dipende dalla probabilità che gli aerosol vengano a contatto con la superficie dei collettori durante la loro permanenza nella camera di contatto. Tale probabilità cresce al crescere del tempo di permanenza e dell'area superficiale di collettori per unità di volume della camera di contatto.

Da un punto di vista idrodinamico, gli aerosol si depositano sulla superficie del collettore attraverso due meccanismi: la deposizione inerziale e la diffusione Browniana.

I primi prevedono che, a causa della loro massa e del loro ingombro, gli aerosol non seguano le linee di flusso del gas in prossimità di un collettore, impattando contro la sua superficie. Questo fenomeno favorisce la deposizione di aerosol con inerzia superiore. Il meccanismo Browniano, invece, riguarda aerosol nanometrici, le cui piccole dimensioni comportano che il loro moto risenta degli impatti con le singole molecole di gas, divenendo sensibile alla presenza dei piccoli gradienti locali di velocità, densità e temperatura del gas che avvengono in prossimità del collettore.

A causa di questi gradienti, l'aerosol può migrare verso la superficie del collettore nonostante la forza di attrito esercitata dal moto del gas. Indipendentemente dal meccanismo di interazione, a seconda della velocità, dell'angolo di impatto e delle proprietà fisiche della superficie e delle particelle, una frazione degli aerosol si deposita stabilmente sul collettore, separandosi dalla corrente gassosa. I metodi di cattura puramente idrodinamici sono alla base delle tecnologie dei filtri a tessuto e degli scrubber Venturi.

Purtroppo, entrambi i meccanismi inerziale e Browniano risultano sfavoriti in un range di diametri aerodinamici tipicamente compresi tra 100 e 1000 nm, chiamato Greenfield Gap, in cui l'aerosol non è né abbastanza grande per avere inerzia sufficiente, né abbastanza piccolo per avere un significativo moto Browniano, e il loro ritrascinamento dalla superficie al gas è più probabile.

Per compensare queste condizioni svantaggiose, è necessario aumentare significativamente la probabilità di impatto tra l'aerosol e il collettore, aumentando il tempo di contatto e la superficie dei collettori, ovvero, ad esempio, aumentando la densità delle
fibre nei filtri o la frazione di volume delle gocce.
Ciò comporta un aumento delle perdite di carico del gas.

Per incrementare l'efficienza di cattura di aerosol nel Greenfield Gap, spesso si utilizzano campi elettromagnetici per aggiungere cariche elettriche superficiali agli aerosol e/o al collettore e favorire la loro interazione mediante forze elettriche di entità superiore a quelle idrodinamiche.

Ad esempio, nel caso dei filtri, è comune il trattamento superficiale delle fibre per indurre una carica elettrica sulla loro superficie. Questo metodo è impiegato con grande successo, ad esempio, per la produzione dei materiali filtranti impiegati nelle maschere facciali utilizzate come dispositivi di protezione individuale.

I campi elettrici ricoprono un ruolo cruciale nel caso dei precipitatori elettrostatici.

In queste unità, il gas contaminato viene ionizzato grazie ad elevati campi elettrici locali, gli aerosol assumono una carica elettrica e migrano verso la superficie di collettori (piastre o tubi) messi a terra, sotto l'effetto dello stesso campo elettrico utilizzato per la ionizzazione del gas o semplicemente a causa della forza di attrazione tra gli aerosol e la superficie.

L'adesione tra aerosol e superficie è fortemente influenzata dalla resistività degli aerosol, che determina la loro capacità di trattenere la carica elettrica acquisita, una volta venuti a contatto con la superficie del collettore.

Per superare i limiti posti da questa condizione, i precipitatori elettrostatici ad umido impiegano film di liquido per bagnare la superficie dei collettori. L'efficacia dei processi di precipitazione elettrostatica è fortemente correlata alla possibilità di depositare cariche elettriche sulla superficie degli aerosol in quantità tale da permettere un'adeguata migrazione delle stesse dal gas alla superficie del collettore.

Nei sistemi industriali le maggiori efficienze di caricamento si ottengono tipicamente per aerosol di diametro aerodinamico superiore a 300-400 nm.

I precipitatori elettrostatici consentono elevate efficienze e basse perdite di carico, ma ad oggi, le tecniche di filtrazione a tessuto sono considerate le più efficaci quando sono necessarie elevate efficienze di rimozione ed è possibile sostenere adeguate perdite di carico.

È però preferibile operare su gas non corrosivi, lontani dal punto di rugiada e su aerosol solidi, non adesivi, non igroscopici e senza rischi di esplosione.

Nell'attuale scenario di evoluzione delle normative sulla qualità dell'aria e sulle emissioni industriali, si impone la necessità di sviluppare tecnologie di depolverazione alternative, in grado di garantire superiori efficienze di rimozione di particolato e di operare anche nelle nicchie di mercato in cui i filtri a tessuto non siano applicabili.

Inoltre, è sempre più desiderabile disporre di impianti compatti, in grado di trattare simultaneamente anche altri inquinanti come SOx e NOx, specie nei progetti di revamping.

In questo contesto, si osserva un rinnovato interesse verso i trattamenti ad umido, specialmente a causa della loro intrinseca
capacità di trattare simultaneamente inquinanti gassosi (mediante assorbimento) e particolato (mediante processi di cattura nel liquido).

Le innovazioni tecniche nel campo del trattamento delle acque di lavaggio e le nuove capacità di progettazione dei processi a umido rendono questi processi estremamente interessanti per lo sviluppo di nuove tecnologie di trattamento fumi.

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