Sezioni
- Il processo di riduzione catalitica selettiva (RCS)
- La RCS applicata al trattamento delle acque reflue
- Descrizione del processo RCS applicato al trattamento degli effluenti
- Conclusioni
Il processo di riduzione catalitica selettiva (RCS)
L’emissione di ossidi di azoto è molto pericolosa per la salute, poiché colpisce gli apparati respiratori di persone e animali, potendo causare malattie respiratorie e cardiovascolari a causa del suo carattere acido. Inoltre, una volta emessi, possono dare origine ad altri inquinanti secondari. Le reazioni prodotte nell’atmosfera da questi composti sono molto complesse e coinvolgono radicali come OH e O₃.
Gli ossidi di azoto (NOx) sono presenti nei gas di scarico di caldaie, motori diesel, centrali elettriche e processi industriali, tra cui meritano particolare menzione:
- Industria Energetica: Centrali termoelettriche e di cogenerazione.
- Motori Diesel: Veicoli pesanti, macchinari pesanti e navi.
- Cementifici e Metallurgia: Emissioni in forni e caldaie.
- Chimica e Petrolchimica: Formazione di NOₓ in raffinerie e processi di combustione.
Questi composti contribuiscono in modo significativo all’inquinamento atmosferico e sono responsabili dei seguenti effetti nocivi:
- La distruzione dell’O₃ nell’atmosfera
- Il contributo all’effetto serra
- La produzione di pioggia acida
- Inquinamento da traffico (Smog)
La riduzione catalitica selettiva (SCR) è un processo utilizzato per convertire gli ossidi di azoto (noti anche come NOx) in azoto diatomico (N₂) e acqua. Ciò si ottiene con l’aiuto di un agente riducente, solitamente ammoniaca (NH₃), (NH₄OH) o urea (CO(NH₂)₂), che viene aggiunto al flusso di fumi o gas di scarico contaminati e fatto reagire con un catalizzatore. In caso di utilizzo di urea, si producono azoto (N₂) e anidride carbonica (CO₂).
Un sistema SCR è composto fondamentalmente da:
- Agente riducente: L’ammoniaca, sotto forma di NH₄OH, o l’urea vengono vaporizzati e diluiti con aria per essere iniettati direttamente nel flusso di gas da trattare, tramite un distributore.
- Reattore catalitico È la camera in cui avviene la reazione degli NOₓ con il catalizzatore. Il catalizzatore è composto da sali di titanio (TiO₂), tungsteno (WO₃) o vanadio (V₂O₅). Possono essere utilizzate anche zeoliti impregnate di rame o ferro.
Principio di Funzionamento
La riduzione catalitica selettiva impiega un agente riducente, generalmente ammoniaca (NH₃) o una soluzione di urea (NH₂CONH₂), che reagisce con gli ossidi di azoto in presenza di un catalizzatore. La reazione chimica principale è:
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O/p>
Può avvenire anche la seguente reazione:
6NO2+8NH3→7N2+12H2O6NO₂ + 8NH₃ → 7N₂ + 12H₂O6NO2+8NH3→7N2+12H2O
Il processo è altamente efficiente, riuscendo a ridurre fino al 90% degli NOₓ presenti negli effluenti gassosi.
La RCS applicata al trattamento delle acque reflue
La riduzione catalitica selettiva (SCR) è ampiamente utilizzata nel trattamento delle emissioni di ossidi di azoto e, sebbene sia meno comune, esiste anche una tecnologia basata sulla catalisi selettiva nel trattamento delle acque reflue, impiegata per la degradazione di composti azotati e organici refrattari.
Nel caso delle acque reflue contenenti alte concentrazioni di NOx, il processo di riduzione catalitica selettiva (RCS) è progettato per ridurre questi composti mediante l’iniezione di ammoniaca (NH₃), in presenza di un eccesso di ossigeno (O₂) e di un catalizzatore adeguato. Di conseguenza, gli NOx si trasformano in composti innocui come azoto (N₂) e vapore acqueo (H₂O).
