Sistemi di decontaminazione elettrocinetica applicati alla bonifica di sedimenti marini contaminati da metalli pesanti ed IPA

2013 - 2014Principale obiettivo della presente ricerca è stato quello di studiare ed applicare la tecnologia di decontaminazione elettrocinetica per la bonifica di sedimenti marini co-contaminati da metalli pesanti ed IPA, utilizzando idonei agenti solubilizzanti quali i biotensioattivi, non tossici, biodegradabili ed economici. I sedimenti marini contaminati rappresentano oggigiorno una problematica ambientale estremamente complessa per la natura dei sedimenti, per gli ingenti volumi interessati e per il contesto in cui si deve intervenire. Risulta quindi fondamentale l’individuazione di opportune ed efficaci tecniche di trattamento al fine di poter eseguire tali interventi di risanamento in un quadro sinergico di sostenibilità tecnica, economica ed ambientale, anche in presenza di uno specifico quadro normativo non sempre univoco e chiaro. La presenza di più tipologie di contaminanti organici ed inorganici estremamente diversi tra loro rende significativamente più difficile l’individuazione di un’unica tecnica di trattamento. Le tecniche convenzionali quali quelle di tipo chimico (estrazione con solventi), termiche (desorbimento termico) o biologico risultano infatti efficaci solo su specifiche forme di contaminazione. Risulta quindi di fondamentale importanza lo studio, l’applicazione e l’ottimizzazione di mirate tecnologie di risanamento. In tal senso, le tecniche di decontaminazione elettrocinetica, fino ad oggi applicate con successo a suoli contaminati (Acar et al. 1993, Alcàntara et al. 2008, 2010, Pazos et al. 2010, Reddy et al. 1999, 2001, 2003, 2006, Xu et al. 2014), potrebbero rappresentare una scelta ottimale per la soluzione al problema, ad oggi però sulla loro potenzialità per il trattamento di sedimenti contaminati da metalli pesanti ed IPA, sono stati condotti limitati studi. Nel caso di contemporanea presenza di metalli pesanti e contaminanti organici come gli IPA, la decontaminazione elettrocinetica può rappresentare una soluzione ottimale per la rimozione in unico stadio. Si rende però necessario l’utilizzo di specifici agenti solubilizzanti per superare la limitazione dovuta alla bassa solubilità nell’acqua degli IPA e di metalli idrifobi come il mercurio, senza introdurre nella matrice sottoposta a trattamento nuove forme di contaminazione. In particolare è necessario focalizzare l’attenzione su fattori chiave del processo, quali l’individuazione di agenti solubilizzanti idonei e l’utilizzo di condizioni di processo finalizzate all’ottimizzazione dell’efficacia del trattamento. La sperimentazione svolta e descritta nel presente elaborato di tesi, ha previsto la conduzione di specifici test di trattamento elettrocinetico su campioni di sedimenti prelevati dai fondali della Rada di Augusta (SIN 4 – Priolo Gargallo - SR) mediante l’utilizzo di un setup bench-scale appositamente progettato e realizzato, con cui sono stati simulati dei trattamenti innovativi di decontaminazione elettrocinetica. La prima fase dell’attività sperimentale ha riguardato l’esecuzione di una serie di prove in batch in due cicli separati per selezionare il miglior agente condizionante e valutare l’effetto della concentrazione sulle efficienze di rimozione. Per la determinazione dell’idoneo agente solubilizzante da utilizzare, sono stati selezionati degli opportuni biotensioattivi tra gli esteri di glucosio, ovvero agenti solubilizzanti altamente innovativi per la loro non tossicità, biodegradabilità ed economicità. Sulla base dei dati forniti dalle prove sperimentali in batch, è stata selezionata la miscela di Sinerex SMO 20 - Doblyn ANX (50:50). La seconda fase dell’attività ha riguardato la progettazione e la realizzazione del setup sperimentale. Il Setup, realizzato a scala di laboratorio, è costituito principalmente da un reattore cilindrico con struttura in plexiglass (lunghezza= 25cm; ø= 9,20 cm), e due comparti (anodico e catodico) all’interno dei quali sono allocati i due elettrodi in acciaio inox. Gli elettrodi sono collegati elettricamente ad un generatore di tensione ed un multimetro. Sono stati svolti, preliminarmente, una serie di test EK su matrice sintetica al fine di verificare il corretto funzionamento idraulico ed elettrico del reattore sperimentale. Sui sedimenti reali da trattare è stata effettuata una caratterizzazione completa ed è stata rilevata un’alta concentrazione media di Hg pari a 28.20 mg/kg, mentre le concentrazioni di IPA sono risultate inferiori ai limiti di normativa. I trattamenti elettrocinetici sui sedimenti reali, sono stati condotti in 3 diverse condizioni operative, variando i tempi di trattamento e le forme di contaminazione. Infatti, nei primi due trattamenti ci si è concentrati sulla rimozione di Hg, mentre, nell’ultimo trattamento, è stata preventivamente effettuata una contaminazione artificiale con IPA, utilizzando una miscela di naphthalene, pyrene e benzo(a)antracene in parti uguali, ottenendo nei sedimenti un quantitativo di IPA pari a 54,90 mg/Kg. Le efficienze di rimozione ottenute sono state molto positive sul mercurio con decontaminazione fino all’80%, quando il test è durato 400 ore, e valori molto simili quando il test è durato 240 ore, utilizzando all’anodo la miscela al 5% di Sinerex SMO 20 - Doblyn ANX ed al catodo una soluzione 0,1 M di EDTA. E’ stato monitorato il Ph durante tutti i trattamenti. Per quanto riguarda l’efficienza di rimozione degli IPA, utilizzando gli stessi parametri operativi e le medesime soluzioni agli elettrodi, con un test della durata di 240 ore si sono ottenute efficienze di rimozione fino al 70% circa, con contemporanea rimozione dei metalli pesanti quali Hg (72%), Zn (66%), As (37%). I risultati e il monitoraggio dei parametri di processo, hanno confermato la riproducibilità della tecnica di trattamento innovativa adottata. E’ stata inoltre condotta un’analisi economica per definire la reale applicabilità delle tecniche testate in interventi di bonifica a scala reale. Dal confronto dei dati ricavati, si è riscontrata una particolare convenienza per impianti in grado di trattare in unico stadio almeno 50 m3 di sedimenti. I risultati ottenuti confermano che, il lavoro svolto nella presente ricerca ha ottimizzato le tecniche di decontaminazione elettrocinetica applicate a sedimenti co-contaminati da metalli pesanti ed IPA, massimizzando le efficienze di rimozioni in unico stadio. [a cura dell'autore]XIII n.s

