Stripping composti volatili

STRIPPING COMPOSTI VOLATILI

Ci sono dei composti organici che hanno una facile tendenza a passare in fase vapore. Questo è importante

ai nostri fini perché noi abbiamo studiato fino ad adesso il processo di areazione e quando noi insuffliamo in

un bacino liquido dell’aria, inevitabilmente, se ci sono composti volatili questi vengono strippati. Questi

significa che se noi insuffliamo aria in un bacino liquido e ci sono dei composti volatili andiamo

inevitabilmente a spostare l’inquinamento dal liquido all’aria. C’è quindi la necessità di andare a quantificare

il materiale che ha cambiato la propria fase. E’ importante stabilire lo stripping dei composti organici volatili

anche perché, spesso, questi sono anche biodegradabili o comunque sono composti che devono essere

eliminati con uno specifico trattamento.

Sarebbe utile adottare delle specifiche unità di trattamento finalizzate esclusivamente alla rimozione di tali

composti in modo da ridurre il carico organico nelle sezioni successive.

Stiamo parlando di un processo attraverso il quale, insufflando aria, possiamo eliminare tutti i composti

facilmente volatili.

I fattori da cui dipende questo processo sono gli stessi legati al trasferimento ARIA-LIQUIDO.

• AREA DI CONTATTO: cioè la superficie delle bolle

• SOLUBILITA’ DEL GAS

• DIFFUSIVITA’

• COEFFICIENTE DI TRASFERIMENTO

• COSTANTE DI HENRY

• TEMPERATURA

Ci sono dei gas, come l’ammoniaca, che è molto solubile ma in funzione del pH diventa anche molto volatile.

+

Bisogna infatti ricordare la reazione di equilibrio che c’è tra lo ione NH e NH

4 3.

NH + OH <-> NH OH <->NH + H O

4+ - 4 3 2

+

Questo è un caso emblematico perché l’NH è uno degli inquinanti più difficili da eliminare in un’acqua di

4

scarico. Già sappiamo che lo ione ammonio è biodegradabile ma per tempi molto lenti. Quindi è possibile che

+

in un bacino, ancor prima che i microrganismi comincino a biodegradare l’NH , in funzione del pH, una parte

4

di questo ione ammonio diventa NH , viene strippato e non ritornano più i bilanci di materia. Il discorso fatto

3

per l’ammoniaca può essere esteso a tantissime tipologie di gas con una determinata solubilità. Tutto

dipende dalla costante di Henry.

Solitamente per valori di T più alti abbiamo maggiori valori della costante di Henry ma a questo corrisponde

una minore solubilità. I composti che hanno bassa solubilità sono quelli che hanno un’alta costante di Henry

In tabella sono riportati alcuni valori tipici delle costanti di H per alcuni componenti. I componenti presenti,

nello specifico, all’interno della tabella sono composti molto tossici estremamente difficili da rimuovere dal

bacino al punto che vengono considerati come elementi persistenti nelle acque. La solubilità, di conseguenza,

varia da un composto e basta. Il problema è che la solubilità non basta per capire che un elemento può stare

o meno in acqua e di conseguenza quanto convenga stripparlo, perché il problema principale è dato dalla

tossicità. In generale possiamo trovare infatti composti che, nonostante abbiano alta solubilità, presentano

una tossicità estremamente elevata al punto che anche in valori pari a micro-moli superano i limiti di

accettabilità dell’acqua stessa. Stiamo parlando della possibilità stessa che, prima di un trattamento biologico

in cui l’aria viene forzatamente insufflata in acqua, bisogna prevedere uno stadio per eliminare tutti i

composti organici volatili.

Questo stadio può avvenire in colonne di stripping (o desorbimento). In queste colonne, opportunamente

riempite di materiale di riempimento plastico o ceramico, le condizioni sono tali che un effluente liquido

viene aerato e viene quindi liberato di tutti i composti volatili in eccesso rispetto alla solubilità.

DIMENSIONAMENTO DI UNA COLONNA DI DESORBIMENTO: Abbiamo un metodo analitico e uno

leggermente più semplificato.

METODO ANALITICO: Nell’ipotesi che non ci sia reazione chimica, la concentrazione del composto volatile in

funzione del tempo è uguale a: ⅆ ( )

= − ⋅ ⋅ −

ⅆ

Quello che ho scritto è l’equazione che abbiamo scritto per il trasferimento dell’ossigeno nell’aria, volontario,

per poter solubilizzare ossigeno, al contrario. Cioè insufflando aria andiamo a vedere quello che già c’è

nell’acqua e valuto quello che ho spostato. Avrò quindi un prodotto tra una costante e una differenza pari a

( )

− . In questo caso è esattamente il contrario perché la concentrazione del composto tossico in acqua

va a diminuire. ⅆ ⅆ

Vado ora a moltiplicare a destra e a sinistra per . Ottengo quindi .

