Foto-abbattimento di ammoniaca in acqua mediante utilizzo di biossido di titanio. Confronto tra diverse tipologie di reattori

Obiettivo di questo lavoro è stato quello di verificare la possibilità di utilizzare la fotocatalisi per purificare l’acqua dalla presenza dell’ammoniaca a basse concentrazioni, ovvero intorno alle 10 ppm, tipiche degli acquari domestici. A tale scopo sono state esaminate l’efficacia del biossido di titanio P25 Degussa utilizzato tal quale in sospensione per agitazione e quella dello stesso biossido di titanio strutturato in una particolare forma solida chiamata monolita. Tale struttura monolitica presenta l’enorme vantaggio di essere istantaneamente separabile dall’ambiente acquoso trattato per semplice rimozione.
E’ stato utilizzato un reattore batch da 3 dm3 contenente la soluzione acquosa (2 dm3 di acqua distillata e 0,01 dm3 di soluzione di NH3) una lampada UV da 13W o da 125W, un termometro per il controllo della temperatura, un agitatore con ancoretta magnetica; in alcune prove è stata fatta fluire dell’aria attraverso un ago posto all’interno del reattore.
Una volta posta la soluzione acquosa all’interno del reattore, si accende l’agitatore, si apre l’aria se necessario e si accende la lampada. Vengono effettuati, dei prelievi ogni 30, 60 o 120 minuti. Le analisi si conducono mediante cromatografia ionica con la quale si è valutata la presenza in soluzione di ioni NH4+ (nel caso dei cationi) e NO2- e NO3- (nel caso degli anioni). Il cromatografo adoperato è un 883 Basic IC plus della Metrohm. Nel caso di utilizzo del P25 Degussa (reattore slurry), prima di passare al cromatografo, le provettine contenenti i prelievi effettuati vengono fatte centrifugare.
In una prima fase del lavoro di tirocinio sono state messe a punto entrambe le analisi ottimizzando le seguenti condizioni operative:
- Analisi cationi: La fase mobile per l’analisi dello ione ammonio è costituita da una soluzione acquosa contenente 1,7 mmol/dm3 di HNO3 e 0,7 mmol/dm3 di acido 2,6-piridin dicarbossilico in 2 dm3 di acqua milliQ.
- Analisi anioni: La fase mobile per gli anioni è costituita da una soluzione acquosa contenente 1,8 mmol/dm3di Na2CO3 e 1,7 mmol/dm3 Na2HCO3 in 2 dm3 di acqua milliQ.
Il P25 Degussa permette di raggiungere una degradazione del 33%, migliore di quella ottenuta con il monolita (20%).
Per completare questo studio sono state svolte una cinetica con il reattore slurry P25 ma senza lampada e un’altra eseguita con la lampada da 13W ma senza catalizzatore: nel primo caso, dopo sei ore di reazione, si ha avuto una degradazione dell’8%, mentre nel secondo caso la degradazione è pari al 12%. Nel processo esaminato dunque vanno prese in considerazione sia effetti di adsorbimento che di fotolisi, ma entrambi danno risultati inferiori alla fotocatalisi.
Il monolita, pur garantendo attività inferiori a quelle del P25 in sospensione, non comporta problemi di separazione dalla soluzione ed è meno nocivo per le specie acquatiche, e pertanto nel complesso è preferibile da utilizzare. Per tale motivo è stato selezionato per una ulteriore fase del lavoro dove si è voluta verificare la sua resistenza per periodi di lavoro maggiore. Sono state svolte tre prove successive della durata di 6 ore ciascuna: nella prima si è ripetuta semplicemente la prova riportata in Fig. 2, nella seconda e nella terza si è ripristinata la concentrazione iniziale di ammoniaca senza cambiare mai il monolita presente. Questo tipo di prova simula quanto avviene in un ambiente reale, per esempio un acquario domestico, dove il livello di ammoniaca viene ripristinato nel tempo. Nel seguente grafico vengono riportati in ppm i valori relativi alla degradazione dell’ammoniaca e la formazione degli ioni nitrito e nitrato di ogni singola prova.
La degradazione dell’ammoniaca è circa costante nella prima e nella seconda prova, mentre inizia a diminuire nella terza. Per quanto riguarda i prodotti formati, mentre i nitriti (più tossici) restano a concentrazioni basse (sempre < 1 ppm) i nitrati (meno tossici) tendono ad accumularsi nel tempo.