Progetto Por Campania Fesr

Sistemi innovativi per la depurazione di acque di falda e reflue mediante tecnologie a radiazione solare e a basso consumo energetico basate sull’uso di ferro zero-valente supportato su semiconduttori dispersi in matrici polimeriche porose

Progetto di trasferimento tecnologico cofinanziato POR Campania FESR 2014-2020

 

Proponenti:

  • Cogei Srl
  • Università degli Studi di Salerno – DCB e DIIN

 

Obiettivo del progetto è la rimozione fotocatalitica di percloroetilene (PCE) da soluzioni acquose mediante un innovativo sistema fotocatalitico. Negli ultimi decenni sono state sviluppate metodologie di risanamento e trattamento dell’acqua tramite processi di ossidazione avanzata (AOPs). Un problema che limita tale processo è la progressiva ossidazione e disattivazione del catalizzatore utilizzato, il Fe°, risolto grazie all’accoppiamento con un semiconduttore (Sc) dalle proprietà fotocatalitiche, che è in grado di rigenerare il Fe°. Le polveri di Fe°/Sc risultano però svantaggiose dal punto di vista del recupero del catalizzatore dalle acque trattate.

Nell’ambito del progetto abbiamo dunque dimostrato l’efficacia fotocatalitica di un composito a base di Fe°/Sc disperso in una matrice polimerica, che presenta i seguenti vantaggi:

  • evita la dispersione del catalizzatore con le acque reflue;
  • aumenta la selettività della reazione catalitica;
  • preserva nel tempo l’efficacia del catalizzatore.

Il sistema proposto e altamente innovativo, in quanto non risultano, allo stato attuale, altri sistemi fotocatalitici immobilizzati in matrici polimeriche adoperati per la depurazione delle acque.

L’efficacia del sistema è stata prima testata e ottimizzata in laboratorio con le dotazioni già disponibili (un sistema batch realizzato in vetro in scala da laboratorio di ricerca), e poi verificata con sistemi sperimentali di dimensione e concezione sempre più vicina alla logica industriale.

Un primo passaggio di scala è stato realizzato attraverso un reattore ed un impianto definibili “pilota da laboratorio”. Il sistema opera ancora a ciclo chiuso, con un ricircolo dell’acqua, e con acqua “sintetica” (l’inquinante è aggiunto, in quantità note, ad acqua distillata), ma le portate sono di due ordini di grandezza superiori e il reattore in acciaio, di due ordini di grandezza superiore a quello in vetro, è già di concezione industriale, seppure adoperato con portate molto minori rispetto alle potenzialità.

Un secondo passaggio di scala è stato effettuato realizzando l’impianto pilota “industriale”, ovvero una versione ulteriormente evoluta dell’impianto di laboratorio, progettato e realizzato per operare con acque di falda reali e all’interno di un impianto di depurazione (Complesso Depurativo Alto Sarno). L’impianto opera in continuo, con portate attualmente ridotte a causa della scarsa disponibilità del fotocatalizzatore, rivelatosi di difficile produzione in tempi brevi, soprattutto nel contesto emergenziale determinato dalla pandemia ancora in atto. Tuttavia, i modelli matematici appositamente sviluppati e validati consentono di prevedere una capacità di trattamento delle acque di alcuni ordini di grandezza superiore rispetto al pilota di laboratorio, e dunque idonea ad una verifica sperimentale propedeutica alla successiva industrializzazione vera e propria, che richiederà un ulteriore passaggio di scala (e dunque la ri-progettazione del reattore).

Pur operando ancora in una scala ridotta, la comparazione con i metodi di abbattimento tradizionale del PCE (basati sull’impiego dei carboni attivi) consente di affermare che in sistema, una volta industrializzato, risulterà ampiamente migliorativo rispetto allo stato dell’arte, in quanto:

  • richiede reattori di volume ridotto rispetto alla dimensione dei filtri a carbone attivo;
  • ha costi di impianto poco superiori rispetto al sistema con carboni attivi;
  • ha costi di gestione molto ridotti, in quanto il catalizzatore resta attivo per un numero indefinito di cicli e il sistema non produce scarti da smaltire (come nel caso dei carboni attivi esausti);
  • l’eliminazione dei carboni attivi esausti ha impatti positivi anche sotto il profilo ambientale, in quanto non si genera un rifiuto industriale da smaltire.

