• abatement
• chemical contaminants
• contaminanti chimici
• non thermal plasma
• plasma freddo
• resa in abbattimento

La presente tesi è stata sviluppata con l’obiettivo di sfruttare i benefici indotti dalla tecnologia al plasma freddo nel campo ambientale, per l’abbattimento di molecole inquinanti, recalcitranti a quelli che sono i processi depurativi tradizionali, in modo da ottenere gli elementi conoscitivi per la valutazione di una possibile applicazione a livello industriale.
I plasmi freddi, che sono convenientemente generati da scariche elettriche a temperatura e pressione ambiente, costituiscono ambienti di reazione molto reattivi e fortemente ossidanti per la presenza di elettroni, molecole eccitate, specie atomiche e radicaliche. Nonostante siano numerose le applicazioni tecnologiche di questi plasmi in processi di rilevanza ambientale e commerciale, la chimica di questi sistemi è tuttora non ben nota sia per quanto riguarda i prodotti che i meccanismi di reazione.
Lo studio si è sviluppato lungo due vie di ricerca riguardanti: l’abbattimento di inquinanti in fase gassosa, condotto in collaborazione con la facoltà di ingegneria dell’Università di Pisa, e l’abbattimento di tensioattivi in acque reflue provenienti dal lavaggio di un impianto di produzione di un’azienda farmaceutica.
La prima linea di ricerca si è focalizzata sullo studio dell’interazione tra molecole inquinanti che costituiscono i gas generati dai processi di combustione con il plasma freddo. In particolare lo studio si è concentrato sull’abbattimento di ossidi di azoto prodotti da un motore Diesel. I motivi che hanno sollecitato questa ricerca sono le nuove normative imposte dall’Organizzazione Internazionale Marittima in vigore da Gennaio 2021 che hanno esteso le limitazioni sulle emissioni alle imbarcazioni con lunghezza superiore ai 24 m e stazza lorda inferiore alle 500 t, andando ad includere il settore dei grandi yacht. Quest’ultimi adottano motorizzazioni Diesel ad alta potenza specifica che, in assenza di sistemi di post-trattamento dei gas di scarico, non rientrano nei limiti di emissioni di ossidi di azoto richiesti. Attualmente l’unico sistema di post-trattamento disponibile sul mercato conforme alle norme antinquinamento è il catalizzatore SCR. Esso però presenta costi elevati, necessita di ampi spazi in sala macchine ed ha bassa efficienza di abbattimento sui gas di scarico con temperatura inferiore ai 250°C. Data l’importanza degli spazi ed il prevalente utilizzo di bassi carichi motore, l’SCR si è dimostrato inadeguato sugli yacht, aprendo la strada a metodologie alternative per l’abbattimento di inquinanti in fase gas, tra cui il loro assorbimento in soluzioni acquose. Gli ossidi di azoto presenti nei gas di scarico sono perlopiù insolubili in acqua, ma la loro solubilità aumenta con lo stato di ossidazione; è quindi possibile abbatterli con un opportuno lavaggio dopo averli ossidati attraverso l’azione del plasma. Il plasma freddo utilizzato nel presente studio è costituito da un gas ionizzato i cui elettroni raggiungono elevate temperature grazie a un processo di accelerazione, mentre le altre specie restano a temperatura ambiente. L’alta energia acquisita dagli elettroni del plasma porta alla formazione di specie fortemente reattive che, in presenza di ossigeno, esercitano una forte azione ossidante sul flusso di gas che vi entra in contatto. Avvenuta l’ossidazione, gli ossidi di azoto possono essere disciolti in soluzione acquosa sotto forma di nitriti, riducendo il loro rilascio in atmosfera.
Oltre all’abbattimento di ossidi di azoto in fase gas lo studio si è esteso alla possibilità di applicare il plasma freddo per l’abbattimento di idrocarburi incombusti, altra categoria di molecole estremamente nocive prodotte nei processi di combustione. In questo caso non c’è stata una effettiva necessità che ha mosso la ricerca verso una specifica applicazione reale; ma è stato uno studio volto a individuare eventuali nuove molecole con cui il plasma freddo può interagire per ampliare lo spettro applicativo di questa affascinante tecnologia.
La seconda linea di ricerca si è focalizzata sullo studio dell’interazione tra plasma e specie inquinanti in fase liquida. In particolare lo studio si è concentrato sull’abbattimento di tensioattivi: principali molecole inquinanti costituenti le acque reflue provenienti da impianti industriali del settore farmaceutico. La normativa di riferimento è il decreto 152 del 2006, secondo cui i reflui scaricati in acque superficiali devono avere concentrazioni di tensioattivi totali non superiori a 2 mg/L, se scaricati in rete fognaria non superiore a 4 mg/L. I sistemi di depurazione attualmente utilizzati, tipicamente carboni attivi, anche se teoricamente efficienti nel ridurre la concentrazione di tensioattivi al di sotto del limite imposto, presentano consistenti criticità di tipo tecnico e gestionale, in quanto hanno prestazioni che decadono con l’esaurirsi del materiale e necessitano di continuo monitoraggio e ripristino. Per questo motivo lo studio, condotto in collaborazione con un’ azienda farmaceutica specializzata nella produzione di prodotti oftalmici, ha avuto l’obiettivo di individuare una possibile alternativa di purificazione delle acque reflue attraverso l’uso di plasma freddo , in modo da risolvere le criticità sopra esposte.
In entrambe le linee di ricerca, la finalità ultima del lavoro è stata determinare, su scala pilota, parametri ottimali per la conduzione dei processi, studiarne efficienza ed efficacia ed arrivare quindi a poterne valutare oggettivamente la possibile applicazione su scala industriale.
Lo studio dei processi di abbattimento attraverso l’uso del NTP (acronimo di Non Thermal Plasma) è stato condotto grazie ad una serie di reattori prototipali messi a punto e forniti da una società che si occupa della industrializzazione della tecnologia al plasma freddo con l’obiettivo principale di sanificare l’aria e le superfici da contaminazioni biologiche e chimiche.