L’eliminazione di NO₃⁻ e NO₂⁻ (Denitrificazione) è necessaria nelle acque reflue industriali e municipali che contengono un eccesso di nitrati e nitriti e possono provocare eutrofizzazione nello scarico. Per questo si impiega la riduzione catalitica eterogenea, nella quale un catalizzatore (generalmente a base di metalli come platino, palladio o rame) facilita la riduzione dei nitrati ad azoto molecolare (N₂), evitando la formazione di ammoniaca (NH₃), che è un altro inquinante da evitare nello scarico.
- Reazione chimica principale: NO3−+2H2→N2+2H2ONO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂ONO3−+2H2→N2+2H2O
Possono essere utilizzate anche fonti di idrogeno (H₂) o agenti riducenti come acido formico o acido acetico.
Vantaggi
- Alta efficienza nell’eliminazione di nitrati e nitriti.
- Non genera residui secondari pericolosi.
- Processo rapido e stabile rispetto ai trattamenti biologici.
- Può essere applicato in combinazione con altri trattamenti, come filtrazione e adsorbimento.
Svantaggi
- Richiede catalizzatori specifici, che possono essere costosi.
- Dipendenza da condizioni controllate di pH e temperatura.
- Costo di un agente riducente (H₂, acidi o perossidi).
- Possibile disattivazione del catalizzatore nel tempo a causa di incrostazioni o contaminazioni.
Eliminazione di Composti Organici Persistenti (COPs) e Contaminanti Emergenti
Alcuni effluenti contengono composti difficili da degradare con procedure biologiche convenzionali, come quelli provenienti dall’industria farmaceutica, pesticidi, fenoli e coloranti. La ossidazione catalitica selettiva (simile al processo SCR) utilizza catalizzatori metallici e perossido di idrogeno (H₂O₂) o ozono (O₃) per decomporli.
Descrizione del processo RCS applicato al trattamento degli effluenti
Un processo di trattamento degli effluenti mediante riduzione catalitica selettiva consta delle seguenti fasi:
Pretrattamento dell’effluente
Consistente in:
- Una separazione preliminare dei solidi tramite setacciatura o filtrazione.
- Un aggiustamento del pH (6,5 – 8,5) con alcali o acidi.
- Un controllo della temperatura (10 – 50 ºC) mediante uno scambiatore di calore, se necessario.
Iniezione dell’agente riducente
Si utilizzano:
- Idrogeno (H₂) per catalizzatori metallici come platino o palladio.
- Acido formico (HCOOH) o acido acetico (CH₃COOH), impiegati con catalizzatori di rame o argento.
- Carboidrati o etanolo, utilizzati in processi con biocatalizzatori.
Reattore catalitico
All’interno del reattore catalitico, i nitrati (NO₃⁻) e nitriti (NO₂⁻) reagiscono con l’agente riducente in presenza di un catalizzatore, la cui funzione è accelerare la conversione dei composti azotati in azoto molecolare (N₂), che viene rilasciato nell’atmosfera.
Materiali comuni del catalizzatore:
- Metalli nobili: Platino (Pt), palladio (Pd), rodio (Rh).
- Metalli di transizione: Rame (Cu), ferro (Fe), nichel (Ni), argento (Ag).
- Supporti ceramici: Ossido di titanio (TiO₂), allumina (Al₂O₃), zeoliti.
Reazioni principali:
NO3−+2H2→N2+2H2ONO₃⁻ + 2H₂ → N₂ + 2H₂ONO3−+2H2→N2+2H2ONO2−+H2→N2+H2ONO₂⁻ + H₂ → N₂ + H₂ONO2−+H2→N2+H2O
Separazione dei Prodotti e Filtrazione Finale
Dopo il trattamento catalitico, possono generarsi prodotti colloidali o precipitati, che possono essere eliminati mediante i seguenti processi:
- Filtri a sabbia o carbone attivo
- Centrifughe o sedimentatori
Trattamento degli effluenti con NOx e SO₂
Le acque reflue contenenti nitrati (NO₃) e anidride solforosa (SO₂) possono essere trattate mediante riduzione catalitica selettiva. Questa tecnologia offre ottimi risultati quando si desidera ridurre le concentrazioni di NO₃ e SO₂, due inquinanti comuni nelle acque reflue del settore agricolo e di vari settori industriali.
