Set-up del processo

Il set-up impiegato per effettuare le prove sperimentali, raffigurato in Figura 5.1, è costituito principalmente da:

- la soluzione di processo, costituita da 70 ml di soluzione di acqua distillata milliQ contenente 90 ppm di formaldeide;

- una piastra Petri in vetro con diametro pari a 15 cm e altezza pari a 2 cm, contenente la soluzione di inquinante;

- un agitatore magnetico che consente di mantenere in agitazione la soluzione attraverso l’uso di un’ancoretta magnetica;

- una membrana a base di PAN e TiO2, divisa in due pezzi di superficie pari a 25 cm² ciascuno, posizionata sul fondo della piastra Petri contenente il liquido di reazione; - alcuni elementi metallici (in questo caso dei piccoli bulloni) a fungere da peso per fissare la membrana alla piastra e evitare che si muova durante la miscelazione della soluzione;

- una lampada UV-Stylo E16 prodotta dalla Light Progress, con potenza pari a 16 W e radiazione luminosa emessa di lunghezza d’onda pari a 254 nm (UV-C);

- sostegni di forma adatta che fungono da sostegno per la lampada UV e consentono di posizionarla all’altezza desiderata;

Figura 5.1 Fotografia del set-up utilizzato per svolgere i test fotocatalitici di degradazione della formaldeide.

La soluzione di processo viene preparata a partire da una soluzione di formalina al 37% w/w in acqua (Sigma-Aldrich), contenente anche metanolo al 15% in peso per stabilizzare la formaldeide in ambiente acquoso; al termine di vari stadi di diluizione effettuati attraverso l’utilizzo di matracci tarati, si arriva ad ottenere la soluzione finale di formalina con concentrazione pari a 90 ppm in H2O distillata.

Un aspetto importante riguarda la conservazione e l’impiego della soluzione preparata: la soluzione di partenza di formalina deve sempre essere conservata in frigorifero a 4°C per evitare l’ossidazione della formaldeide ad acido formico, fenomeno più probabile a temperatura ambiente; per lo stesso motivo la soluzione di processo a concentrazione pari a 90 ppm deve essere preparata e utilizzata lo stesso giorno, poiché lo stoccaggio anche di sole 24 ore ed a una temperatura di 4 °C può comportare una parziale ossidazione della formaldeide e quindi una variazione nella concentrazione iniziale.

Giornalmente si prepara quindi la soluzione da sottoporre alla prova sperimentale, avente volume pari a 70 ml, grazie all’utilizzo di matracci tarati che consentono una misura volumetrica molto precisa.

Il volume iniziale di 70 ml è stato scelto per avere una degradazione efficiente utilizzando una membrana di circa 50 cm²; eseguendo i test con volumi di soluzione maggiori, si è notato che non vi era alcun effetto di degradazione sulla formaldeide: questo perché la quantità di catalizzatore contenuto in una singola membrana è troppo bassa per trattare volumi di reagente più elevati.

A contenere la soluzione una piastra Petri di ampio diametro (15 cm) e altezza di circa 2 cm: l’ampio diametro garantisce spazio a sufficienza per posizionare la membrana ben stesa e immersa completamente nel liquido, l’altezza limitata consente di lavorare a una distanza ravvicinata dalla lampada UV, sfruttando al massimo l’intensità di quest’ultima.

La membrana viene divisa in due parti in modo da posizionarla al meglio all’interno della piastra, lasciando spazio sufficiente al centro per la rotazione dell’ancoretta magnetica: così facendo la membrana non viene degradata nel tempo o spostata dall’azione dell’ancoretta, grazie anche ai bulloni utilizzati per fissarla al fondo del recipiente.

Il mescolamento della soluzione durante lo svolgimento del processo si è dimostrato essere un fattore molto importante: le prime prove infatti, effettuate con un’ancoretta magnetica di dimensioni inferiori (0.8 cm di lunghezza e 0.3 cm di diametro), non hanno dato buoni risultati dal punto di vista della degradazione, probabilmente per il basso grado di mescolamento fornito. Una volta aumentate le dimensioni dell’ancoretta (2.0cm x 0.6 cm) il mescolamento è risultato essere più efficiente e si sono iniziati a vedere ottimi risultati nel processo di degradazione. La soluzione di reazione viene mantenuta in agitazione per circa 20-30 minuti prima di azionare la lampada UV e iniziare il processo di fotocatalisi, in modo da omogeneizzare la concentrazione di formaldeide all’interno della piastra.

La lampada utilizzata è, come già detto, la UV-Stylo E16 (Light Progress), caratterizzata da una lunghezza di 30 cm, una potenza di emissione di 16 W e una lunghezza d’onda propria della radiazione pari a 254 nm.

Dalle misure di irradianza effettuate sulla stessa lampada in lavori di tesi precedenti (Lauria, 2016) è emerso che i valori di massima intensità di radiazione si hanno nella parte centrale della

lampada, tra i 3 e i 21 cm della sua lunghezza. Le misure sono state effettuate su una sonda orientata frontalmente rispetto alla lampada e posta a una distanza di 1.5 cm da quest’ultima. Quindi anche nel caso in esame, in cui la soluzione di reazione all’interno della piastra è disposta frontalmente rispetto alla lampada, quest’ultima è stata posizionata in modo da sfruttare il tratto in cui l’irradianza è maggiore.

Una volta assicuratisi che la lampada sia al posto giusto, la si può accendere (al termine del tempo di miscelamento per omogeneizzare la concentrazione nella piastra) e dare così inizio al processo di fotocatalisi.

La durata del processo è pari a 4 ore, tempo necessario a rilevare una degradazione soddisfacente dell’inquinante. Durante lo svolgimento della reazione si effettuano quattro prelievi di 10 ml di soluzione con una pipetta volumetrica in vetro: uno al tempo zero (prima dell’accensione della lampada), uno dopo un’ora e uno dopo due ore dal momento di accensione della lampada, e infine l’ultimo al termine del processo.

I quattro estratti della soluzione di processo vengono sottoposti ad un processo di derivatizzazione prima di essere iniettati in un gascromatografo, in modo da far reagire la formaldeide presente al loro interno e trasformarla in un composto ben visibile e quantificabile dallo strumento di analisi.