ⅆℎ ⅆℎ

ⅆ ⅆ

( )

= − ⋅ ⋅ −

ⅆℎ ⅆℎ

ⅆ

in forma integrale diventa pari a . Quindi vediamo come = L rappresenta la portata specifica dell’acqua

ⅆℎ ℎ ℎ

3 2

che attraversa la colonna espressa in m \m h. T rappresenta il tempo di hold up cioè il tempo necessario per

bagnare lo strato di riempimento. ⅆ

( )

= − ⋅ ⋅ −

ⅆℎ ℎ ⋅

Vado ora ad introdurre il parametro HTU cioè altezza dell’unità di trasferimento che non è altro che

moltiplicato ℎ

⋅ ⋅

HTU= ℎ ( )

ⅆ −

=

ⅆℎ

HTU è un numero in funzione del gas trasferito e del riempimento impiegato. Alcuni valori di HTU

Sfere ceramiche=285mm

Anelli rashing= 500mm ( )

− ℎ

( )=

( )

−

ℎ

Sono andata poi andata ad integrare da un valore inziale Ci e un valore di concentrazione ad altezza h. Questa

equazione mi dice, in funzione dell’altezza della mia colonna, la concentrazione Ch residua del nostro

componente che dobbiamo strippare in funzione anche della sua concentrazione inziale.

Da questo posso valutare come, se io voglio una concentrazione finale, molto di versa da Ci, devo adottare

una determinata altezza della colonna. Questo è un metodo molto semplificato che fa riferimento ad HTU

che è relativo al riempimento. Noi siamo parlando del trasferimento in acqua, usando altri liquidi otterrei

valori diversi di HTU. Questo è un metodo molto semplice

METODO PIU’ SEMPLIFICATO: Andando sempre ad ipotizzare l’assenza di reazioni chimiche, vado a sfruttare

dei diagrammi. In particolare si calcola prima il volume di riempimento che deriva dal bilancio di materia sulle

portate. Una volta nota Ci e imposta una certa Ch desiderata posso calcolare il volume di riempimento così

Dove A = G\L cioè portata di gas fratto portata di liquido.

w

Questa espressione ci dice che il volume di riempimento necessario, per ottenere una certa concentrazione

Ch, in funzione di una Ch è legata a tutti parametri noti. Attraverso questa relazione posso calcolare il volume

di riempimento.

Una volta calcolato il volume di riempimento, per un corretto dimensionamento devo conoscere

ALTEZZA DELLA COLONNA

DIAMETRO DELLA COLONNA: Per questo calcolo devo tener conto delle perdite di carico ammissibili. Vado

ad introdurre due fattori

X è semplicemente il fattore del reciproco delle portate e il reciproco del rapporto delle densità elevante

alla 0,5.

Y è funzione di parametri noti e di due parametri G’ che è la portata specifica gassosa cioè quanta aria invio

2

in Kg\m s e f che il coefficiente caratteristico di riempimento del materiale impiegato.

A questo punto noto X, che viene fissato in base ad un determinato valore del rapporto L\G, si entra in un

grafico in cui per un determinato valore delle perdite di carico ammissibili nella colonna vado a ricavarmi il

mio valore Y. Una vota noto Y vado a ricavare il mio G’ (che è l’unico parametro che varia). Una volta ricavato

G’, portata di gas, posso calcolarmi A.

Una volta noto il valore dell’area della sezione della colonna, supponendo che la sezione sia circolare, posso

calcolarmi il diametro.

In questa fase entrano le perdite di carico. Noto volume e diametro posso calcolare facilmente l’altezza.

Abbiamo visto come eventualmente sia possibile dimensionare queste colonne di stripping da mettere a valle

di un sedimentatore e a monte dell’unità di aerazione. Questa unità di aerazione diamo per scontato che può

essere un bacino all’interno del quale avviene il processo biologico ma bisogna stare attenti anche durante

la flottazione. Spesso noi usiamo la flottazione al posto della sedimentazione e anche in questo caso andiamo

ad insufflare aria all’interno e il problema potrebbe verificarsi anche in questo caso.

Bisogna quindi stare attenti a scegliere la flottazione quando c’è sospetto che l’acqua di scarico contenta un

alto quantitativo di composti organici volatili.

Le acque ricche di composti organici volatili sono le acque alimentari.

Quello che abbiamo visto adesso presuppone il fatto che noi abbiamo già ipotizzato che si possa essere un

rischio di formazione dei composti organici volatili e abbiamo quindi messo opportunamente in cantiere di

progettare una colonna di desorbimento.

Nella realtà la situazione è leggermente più complessa in quanto difficilmente si hanno concentrazioni di

composti organici volatili tali da giustificare una colonna di desorbimento. Quello che più verosimilmente

succede è che questo piccolo quantitativo di composti organici volatili venga strippato all’interno di una vasca

biologica. Questo perché magari il contentuto di composti organici volatili ma anche perché, inevitabilmente,

per portare avanti il desorbimento devo andare incontro ad una variazione di pH che dovrò poi riportare alla

neutralità in quanto devo garantire la sopravvivenza ai microrganismi. Queste variazioni di pH comportano

inevitabilmente dei costi.

Molto più agevole è, invece, andare a stimare se ci sono composti di organici volatili in vasche dove c’è la

presenza di microrganismi, al fine di chiudere i bilanci di materia.

E’ raro trovare delle colonne di desorbimento in un impianto acque ma siamo comunque costretti a studiare

il desorbimento perché durante un processo biologico dobbiamo capire se la sparizione di composti organici

sia dovuta al fatto che i microrganismi li hanno degradati oppure se c’