Condizionamento Elettrolita

La progettazione del sistema di condizionamento dell’elettrolita assume un ruolo fondamentale in un impianto di decontaminazione elettrocinetica, per le ragioni esposte nel capitolo 3, in cui si rimanda. Per tanto, il dimensionamento è stato fatto tenendo in considerazione che la migrazione dei contaminanti è strettamente connessa al valore del pH dei sedimenti e dell’elettrolita stesso.

Per avere la solubilizzazione dei metalli e consentire la loro migrazione verso il catodo, sono necessari valori di pH acido, preferibilmente inferiore a 4.

La quantità di acido / base, per le reazioni di elettrolisi che avvengono presso l'elettrodo, può essere calcolata preliminarmente, in quanto dipende solo dalla corrente elettrica applicata. Ne consegue che i valori di pH nell'elettrolita dipendono solo dalla portata di ricircolo e non sul dosaggio acido / base (che è fisso); pertanto, è di estrema importanza assegnare un valore preciso della portata per mantenere il pH entro certi limiti.

Di seguito vengono riportati i calcoli effettuati per determinare la portata di progetto (Qd) dimostrando che il pH varia in funzione della portata stessa.

Nota: i valori di partenza fissati per la risoluzione del problema sono:

 la disposizione geometrica degli elettrodi, distanza in lunghezza e larghezza;

 densità di corrente J = 5 A / m2 _{, assunto per evitare il problema di surriscaldamento}

dell’elettrolita;

 pHout = 3, fissato all'uscita della sezione di dosaggio.

5.3.3.1

Quantità di Acido / Base

E’ noto che l’applicazione del campo elettrico causa l’elettrolisi delle molecole d’acqua con produzione di ioni H+ _{e OH}- _{rispettivamente all’Anodo e al Catodo, come mostrato nella reazione}

redox:

Anodo: 2H

2

O  O

2

+ 4H

+

+ 4e

-

Catodo: 2H

2

O + 2e

-

 H

2

+ 2OH

-

Dalla reazione si vede che per ogni mole di elettrone si genera una mole di H+ _{all’anodo e una}

mole di OH- _{al catodo. Questo permette all’elettrolita di acidificarsi sempre più all’anodo,}

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diventare alcalino al catodo. Questo spiega il motivo per cui risulta necessario dosare una soluzione alcalina all’interno del circuito dell’anolita, nel nostro caso idrossido di sodio (NaOH), ovvero una soluzione acida per il catolita, nel nostro caso acido solforico (H2SO4).

Per conoscere la quantità di reagente necessario a mantenere i valori di pH entro i limiti operativi bisogna anzitutto calcolare la quantità di H+ _{e OH}- _prodotte.

Ricordando che F = 96485 C/mol, C = Amp × secondi e conoscendo la densità di corrente, si ricava:

= ×

× ℎ × ( − 1) = 5 × 6.48 × 1.25 × 17 = 688.5 (1)

Dove:

J= 5 A/m2 _{Densità di corrente;}

w= 6.48 m Larghezza della vasca; h= 1.25 m Altezza strato di sedimenti; n= 18 Numero di linee.

=

=

=

5.9 × 10

96485

= 616

⁄ (2)

I reagenti scelti per il condizionamento del pH a valori di progetto sono [H2SO4] (Acido Solforico)

e [NaOH] (Idrossido di Sodio), aventi le caratteristiche mostrate in tabella 5.2:

Base (Anodo) NaOH

Concentrazione S% 37 % Densità ρ 1.4 kg/l Molarità 12.95 M PMNaOH 40 g/mol Acido (Catodo) H2SO4 Concentrazione S% 96 % Densità ρ 1.84 kg/l Molarità 18 M PM H2SO4 98.08 g/mol Tabella 5.2: Caratteristiche dei reagenti impiegati

70

La quantità di reagente da dosare sarà ovviamente funzione della quantità di ioni H+ _{e OH}-

prodotti, calcolati precedentemente.

Conoscendo il Peso Molecolare (PM), la concentrazione (S%), nonché la densità (ρ), si ricava quindi la quantità di reagente:

=

×

%

×

× 1000 × 2= 17.10 ⁄ (3)

=

×

%

×

× 1000= 47.6 ⁄ (4)

E’ da notare che i calcoli sono svolti in funzione della densità di corrente, imposta al valore max di 5 A/m2_{, ciò significa che le quantità di reagenti appena calcolate si hanno nella condizione più}

sfavorevole.