 

Dopo aver verificato la scalabilità del processo di depurazione, in parallelo con i test sugli impianti pilota, la ricerca si è focalizzata anche sulla ottimizzazione del processo di produzione del fotocatalizzatore, rivelatosi un fattore limitante per lo sviluppo dimensionale del sistema.

Il processo di produzione del fotocatalizzatore immobilizzato prevede due macro-fasi:

  • la sintesi del fotocatalizzatore Fe°/Sc;
  • l’immobilizzazione del fotocatalizzatore in un aerogelo polimerico.

La prima macro-fase è relativamente semplice, e anche in laboratorio consente di ottenere volumi di fotocatalizzatore più che sufficienti per le esigenze sperimentali.

La seconda macro-fase, al contrario, è più complessa, in quanto prevede diversi passaggi manuali e poi una fase di “lavaggio” (estrazione) con anidride carbonica supercritica.

Un primo risultato è stato ottenuto migliorando le dotazioni tecniche del laboratorio, attraverso l’impiego di piccole attrezzature appositamente progettate e di un mantello riscaldante appositamente progettato e di grandi dimensioni; in questo modo, è stata aumentate di circa un ordine di grandezza la capacità di produrre l’aerogel in cui è disperso il fotocatalizzatore. A questo punto, il principale collo di bottiglia si è rivelata essere la fase di lavaggio con CO2, in quanto le dotazioni di laboratorio non consentono elevati volumi di trattamento, e l’acquisto di nuove specifiche dotazioni si sarebbe rivelato troppo oneroso nell’ambito del presente progetto.

I risultati conseguiti hanno consentito di procedere con la sperimentazione pilota, ma attualmente limitano eventuali ipotesi di ulteriore scale-up del sistema verso un impianto industriale. Per superare tale limite, è stata avviata una campagna di indagine finalizzata alla individuazione di eventuali fornitori esterni in grado di realizzare su commessa il processo di produzione del fotocatalizzatore immobilizzato nell’aerogelo polimerico. Attualmente sono stati individuati diversi partner potenziali, ma l’indagine dovrà continuare, a valle della conclusione del progetto, per verificare l’effettiva capacità delle aziende individuate di realizzare il processo già formulato; naturalmente sarà necessario rivedere il processo di produzione del composito polimero/fotocatalizzatore per adeguarlo alle tecnologie produttive del partner che si rivelerà maggiormente qualificato e collaborativo.

Le potenziali ricadute in ambito produttivo e territoriale sono correlate alla dimostrata capacità del sistema fotocatalitico di abbattere il PCE. Il prototipo di impianto pilota industriale è stato testato presso il Complesso Depurativo Alto Sarno (gestito dal Capofila Cogei), in quanto l’inquinante target è purtroppo presente nelle falde acquifere di quel territorio, e di altre aree industriali in Campania e fuori.

L’azienda proponente Cogei sarebbe in grado, una volta industrializzato il sistema, di produrre e commercializzare gli impianti di depurazione, con impatti economici significativi anche per l’indotto (Cogei essenzialmente progetta e assembla gli impianti, le cui singole componenti sono materialmente realizzate da fornitori del territorio).

Per quanto riguarda la produzione del composito polimero/fotocatalizzatore, una volta concluso lo scale-up del processo, si valuterà se produrre all’interno di Cogei, o tramite una controllata, il materiale innovativo, oppure rivolgersi a fornitori esterni. Attualmente, le aziende individuate come partner potenziali sono tutte extra-regionali, in quanto il processo di produzione degli aerogeli è ancora di nicchia.

Tuttavia, anche nel caso in cui si optasse per fornitori esterni, è possibile che almeno una parte del processo produttivo venga implementata tramite aziende del territorio, separando la sintesi del fotocatalizzatore (certamente alla portata di aziende chimiche campane) dalla fase di produzione del composito polimero/fotocatalizzatore, che prevede lo stadio intermedio di prduzione degli aerogeli, più complesso a dal punto di vista delle dotazioni tecniche e delle specifiche competenze necessarie. Ciò, oltre a mantenere una parte ulteriore della catena del valore sul territorio, offrirebbe il vantaggio di parcellizzare la conoscenza del processo di produzione da parte dei fornitori esterni, riducendo il rischio di comportamenti opportunistici da parte di un eventuale fornitore unico.

 

Il progetto è cofinanziato dall’Unione Europea, dallo Stato Italiano e dalla Regione Campania, con un contributo di € 580.064,01 nell’ambito del POR Campania FESR 2014-2020”.

www.ec.europa.eu

www.regione.campania.it

www.porfesr.regione.campania.it