dunque è necessario riprogettare il sistema di condizionamento dell’aria per fornire i ricambi orari necessari a garantire il valore di concentrazione sotto il limite di norma:
Per particolato si intende tutte quelle polveri formatisi per incompleta combu-stione. Non se ne può dare una definizione univoca, in quanto la sua natura è
1.5. DESCRIZIONE DELLE SOSTANZE INQUINANTI 9 varia:
• per la dimensione, con diametri D che variano tra alcuni nanometri e centinaia di micron, che segue una distribuzione dimensionale del tipo:
N (ω) = 1
• per la composizione (anche se come base si tratta di particelle di carbonio incombuste).
Può sia di origine antropica sia naturale, ad esempio a seguito di eruzioni.
Danni
Il particolato provoca danni:
• alle cose poiché ci si sedimentano, ed inoltre sono dei siti di adsorbimento di SOx che a contatto con l’acqua formando l’acido che le danneggia, e anche di NOx che arrugginisce il ferro;
• alla vegetazione, riducendone la capacità di assorbimento della radiazione solare;
• all’uomo, danneggia le mucose che non riescono più a filtrare ulteriori sostanze inquinanti come gli ossidi di zolfo.
Modalità di trattamento
La modalità di trattamento del particolato si basa sostanzialmente sulla sedimen-tazione favorita tramite l’urto delle particelle che le fa perdere energia. Per questo motivo, i dispositivi per il trattamento del particolato si basano sull’utilizzo di:
• filtri di varia natura: i più utilizzati nelle centrali sono quelli a maglie polimeriche o ceramiche, a secondo della temperatura dei gas trattati;
• trattamento con acqua (umidità): ne favorisce l’agglomerazione semplificando la sedimentazione;
• piastre elettriche: il precipitatore elettrostatico, che ionizza le particelle e le attira con il campo elettrico, separandole dal flusso gassoso.
1.5.2 Ossidi di Zolfo
Descrizione e meccanismi di formazione
Si tratta degli SO2 e SO3 formatisi tramite l’ossidazione dello zolfo presente nel combustibile utilizzato, secondo le seguenti reazioni:
S + O2−−→ SO2 → molto veloce SO2+1
2O2−−→ SO3 → lenta (1.27)
10 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE Danni
Gli ossidi di zolfo provocano danni:
• alle cose poiché reagendo con l’umidità atmosferica si trasformano in acido solforico, responsabile delle piogge acide. La reazione è la seguente:
SO3+ H2O −−→ H2SO4 (1.28)
ed è favorita in presenza di composti di azoto ed idrocarburi, ed è molto più veloce in un nucleo di assorbimento (es. particolato). L’acido solforico ha un’a-zione corrosiva sui materiali, soprattutto marmorei, poiché il carbonato di calcio viene letteralmente sciolto dall’acido:
CaCO3+H2SO4−−→ CaSO4+H2O+CO2 gesso, solubile in acqua (1.29)
• alla vegetazione, a cui provoca ingiallimento,
• all’uomo, su cui ha un’azione irritante all’apparato respiratorio, peggiorata even-tualmente dalla presenza di particolato, che irritando le mucose libera il passag-gio per queste sostanze.
Modalità di trattamento
Gli ossidi di zolfo vengono trattati sfruttando proprio la reazione con il carbonato di calcio, trasformandoli in gesso che può essere smaltito facilmente, o meglio utilizzato per altri scopi.
