Adsorbimento

Adsorbimento

Questo rappresenta un trattamento terziario, lo andiamo ad utilizzare per eliminare tutto quello che rimane a valle degli altri trattamenti. Quello che rimane sono per lo più sostanze tossiche, organiche o inorganiche, che possono provocare ulteriori problemi allo scarico. Ad esempio, sono composti volatili che anche a bassissime concentrazioni sono molto odorosi oppure possono essere metalli che possono risultare tossici.

Ogni volta che ho, in un’acqua uscente da un’unità di trattamento biologico, concentrazioni, anche se piccole, di materiali indesiderati al punto da non poter fare lo scarico diretto, devo necessariamente prevedere un’unità dedicata all’adsorbimento. Tolto tutto quello che rimane in tracce.

Processi di adsorbimento

• Chimico: si realizza quando abbiamo una reazione chimica superficiale, cioè normalmente si forma uno strato monomolecolare di adsorbito che si va a posizionare sui siti attivi, cioè, sulla superficie del materiale adsorbente. In questo caso, noi andiamo ad adsorbire un componente che si trova in fase liquida su di un materiale solido. Solitamente questo materiale solido è il carbone attivo.
• Fisico: dovuto alla condensazione delle molecole nei capillari del solido adsorbente.

In entrambi i casi si tratta di avere dei siti attivi dove possono avvenire o legami chimici veri e propri, oppure, più semplicemente, questi siti attivi sono dei pori capillari con dimensioni tali da poter ospitare le varie particelle.

Carbone attivo

La massa adsorbente più utilizzata è il carbone attivo che può essere utilizzato sotto due forme:

• PAC: Cioè il carbone attivo in polvere. In questo caso avrò una pezzatura più fine e questo mi permetterà di avere un’altissima superficie specifica, decisamente positivo per il trattamento, ma di contro avrò che sarà difficile maneggiare le polveri.
• GAC: Cioè carbone attivo in forma granulare.

Quando si parla di adsorbimento nel campo del trattamento delle acque, il materiale adsorbente è il carbonio attivo in quanto è l’elemento più presente sul mercato ed esiste, soprattutto, una letteratura che permette la produzione di carbone attivo partendo da materiali di natura molto diversa.

Il carbone attivo si produce, infatti, per pirolisi, cioè quella reazione che avviene ad alte temperature, in assenza di ossigeno, che permette di decomporre il materiale organico. La decomposizione consiste nell’andare a rompere dei materiali e liberare, così, la componente volatile. Quindi i componenti volatili vanno via e rimane sostanzialmente di carbone. Questo fenomeno prende il nome di carbonatazione partendo da una qualsiasi forma organica (residui della distillazione del petrolio oppure da biomasse o ancora da fanghi).

Il processo di sintesi del carbone attivo è un processo che sicuramente prevederà una pirolisi ma questa sarà accompagnata da diverse operazioni in base al tipo di materiale di partenza scelto. Il procedimento diverso è dovuto anche al fatto che la percentuale di carbonio presente è diversa in base alla tipologia di materia prima, avrò quindi anche differenze di qualità, tipologia, superficie specifica e dimensione dei pori del carbonio attivo che dipenderanno fortemente dal tipo di materia prima che decideremo di utilizzare. Posso produrre materiale adsorbente da qualsiasi materiale (anche dalle bucce di banana).

Processi di attivazione

Per incrementare l’efficienza spesso vengono messi a punto processi di attivazione: operazione che prevede un'ulteriore disidratazione, così che il prodotto finale contenga un quantitativo di acqua ancora più basso, ma che nel complesso consiste nella rimozione selettiva di parte del carbonio al fine di aprire i pori. Lo scopo è che questo carbonio abbia una superficie specifica maggiore e questo è reso possibile dal fatto che questo processo vada ad aprire i pori chiusi. L’attivazione comporta che il carbone attivo presenti un’alta superficie specifica. Avere un’elevata superficie specifica significa aumentare l’attività del carbone stesso.

Come si fa l’attivazione?

Ha la funzione di produrre un carbone con una superficie contenente più siti attivi possibili. Posso avere:

• Attivazione chimica: Ad esempio con cloruro di zinco (o con acido fosforico) che comporta un attacco chimico al carbone attivo al fine di aprire i pori.
• Attivazione fisica: Può avvenire in presenza di aria o CO₂ ad alta temperatura così che io possa andare a rompere, ulteriormente, al fine che il mio carbone abbia l’efficienza più alta di tutti.