La linea di trattamento è simile a quella descritta per il trattamento degli NOx, ma si deve tenere conto della presenza di SO₂, dal quale possono derivare composti come H₂SO₄ e (NH₄)₂SO₄. Questi composti possono essere problematici per gli impianti a causa della loro elevata corrosività e per il processo di catalisi, poiché possono ostruire il letto del materiale catalizzatore.
Riduzione dell’anidride solforosa (SO₂) a solfuro (S):
Durante il processo di riduzione di SO₂, l’anidride solforosa si trasforma in zolfo elementare o altri composti solforati meno pericolosi.
- Il processo tipico di riduzione catalitica trasforma SO₂ in zolfo elementare.
- Il catalizzatore aiuta a facilitare la riduzione e può essere usato un metallo base come nichel o rame.
- Si deve controllare la temperatura e la concentrazione dei reagenti per evitare la formazione di composti indesiderati, come l’acido solforico (H₂SO₄).
Vantaggi
- Alta efficienza. Si tratta di un processo efficiente con una resa depurativa >90%.
- Reazioni selettive e controllate. È possibile ridurre le concentrazioni di NO₃ e SO₂ senza influenzare significativamente altri composti presenti nell’acqua reflua.
- Recupero di prodotti preziosi: Lo zolfo ottenuto può essere recuperato e utilizzato in altri processi industriali.
Svantaggi
* Costi di esercizio: I costi di esercizio e manutenzione possono essere elevati a causa dell’uso di catalizzatori specifici e reagenti.
* Sostituzione del catalizzatore: Con il passare del tempo, i catalizzatori perdono efficacia, pertanto possono necessitare di rigenerazione o sostituzione.
* Controllo del processo: È richiesto un controllo rigoroso di temperatura, pH e concentrazione dei reagenti per ottenere l’efficienza attesa della RCS.
Conclusione
La presenza di NOx nelle emissioni gassose e negli scarichi deve essere trattata per eliminare il rischio che rappresentano per la salute e per rispettare i limiti legali.
Gran parte delle emissioni di NOx nell’atmosfera proviene da processi industriali e dalla produzione di energia.
La riduzione catalitica selettiva (SCR) è un metodo efficiente per diminuire gli ossidi di azoto (NOx) nelle emissioni industriali, mediante l’uso di un catalizzatore e di un agente riducente come l’urea o l’NH₃. Con questo trattamento, gli NOx si trasformano in azoto e vapore acqueo, minimizzandone l’impatto ambientale.
Benché questa tecnologia sia più conosciuta per il trattamento delle emissioni gassose, è ampiamente utilizzata anche per la riduzione di NOx e composti organici recalcitranti presenti nelle acque reflue. Questo sistema integra un insieme di tecnologie avanzate che includono reattori catalitici, sistemi di dosaggio, apparecchiature di miscelazione e filtrazione, oltre a sensori di monitoraggio. La loro corretta integrazione consente un’eliminazione efficiente degli inquinanti azotati e organici.
Nel caso della riduzione di nitrati (NO₃⁻) e nitriti (NO₂⁻), la RCS converte i composti azotati in azoto molecolare (N₂), evitando la loro accumulazione nell’acqua e prevenendo problemi ambientali come l’eutrofizzazione.
In presenza di SO₂, si deve prestare attenzione alla progettazione del processo per impedire intasamenti e deterioramenti dell’impianto a causa della possibile formazione di H₂SO₄ o di (NH₄)₂SO₄. Devono essere utilizzati i catalizzatori adeguati e un controllo rigoroso delle condizioni operative.
Bibliografia e consultazioni
Riduzione catalitica selettiva (RCS) | Condorchem Enviro Solutions
Riduzione Catalitica Selettiva _ AcademiaLab
NOx | Riduzione Catalitica Selettiva (SCR) | Trattamento emissioni NOx | Condorchem Enviro Solutions