Capitolo 7
Studio sperimentale della resistività del sedimento
La necessità di studiare la resistività del sedimento deriva dall’influenza che questa ha sulla migrazione degli ioni all’interno del sedimento marino contaminato, influendo sulla riuscita della sperimentazione. Questa analisi è stata impostata mettendo in relazione la resistività del sedimento con la salinità degli elettroliti in modo da valutare la resistività nel tempo, per gestire i cicli di sostituzione degli elettroliti. La resistività è stata valutata con misure di potenziale all’interno del sedimento; per fare questo è stato necessario inserire degli elettrodi all’interno del sedimento e collegarli ad un sistema di lettura.
7.1 Costruzione degli elettrodi e misurazioni
Per effettuare le misure di potenziale all’interno del sedimento marino è stato necessario progettare degli elettrodi da inserire a circa 50 cm di profondità all’interno del sedimento che fossero resistenti alla forte aggressività chimica (data dall’acidità raggiunta dal sedimento e dalla salinità), che fossero dotati di una resistenza meccanica all’inserimento e infine che avessero una lunga durata (fino a fine vita impianto).
Figura 7.1 Elettrodi da laboratorio in vetro.
Gli elettrodi da laboratorio hanno una punta in grafite amorfa e il corpo in vetro tubolare, all’interno del quale passa il filo per la misura elettrica. I materiali degli elettrodi da laboratorio sono perfettamente inerti ma la fragilità del vetro li rende di difficile utilizzo: in particolare danno problemi durante l’inserimento ma anche durante la permanenza in sito. In figura 7.1 è riportata la foto dei primi elettrodi in vetro utilizzati.
In alternativa agli elettrodi in vetro sono stati costruiti 20 elettrodi con struttura in alluminio ottenuta da una barra esternamente anodizzata di diametro 8mm, forata e filettata alle estremità con
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filettatura femmina M5. La barra in grafite di diametro 5mm è stata preparata con filettatura maschio M5 e montata all’estremità della barra in alluminio (Figura 7.2).
Figura 7.2 Punte in grafite filettate degli elettrodi.
La barra è stata inserita in un tubo di guaina termo restringente per proteggerla dalla corrosione chimica e per garantirne l’isolamento elettrico; la punta in grafite è stata protetta nella parte più debole, cioè al termine della filettatura, per migliorarne la resistenza meccanica. La protezione è stata ottenuta utilizzando una fasciatura di guaina auto agglomerante sia dentro che fuori la guaina termo restringente (Figura 7.2).
Con un semplice test è stata valutata la resistenza elettrica dell’accoppiamento alluminio-grafite. Per il collegamento elettrico è stata filettata anche l’altra estremità della barra di alluminio e con una vite di acciaio inox è stata fissato il capocorda del cablaggio per la misura elettrica.
Figura 7.3 Elettrodi rivestiti con guaina.
Le misurazioni di potenziale sono state fatte nei campi tra anodo e catodo e la distribuzione bidimensionale è stata fatta secondo la griglia in Figura 7.4 infiggendo gli elettrodi per circa 50 cm di profondità nel sedimento del bacino di trattamento SEKRET.
Fig
In Figura 7.5 sono visibili gli elettrodi p
mod.34970A AGILENT data acquisition/switch
Figura 7.4 Posizionamento degli elettrodi.
gli elettrodi posizionati e cablati per essere quindi data acquisition/switch unit.
Figura 7.5 Elettrodi cablati.
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La misura della resistività è un parametro interessante perché è correlato alla composizione del fluido contenuto nei vuoti del terreno e fornisce informazioni sulla chimica dei sedimenti. Nella messa a punto delle misure in campo è stato necessario considerare molti fattori, prima di tutto i disturbi che hanno influenzato le misure, come l'influenza dei pozzi e tubi sulla distribuzione del campo elettrico, e che sono stati inseriti nell’analisi del risultato. Inoltre, considerando che il campo elettrico applicato al sedimento per il risanamento elettrocinetico non può essere spento, è stato preso questo campo come l'origine della corrente applicata per le misure di resistività nonostante il segnale di campo elettrico applicato fosse irregolare e rumoroso perché generato da regolatori di corrente ad alta potenza.
Figura 7.6 Esempio di segnale di tensione in un anodo.
I regolatori di corrente funzionano adattando la tensione applicata in modo tale da ottenere in uscita il valore di corrente desiderato. Questi regolatori prendono in ingresso un segnale di corrente alternata e restituiscono in uscita un segnale di tensione più bassa in seguito raddrizzato con un ponte di diodi. I regolatori non forniscono in uscita una corrente stabile perché dopo il raddrizzamento non è presente nessun circuito di stabilizzazione (ad esempio condensatori). Il segnale quindi, pur avendo una frequenza ben definita è però irregolare, come mostrato in Figura 7.6 sinistra. Va inoltre considerato che il campo elettrico è generato da tutte le coppie di elettrodi che funzionano contemporaneamente e non soltanto dalla coppia di elettrodi studiata nel modello (Figura 7.7).
Fig. 7.7 Corrente generata nel sedimento.
Per quantificare l’intensità del segnale, invece di registrare l’intera forma d’onda, sono state misurate le componenti AC e DC del segnale stesso. La componente AC è la parte del segnale legata alle oscillazioni ad alta frequenza, il segnale DC invece rappresenta la media del segnale, segnale a frequenza zero, cioè il segnale teorico a corrente costante.
E’ stato poi calcolato il valore della efficace della tensione che è quello che effettivamente mobilizzerà gli ioni nel sedimento.
= + ²
In Figura 7.6 è mostrata la distribuzione della tensione efficace nei due campi prova installati sul campo.