1.5.3 Ossidi di Azoto
Descrizione e meccanismi di formazione Esistono 3 meccanismi di formazione degli NOx :
1. NOx termici: è un meccanismo di formazione che non dipende dal combustibile utilizzato, in quanto avviene alle elevate temperature quali quelle della fiamma, e si basa sulla reazione dell’azoto e con l’ossigeno. Le tipologie di reazioni sono molte, quelle principali sono le cosiddette reazioni di Zeldovich:
N2+ O−−→ NO + Nk1 N + O2−−→ NO + Ok2 N + OH−−→ NO + Hk3
(1.30)
dove l’ultima reazione avviene in difetto di ossigeno e in eccesso di acqua. La velocità della reazione complessiva di formazione di NO sarà quindi la somma delle velocità nette delle tre reazioni:
d [N O]
1.5. DESCRIZIONE DELLE SOSTANZE INQUINANTI 11 Se ora ipotizzo che tutte le concentrazioni siano all’equilibrio tranne NO posso semplificare l’equazione della velocità in quanto:
k1· [N2]e· [O]e= k1∗· [N O]e· [N ]e k2· [N ]e· [O2]e= k2∗· [N O]e· [O]e k3· [N ]e· [OH]e= k∗3· [N O]e· [H]e
(1.32)
Dunque sostituendo nell’equazione e mettendo in evidenza il termine positi-vo di ogni velocità, si semplificano tutti i termini tranne quelli relativi alle concentrazioni di NO e l’equazione della velocità di reazione diventa come segue:
d [N O] Dunque risolvendo l’equazione differenziale arriviamo ad una formula della con-centrazione di NO pari a:
[N O]
[N O]e = 1 − e−(R1+R2+R3)[N O]e ·t (1.35) da dove si osserva un andamento esponenziale con il tempo. Considerando poi che ognuno dei coefficienti k è esponenziale con la temperatura, questo effetto è ulteriormente potenziato.
2. NOx prompt: questa tipologia di ossidi di azoto si forma in presenza di radicali idrocarburici secondo le seguenti:
Queste reazioni avvengono in difetto di ossigeno (combustione ricca), poiché altrimenti queste specie verrebbero ossidate prima di reagire con l’azoto.
3. NOx fuel: si formano se sono presenti dei composti ammoniacali nel combusti-bile, e nel caso di combustibili "sporchi" come il carbone si formano in quantità molto maggiori degli NOx termici. Si generano dalla reazione dei composti ammoniacali con l’ossigeno:
NH3+ O2−−→ NO + H2O 2 NH3+5
2O2−−→ 2 NO2+ 3 H2O (1.37) Danni
I danni degli ossidi di azoto sono soprattutto sull’uomo, anche se essendo sottoposto più o meno alle stesse reazione degli ossidi di zolfo ha lo stesso effetto su cose e vegetazione. Sull’uomo in aggiunta può provocare asfissia o malattie respiratorie nel caso di inspirazione in grandi quantità, perché ossidando il ferro dell’emoglobina questo non trasporta più ossigeno.
12 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE Modalità di trattamento
Essendo diverse le modalità di formazione, anche le modalità di trattamento e rimozione degli ossidi di azoto saranno differenti a seconda di quale dei tre tipi prevale sull’altro. Ovviamente per tutti e tre i casi sarà possibile agire allo stesso modo a valle della combustione per rimuoverli, ma nel caso si volesse agire a monte allora:
1. per gli NOx termicisi può agire sulla combustione, evitando che questa raggiun-ga le temperature di fiamma che ne facilitano la formazione. Ciò è possibile pas-sando da una combustione cosiddetta diffusiva ad una distribuita (pre-miscelata, cioè con rapporto α omogeneo), poiché si passa da una fiamma statica in cui si raggiunge praticamente la temperatura adiabatica di combustione (e la tempe-ratura poi decresce esponenzialmente con la distanza da essa) ad una fiamma
"dinamica", che spazza su tutto il volume e rende la temperatura omogenea e più bassa.
2. Per gli NOx prompt basta utilizzare alti eccessi d’aria, e quindi di ossigeno.
Rispetto alle altre tipologie sono quelli che creano meno problemi.
3. Per gli NOx fuel è logico pensare che si dovrà agire sul combustibile, cercando di eliminare composti ammoniacali o semplicemente non utilizzare combustibili che li contengano.
