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Cella elettrochimica a letto fluido

La cella elettrochimica a letto fluido viene anche prodotta per essere utilmente impiegata come camera di ionizzazione per prevenire la crescita di alghe ed i micro-organismi nelle acque ed in particolare nei reflui oleosi della lavorazione dei metalli evitando di impiegare i costosi e tossici prodotti chimici che vengono attualmente impiegati a questo fine. L’elevata area superficiale degli elettrodi consente di impiegare ridottissime tensioni facendo fluire il refluo nella cella che diventa una camera di ionizzazione dove gli specifici ioni generati attaccano ed uccidono i batteri e varie alghe senza presentare gli effetti collaterali che sono associati con la disinfezione chimica. In aggiunta, le particelle elettricamente cariche, esercitano in generale una mutua attrazione tra loro provocando l’agglomerazione delle alghe morte e dei batteri in modo tale che la successiva filtrazione del refluo permetta la rimozione di queste biomasse dal refluo trattato.

Inoltre, la purificazione delle acque di scarico, a bassa concentrazione di ioni metallici, effettuata con celle normali -a geometria catodica fissa-, avviene con rendimenti troppo bassi. L’elettrolisi a “letto fluido” è la risposta ottimale a queste problematiche e si pone come sistema indispensabile per trattare reflui contenenti metalli in basse concentrazioni.Numerosi processi industriali comportano lo scarico di reflui acquosi contenenti ioni di metalli pesanti.

Si possono citare ad esempio le industrie galvaniche, le raffinerie di metalli ed anche vari processi di chimica organica, che usano metalli pesanti come catalizzatori. Spesso questi reflui contengono ioni metallici in concentrazione molto bassa, da 2 g/L a qualche p.p.m. La rimozione di detti ioni per via tradizionale quale la flocculazione, lo scambio ionico, l’incenerimento, la cementazione è una problematica molto costosa.

ELETTROLISI A LETTO FLUIDO
L’elettrolisi a letto fluido è un mezzo semplice di rimozione che consente di risolvere il problema dei reflui a bassa concentrazione di metalli, in modo impiantisticamente semplice, economico ed efficace.
A differenza della deposizione elettrolitica convenzionale, l’elettrolisi a letto fluido opera con un catodo mobile, appunto il letto fluido, costituito da un gran numero di particelle metalliche sferiche od ovoidali mantenute in sospensione dal flusso del refluo da depurare.

Il contatto elettrico tra le particelle in sospensione e in costante movimento, è assicurato da un catodo a varie geometrie che funge da distributore di corrente. Le particelle sospese nel comparto catodico e caricate elettricamente si arricchiscono per deposizione elettrolitica del metallo o dei metalli contenuti nel refluo da trattare. Essi aumentano quindi di peso separandosi dalla sospensione per precipitazione. Un diaframma separa il comparto catodico da quello anodico, che contiene un anodo convenzionale fisso immerso in una soluzione diluita di adeguato acido.

Per effetto della differenza di potenziale applicata agli elettrodi, il passaggio di corrente comporta la deposizione del metallo sul catodo mobile con accrescimento delle particelle metalliche e la scarica di un corrispondente anione nella soluzione dell’anolita.

I vantaggi derivanti dalla possibilità di realizzare con il letto fluido superfici catodiche elevatissime (la somma dell’area superficiale di ciascuna particella) sono molteplici, tra questi si pone in evidenza la possibilità di lavorare con correnti catodiche basse, ottenendo rendimenti molto elevati.
Inoltre le celle a letto fluido consentono di operare con dimensioni di cella notevolmente ridotte ed alte intensità di corrente.

Lavorando con celle normali, vale a dire a geometria catodica ben definita e stabilizzata, o con superfici fisse o con forme rigidamente limitate, è necessario operare con soluzioni a concentrazioni intorno o superiori ai 5-10 g/l di metallo nel refluo.  Al disotto di questi valori si avrebbero inevitabilmente scariche di idrogeno perché si dovrebbe lavorare, date le basse concentrazioni, a densità di corrente molto limitata e quindi con catodi di superficie enorme e conseguentemente con celle estremamente ingombranti e con notevoli spese.