7.2 Elaborazione dei dati
Le caratteristiche dell’elettrolita sono estremamente eterogenee e la composizione chimica varia nel tempo. Viene riportato un esempio di andamento della conduttività dei due elettroliti nell’impianto. Sia l’anolita (Figura 7.8) che il catolita (Figura 7.2) si arricchiscono progressivamente di ioni, determinando un continuo aumento della conduttività.
Nei due grafici si osservano 4 discontinuità che corrispondono agli istanti in cui è avvenuto un reintegro di acqua nei circuiti. L’elettrolita è stato reintegrato con aggiunta di acqua trattata.
Come si può notare, inoltre, l’incremento di conduttività non si verifica in egual misura in entrambi gli elettroliti ma ciascuno ha il proprio andamento peculiare. La conduttività dell’anolita cresce principalmente a causa della produzione di ioni H+ all’anodo e all’arricchimento dovuto al trasporto di ioni NO3- e Cl- attratti verso l’anodo. Il trend di crescita della conduttività infatti è pressoché
dal momento che la corrente elettrica applicata è a sua volta costante. Invece, al catolita la principale causa dell’incremento di condut
nella Figura 7.9 i dosaggi, molto ravvicinati (ogni circa 10 minuti) producono
della conduttività rispetto al trend medio, a causa della risposta della sonda al cambiamento repentino di conduttività dovuto all’immissione di acido concentrato (più conduttivo rispetto all’elettrolita). Nel caso del catolita
mobilità degli ioni nitrato (NO3-) che, seppur prodotti nella stes una conduttività minore rispetto a questi ultimi.
Figura 7.8 Esempio di andamento della conduttività nell’anolita.
Figura 7.9 Esempio di andamento della conduttività nel catolita.
I dati in ingresso sono la tensione efficace misurata e la corrente
ricavato la resistività puntuale; per avere una distribuzione su tutta la superficie sono stati elaborati i dati con un software di inversione della resistività
ottimizza la risposta cambiando la
e quella calcolata dal modello. Il risultato del calcolo del software di inversione è riportato in
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dal momento che la corrente elettrica applicata è a sua volta costante. Invece, al catolita la principale causa dell’incremento di conduttività è il dosaggio di acido nitrico. Come si può notare
7.9 i dosaggi, molto ravvicinati (ogni circa 10 minuti) producono
della conduttività rispetto al trend medio, a causa della risposta della sonda al cambiamento no di conduttività dovuto all’immissione di acido concentrato (più conduttivo rispetto trolita). Nel caso del catolita l’aumento di conduttività è più contenuto
) che, seppur prodotti nella stessa quantità degli ioni H una conduttività minore rispetto a questi ultimi.
Esempio di andamento della conduttività nell’anolita.
Esempio di andamento della conduttività nel catolita.
la tensione efficace misurata e la corrente nel sedimento dai quali abbiamo per avere una distribuzione su tutta la superficie sono stati elaborati i con un software di inversione della resistività che calcola tramite un modello la resistività ed la distribuzione di resistività per ridurre l’errore tra quella misurata Il risultato del calcolo del software di inversione è riportato in
dio sperimentale della resistività del sedimento
dal momento che la corrente elettrica applicata è a sua volta costante. Invece, al catolita la tività è il dosaggio di acido nitrico. Come si può notare 7.9 i dosaggi, molto ravvicinati (ogni circa 10 minuti) producono degli scostamenti della conduttività rispetto al trend medio, a causa della risposta della sonda al cambiamento no di conduttività dovuto all’immissione di acido concentrato (più conduttivo rispetto di conduttività è più contenuto a causa della minore sa quantità degli ioni H+, sviluppano
el sedimento dai quali abbiamo per avere una distribuzione su tutta la superficie sono stati elaborati i e un modello la resistività ed distribuzione di resistività per ridurre l’errore tra quella misurata Il risultato del calcolo del software di inversione è riportato in Figura
7.10, dove vediamo la distribuzione della resistività nello spazio tra gli elettrodi, in figura sono riportati anche i punti dove è stata fatta la misura di potenziale.
Figura 7.10 Distribuzione della resistività ottenuta dal calcolo.
Abbiamo quindi costruito un sistema di misurazione per il monitoraggio in continuo della resistenza dei sedimenti sottoposti a bonifica elettrocinetica in un impianto, sfruttando il campo elettrico principale applicato per la bonifica ed implementando un modello che riproducesse il campo elettrico effettivo, prodotto da tutte le coppie anodo-catodo operative contemporaneamente. Per mettere effettivamente in relazione i cambiamenti di conduttività dell’elettrolita con le variazioni di resistività del sedimento, il periodo del monitoraggio deve essere sufficientemente esteso. Nel corso delle prove sperimentali effettuate durante lo svolgimento della presente tesi non sono state osservate variazioni significative delle differenze di potenziale all’interno del sedimento. Queste variazioni non si sono verificate perché le variazioni di resistività del sedimento sono molto più lente delle variazioni di continuità degli elettroliti. Per valutare quindi queste variazioni deve essere acquisito un numero notevolmente maggiore di dati monitorando il sito a lungo termine e continuando le misure che sono attualmente in corso.
Lo studio effettuato evidenzia l’approssimazione di non aver considerato nel modello la geometria degli elettrodi che sono considerati puntuali nel modello ma nella realtà sono inseriti in pozzetti di circa 10 cm di diametro. Inoltre il posizionamento degli elettrodi di misura, distribuiti come in figura 7.4, dovrebbe essere rivisto e ottimizzato poiché l’attuale distribuzione, non prevedendo di fare misure sugli angoli, non garantisce un buon risultato della modellazione della resistività in quelle zone.