1.5.4 Monossido di Carbonio
Descrizione e meccanismi di formazione
Il monossido di carbonio CO si forma a seguito di incomplete combustioni, in quanto la reazione completa di combustione in realtà si svolge in due fasi, la prima più veloce di formazione del CO , e la seconda di ossidazione di questo in CO2più lenta:
CnHm+ (n/2 + m/4) O2−−→ nCO + m/2H2O CO + 1
2O2−−→ CO2 (1.38)
Le combustioni incomplete sono dovute a:
• basse temperature, che possono di fatto "congelare" l’ossidazione del CO , che quindi rimarrà tal quale nei fumi (es. nei m.c.i., accade tramite il contatto con cilindri, più freddi dei gas combusti al loro interno),
• difetto di ossigeno,
• tempi di combustione ridotti.
Danni
Il monossido di carbonio è mortale per l’uomo, in quanto provoca asfissia.
Modalità di trattamento
Per trattarli si cerca di impedirne la formazione agendo sui tre parametri della combustione descritti prima. Vengono prodotti essenzialmente nei motori a combu-stione interna e negli alti forni, dove tra l’altro gli elevati tempi di permanenza portano ad un’ulteriore reazione che aumenta la concentrazione di CO :
CO2+ C −−→ 2 CO (1.39)
1.5. DESCRIZIONE DELLE SOSTANZE INQUINANTI 13
1.5.5 Piombo
Descrizione e meccanismi di formazione
Il piombo veniva utilizzato come anti-detonante nelle benzine rosse, dunque era aggiunto al combustibile.
Danni
Provoca dei danni al sistema nervoso umano.
Modalità di trattamento
Si rimuove a monte dal combustibile.
1.5.6 COV: Composti Organici Volatili
Descrizione e meccanismi di formazione
Si tratta di tutti quei composti organici come metano, benzene, toluene prodotti nei motori per autotrazione e dalle fabbriche di solventi.
Danni
Oltre a creare danni gravi alla salute umana (sono tra i responsabili per l’in-sorgenza delle leucemie) producono inquinanti secondari come il PAN e catalizzano l’acidificazione degli NOx e SOx .
1.5.7 Inquinanti secondari
Sono inquinanti secondari tutte quelle sostanze che per generarsi hanno bisogno di reazioni fotochimiche tra gli NOx e gli idrocarburi incombusti, per i quali infatti si parla di smog fotochimico, che possono avvenire in condizioni atmosferiche stabili, in presenza di radiazione solare diretta e scarsa nuvolosità. Le reazioni sono le seguenti:
• NO2+ hν −−→ NO + O−
• O−+ O2+ M −−→ O3−+ M
• O3−+ NO −−→ NO2+ O2
dove, nella reazione numero 2, M ha la sola funzione di assorbire l’energia della reazione e renderla stabile, ma non partecipa ad essa. Come si vede dalle reazioni il ciclo del NO è chiuso, ma ciò sarebbe vero se nell’atmosfera fossimo in condizioni stazionarie, e di conseguenza ciò che si osserva è che le concentrazioni delle specie variano molto durante la giornata. Ad esempio, gli idrocarburi incombusti rilasciati dalle automobili presenti in atmosfera favoriscono l’ossidazione del NO a NO2, e di conseguenza provocano un aumento della concentrazione dell’ozono O3. Quest’ultimo è tossico se presente negli strati bassi dell’atmosfera, ed inoltre provoca una serie di
14 CAPITOLO 1. INTRODUZIONE reazioni a catena che portano alla formazione del PAN, Perossi-acetil-nitrato:
O3+ hν −−→ O2+ O
Il PAN è molto irritante per le vie respiratorie e per gli occhi, e ad alte concentra-zioni può provocare seri danni alla vegetazione. È molto più stabile degli ossidi di azoto, quindi ne consente il trasporto anche a lunghe distanze, e lo è molto di più alle basse temperature: per cui nei centri urbani l’inquinamento risulta molto più elevato in autunno/inverno in giornate assolate. L’indicatore della presenza di questo inquinante è la concentrazione di ozono e particolato, in quanto per il primo vale una proporzionalità diretta.