CARATTERISTICHE DI FUNZIONAMENTO DELLA CELLA
Le caratteristiche di una cella elettrolitica convenzionale ad elettrodi piani e fissi e quelle di una cella ad elettrodi mobili quali quelli del letto fluido sono riportate di seguito.

   CELLA CONVENZIONALE  CELLA A LETTO FLUIDO
 Cathod area
 Cell M2/m3
16 3500 
 Current density
 Cell KA/m3
2.5 - 10 15 - 50
 Power transmission line KA/m2 0.15 - 1.6 0.004 - 0.015
 Metal conc. in the waste to be
 treated g/L
30 - 150 0.001 - 2

L’elevata area catodica attiva consente densità specifiche (A/m2) catodiche molto basse anche con forti intensità di corrente, (l’intensità di corrente è qui definita come rapporto dell’amperaggio per unità di volume della cella).

L’area specifica catodica è circa 200 volte maggiore che in una cella convenzionale ad elettrodi piani e quindi le densità di corrente sono 40 volte minori, anche se si possono impiegare densità di corrente 5 volte maggiori.

Ciò consente di trattare soluzioni con concentrazioni di ioni metallici molto basse con rendimenti di corrente sufficientemente elevati (si noti che con rendimento di corrente si intende il rapporto tra il valore teorico della corrente necessaria per realizzare la deposizione ed il valore della corrente realmente assorbita dalla cella ed erogata dal raddrizzatore).

Nei processi di elettrolisi convenzionale con soluzioni a concentrazione maggiore di 50 g/L il valore di rendimento di corrente scende al 7-8%. Con il processo a letto fluido è possibile ottenere valori di rendimento superiori all’80%.

ALCUNE APPLICAZIONI CONVENZIONALI DELLE CELLE A LETTO FLUIDO
1. Depurazione di soluzioni acquose contenenti ioni di rame, cadmio, cobalto, nichel, zinco, cromo, quali acque di risciacquo dei bagni galvanici. Ad esempio una soluzione contenente 100 p.p.m. di rame può essere depurata fino a meno di 1 p.p.m. di rame con un solo passaggio e con un rendimento di corrente intorno al 70%.
2. Depurazione dei reflui delle industrie conciarie come trattamento finale per il recupero del cromo, dopo il lavaggio acido delle ceneri dei forni di incenerimento.
3. Idrometallurgia, recupero dei metalli (rame, cobalto, nichel, ecc.) da soluzioni povere di liscivazione acida dei minerali.
4. Lavorazione dei metalli nobili per il recupero quantitativo dei metalli dalle soluzioni dei loro sali.

Nel settore del trattamento dei reflui industriali, con bassa concentrazione di ioni metallici, i risultati ottenuti sono stati molto incoraggianti sia dal punto di vista tecnico che da quello economico. Il costo di esercizio si riduce drasticamente con l’automazione totale dell’impianto.

A seconda delle capacità di trattamento richieste, le celle possono lavorare in continuo od in “batch” fino all’esaurimento dei metalli da rimuovere. Per questo motivo si prestano anche per piccole aziende che possono accumulare in vasche o serbatoi i reflui da trattare.

Va infine ricordato che la separazione delle particelle metalliche  dalla soluzione di catolita non presenta alcun problema.
Il processo delle celle elettrolitiche a letto fluido consente di raggiungere i valori imposti dalle vigenti leggi per gli scarichi contenenti ioni di metalli pesanti direttamente a bocca di impianto.
La cella a letto fluido rappresenta la risposta ottimale ai problemi ambientali connessi ai reflui contenenti metalli  in basse concentrazioni ed al tempo stesso apre nuove opportunità commerciali ad elevato contenuto economico.