5.3.3.2

Portata di Calcolo “Qd”

La portata di calcolo è calcolata tenendo conto di due fattori:

a) Il pH in uscita da ogni singola linea (pHout) non deve essere superiore a 3, così da garantire

l’acidificazione dei sedimenti;

b) La differenza di pH nei pozzetti deve essere minimizzata; ciò equivale a dire che la portata deve essere contenuta entro un certo intervallo.

Poiché i pozzetti sono collegati in serie tra loro, passando da un pozzetto all’altro, l’elettrolita si acidifica sempre più in corrispondenza dell’anodo, dovuta alla produzione di ioni H+_{, ovvero}

diventa sempre più alcalino in corrispondenza del catodo, dovuto allo sviluppo di ioni OH-_.

A questo punto quindi interessa conoscere il valore del pH in ingresso “pHin“ alla singola linea,

che, come verrà dimostrato, aumenta al crescere della portata in catodo fino a raggiungere un asintoto intorno al valore pHin=3 (condizione non problematica), mentre decresce al crescere

della portata in anodo.

Si noti che tutti i successivi passaggi vengono svolti in funzione della portata Qr incognita, quindi

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così da poter estrapolare un grafico Qr – pH , da cui ricavare il valore di progetto della portata

Qd.

Per tale ragione, come prima cosa verranno calcolate le concentrazioni dei reagenti scelti, [H2SO4] (Acido Solforico) e [NaOH] (Idrossido di Sodio) per il condizionamento del pH ai valori di

progetto.

[

] =

,

× 86400

= 0.014 ÷ 3.5 × 10 (5)

[

] =

,

× 86400

= 0.014 ÷ 3.5 × 10 (6)

Si ricorda che [M = mol/l] rappresenta la Molarità: concentrazione di una specie chimica in una soluzione, ovvero le moli di soluto contenute in un litro di soluzione.

A questo punto è possibile calcolare il pH in ingresso, come:

[

]

_,

= 10

,

_{+ [}

]

,

= − log [

]

,

(7)

Figura 5.8: pH al catodo in ingresso alla linea in funzione della portata

72

Il calcolo della concentrazione dello ione idrogeno all’anodo è un po’ più complessa e viene risolta mediante il bilancio di massa in due distinti punti, a) e b):

a) In uscita dalla vasca di trattamento, punto (a), in funzione del tempo, vale:

[

]

+ [

]

= [

]

+ [

]

[

]

− [

]

= [

]

− [

]

(8)

Ricordando che [H+_{] × [OH}-_{] = 10}-14 _{= K}

w (costante di dissociazione dell’acqua), la (9) può dunque

essere scritta come di seguito:

[

]

− [

]

=

10

− [

]

≅ −10

≅ −10 (9)

Si noti che la differenza [Na+_]

out–[Cl-]out risulta costante nel tempo, pur non essendo costanti

[Na+_]

out e [Cl-]out.

b) In ingresso alla vasca di trattamento, punto (b), allo stato stazionario, vale il seguente bilancio:

[

] +

,

[

]

+

(

_,

+ )

= [

] +

,

[

]

(

_,

+ )

(10)

Dove CNaOH rappresenta la concentrazione dell’Idrossido di sodio all’interno del serbatoio e

73

[

] + [

]

+

,

= [

] + [

]

(11)

Ricordando quanto detto prima, cioè:

[

]

=

[ ]

;

[

]

− [

]

≅ −10

;

,

= [

];

L’equazione (11) si riduce in un’equazione di secondo grado:

[

]

+ ([

] − 10

)[

] −

= 0 (12)

Risolvendo l’equazione (12) si ricavano le concentrazioni [H+_]

in in ingresso alla vasca per la linea

dell’anolita, ovvero il valore del pHan,IN.

Come si nota dalla Figura 5.8, la portata non risulta essere un parametro particolarmente critico per il pH al catodo. Al contrario invece all’Anodo, come mostra la Figura 5.9, si ha una zona di

8.2

74

transizione nella quale per una piccola variazione di portata si passa bruscamente da pH basico a pH acido.

Quindi, con una semplice interpolazione, si sceglie il valore minimo di portata per la quale il pH all’ingresso della linea dell’anolita risulta acido.

In definitiva, alla massima densità di corrente (5 A/m2_{), la minima portata che consente di avere}

un pH acido è 8.2 l/s. Si imposta dunque come portata di calcolo Qd= 10 l/s.

Di seguito vengono riportati, per completezza, i valori di pH con una portata di 10 l/s.

5.3.4

Dimensionamento Scrubber per il Trattamento

Nel documento Trattamento Elettrocinetico di Sedimenti Marini Contaminati: Progetto di una Istallazione Sperimentale (pagine 78-84)