Removal of Hg from Real Polluted Sediments Using Enhanced-EK Decontamination: Verification of Experimental Methods and Batch-Test Preliminary Results

The aim of the research is to apply a biosurfactant-enhanced-EK technology to marine sediment contaminated by high level of Hg. In this work, data from batch-tests using different novel biosurfactant agents were reported. In addition, a dedicated EK bench-scale apparatus was designed and carried out. Technical test was also performed to evaluate the optimal operating features of the EK bench-scale apparatus, assessing the influence of applied voltage and treatment time on the current intensity and electroosmotic flow. Batch experiments were conducted using two sugar esters as biosurfactants and EDTA salt at different concentrations. Results showed that the maximum extraction efficiency was observed for the biosurfactant Olimpicon GC (15%), for which the Hg extraction was shown to be 3.6-fold higher than for 0.2 M EDTA. From technical tests, the observed reduction of current intensity and electroosmotic flow with time highlights the necessity of using conditioning agents during the treatment. Data demonstrates also the good working features of the experimental apparatus. Preliminary results show that EK treatment jointly with biosurfactants such as sugar esters could be a better choice for the remediation of Hg-polluted sediments. The results obtained are of scientific and practical interest and can be used for further researches

Removal of Hg from Real Polluted Sediments Using Enhanced-EK Decontamination: Verification of Experimental Methods and Batch-Test Preliminary Results

The aim of the research is to apply a biosurfactant-enhanced-EK technology to marine sediment contaminated by high level of Hg. In this work, data from batch-tests using different novel biosurfactant agents were reported. In addition, a dedicated EK bench-scale apparatus was designed and carried out. Technical test was also performed to evaluate the optimal operating features of the EK bench-scale apparatus, assessing the influence of applied voltage and treatment time on the current intensity and electroosmotic flow. Batch experiments were conducted using two sugar esters as biosurfactants and EDTA salt at different concentrations. Results showed that the maximum extraction efficiency was observed for the biosurfactant Olimpicon GC (15%), for which the Hg extraction was shown to be 3.6-fold higher than for 0.2 M EDTA. From technical tests, the observed reduction of current intensity and electroosmotic flow with time highlights the necessity of using conditioning agents during the treatment. Data demonstrates also the good working features of the experimental apparatus. Preliminary results show that EK treatment jointly with biosurfactants such as sugar esters could be a better choice for the remediation of Hg-polluted sediments. The results obtained are of scientific and practical interest and can be used for further researches