Parametri di efficienza del carbone attivo

L’efficienza di un carbone attivo è legata ad una serie di parametri che però sono per lo più sempre gli stessi:

• Densità della frazione solida reale: nel caso del carbone attivo è rappresentato dalla grafite.
• Densità apparente: che è circa 1/3 di quella della grafite e questo perché ci sono comunque dei vuoti e quindi il materiale è decisamente più leggero. Alla fine si tratta di avere, per quantità di volume, il maggior numero di siti attivi.
• Porosità: C’è la divisione in 3 famiglie dei carboni attivi:
  • Microporosi con rp<1nm
  • Mesoporosi con 1nm<rp>25nm
  • Macroporosi con rp>25nm

Chiaramente nessuno di questi pori raggiunge il valore di cm e questo perché così c’è la possibilità di trattenere le particelle. Queste piccole aperture dei pori mi permettono anche di effettuare un ruolo di setaccio molecolare. Questo è molto importante in uno specifico utilizzo del carbone attivo. In tabella sono riportati alcuni valori relativi alle differenti materie prime. La densità reale è abbastanza simile anche perché è pari a quella della grafite. Quello che varia moltissimo è la porosità e la densità apparente.

Desorbimento e rigenerazione dei carboni attivi

Quando parliamo di adsorbimento bisogna anche parlare di desorbimento perché abbiamo visto come l’adsorbimento è una sostanza inquinante che viene trattenuta su un letto di materiale adsorbente. Io non posso, però, pensare di riempire all’infinito un materiale adsorbente. Si parla, infatti, di adsorbimento come un processo discontinuo: c’è una fase operativa in cui il materiale adsorbente viene posto a contatto con la soluzione in cui c’è il materiale da adsorbire, il materiale da adsorbire viene trasferito dalla soluzione fino alla superficie adsorbente, rimane attaccato sui siti attivi e viene sottratto quindi dalla soluzione. Si arriva però ad un punto che il materiale è saturo e quindi perde le sue caratteristiche adsorbenti. A questo punto o butto il materiale adsorbente oppure, sempre nell’ottica dell’economia circolare e della minimizzazione dei rifiuti, si adottano processi di rigenerazione.

La rigenerazione dei carboni attivi viene effettuata per ripristinare l’utilità di un mezzo che è stato danneggiato. La rigenerazione può essere effettuata con diversi metodi:

• Rigenerazione per riscaldamento: consiste semplicemente nell’andare a gettare vapore sul materiale adsorbente che può arrivare, in presenza di ossigeno, a 600-980°C. Se c’è stato adsorbimento fisico, in precedenza, quello che vado a fare è semplicemente un desorbimento facendo volatilizzare le molecole sul carbone attivo oppure vado proprio a bruciare il materiale adsorbito che viene trasformato in gas. La rigenerazione può essere più blanda o più forte in base alla tipologia di legame che si crea con il materiale adsorbente.
• Rigenerazione con estrazione con solvente: Passiamo ad un tipo di rigenerazione chimica.
• Rigenerazione con trattamento con acidi o basi: sempre rigenerazione chimica.
• Rigenerazione con ossidazione chimica.

Più il processo è intenso, più al nostro materiale adsorbente viene restituita una capacità assorbente molto vicina a quella iniziale. Così sarà in grado di assorbire nuove sostanze tossiche. Chiaramente io non posso attuare una rigenerazione all’infinito, perché, specialmente se la rigenerazione è intensa, ad ogni rigenerazione consegue una perdita dell’attività adsorbente.

Di fatto, il processo di adsorbimento prevede una serie di stadi: facendo riferimento ad un singolo granello di carbone attivo, questo cambia più volte fase, all’inizio adsorbe, poi viene posto in fase di rigenerazione, poi viene di nuovo riutilizzato ma comunque dopo un numero di riutilizzi deve essere smaltito. L’ultima fase avviene, infatti, in un’unità di smaltimento in quanto non è più in grado di svolgere la funzione per cui era stato inizialmente progettato. Questo discorso prevede lo studio del meccanismo con cui avviene l’adsorbimento e nello specifico un’attenzione in quella.