Performance of a Two-Stage Ammonia Removal Technology Based on Advanced Oxidation Processes: Effects of Operating Conditions

L'aria che odora di ammoniaca è molto più di un semplice fastidio sgradevole; è un importante fattore di danno ambientale. Quando viene rilasciata nell'atmosfera, principalmente dalle attività agricole, questo gas contribuisce alla formazione di particelle sottili che degradano la qualità dell'aria, acidificano il suolo e l'acqua e causano un sovraccarico di nutrienti negli ecosistemi. Man mano che le norme ambientali diventano più stringenti, la sfida non è solo quella di rimuovere questo gas dai flussi di scarto, ma di farlo senza creare nuovi problemi, come acque reflue costose o elevati costi energetici. Gli scienziati da tempo guardano ai processi di ossidazione avanzata come a una soluzione. Si tratta di metodi che utilizzano potenti reazioni chimiche, spesso innescate dalla luce, per scomporre gli inquinanti. L'obiettivo è trasformare l'ammoniaca nociva in forme stabili e ossidate di azoto che possano potenzialmente essere catturate e riutilizzate, trasformando un prodotto di scarto in una risorsa.

Un team di ricercatori dell'Università Tecnica di Ostrava e l'azienda Dekonta hanno testato un sistema specifico a due stadi progettato per affrontare questo problema. Il loro lavoro si concentra su una tecnologia che utilizza prima la luce ultravioletta per trattare l'aria carica di ammoniaca e poi sposta i composti catturati in una fase liquida dove vengono trattati con perossido di idrogeno e ulteriore luce. I ricercatori volevano capire esattamente come le condizioni operative di questo sistema influenzino la sua capacità di rimuovere l'ammoniaca e quali specifici composti azotati rimangano. Erano particolarmente interessati a capire se potessero controllare il processo per produrre specie di azoto utili e recuperabili piuttosto che una miscela di sottoprodotti indesiderati.

L'esperimento è iniziato con aria contenente ammoniaca, che è stata generata facendo gorgogliare aria attraverso una soluzione di idrossido di ammonio. Quest'aria è entrata prima nello stadio iniziale del sistema, un reattore in acciaio inossidabile dotato di lampade a mercurio a bassa pressione che emettono luce ultravioletta a lunghezze d'onda specifiche. I ricercatori hanno scoperto che la presenza di vapore acqueo in questa fase era cruciale. Quando l'aria veniva umidificata, la rimozione dell'ammoniaca migliorava significativamente. Ciò suggerisce che il vapore acqueo aiuti a creare le specie reattive necessarie per scomporre l'ammoniaca. Anche senza la luce ultravioletta, parte dell'ammoniaca veniva rimossa semplicemente per assorbimento nell'acqua, ma la luce rendeva il processo molto più efficace. Questo primo stadio ha dimostrato che l'umidità controllata è un fattore chiave per preparare l'ammoniaca per il passaggio successivo.

Il secondo stadio della tecnologia è dove avviene la vera trasformazione. L'aria, ora carica dei prodotti del primo stadio, si sposta in uno scrubber a umido e poi attraverso una serie di reattori tubolari. Qui, il sistema utilizza una soluzione di perossido di idrogeno, che è un forte agente ossidante, combinata con la luce ultravioletta. Questa combinazione genera radicali ossidrilici, che sono molecole altamente reattive che attaccano i composti derivati dall'ammoniaca nell'acqua. I ricercatori hanno scoperto che il modo in cui veniva aggiunto il perossido di idrogeno era fondamentale. Aggiungendolo più frequentemente si manteneva una fornitura costante di ossidante disponibile, rendendo il processo più efficiente. Hanno anche osservato che la quantità di ammoniaca in ingresso cambiava il risultato. Quando il carico iniziale di ammoniaca era più elevato, il sistema produceva più azoto ossidato, ma l'equilibrio cambiava. Invece di convertire tutto in nitrato, una forma stabile di azoto, il processo lasciava dietro di sé più nitrito. Ciò indica che, con livelli di ammoniaca più alti, il sistema fatica a completare l'ultimo passaggio di trasformazione del nitrito in nitrato.

Il team ha dovuto affrontare anche un ostacolo pratico nelle proprie misurazioni. Inizialmente avevano cercato di misurare direttamente l'ammoniaca residua nell'acqua utilizzando un test chimico standard, ma hanno scoperto che il perossido di idrogeno nella soluzione interferiva con i risultati, rendendo i dati inattendibili. Per aggirare il problema, hanno misurato la quantità totale di azoto nell'acqua e monitorato le quantità specifiche di nitrito e nitrato. Osservando l'equilibrio di questi composti, sono riusciti a determinare con precisiono quanta ammoniaca fosse stata convertita. Hanno scoperto che lasciare semplicemente l'acqua ferma nei reattori più a lungo non migliorava automaticamente i risultati. Questa scoperta evidenzia che il movimento fisico del liquido e la disponibilità dell'agente ossidante sono importanti tanto quanto il tempo durante il quale la luce illumina la miscela.

Lo studio conclude che, sebbene la tecnologia a due stadi sia efficace, richiede una calibrazione attenta per funzionare al meglio. I ricercatori hanno scoperto che l'umidificazione dell'aria nel primo stadio potenzia le prestazioni e che la strategia di aggiunta del perossido di idrogeno nel secondo stadio determina l'efficienza della reazione. Tuttavia, il sistema ha un limite: quando viene introdotta troppa ammoniaca, il processo favorisce la formazione di nitrito rispetto al nitrato. Gli autori suggeriscono che i miglioramenti futuri dovrebbero concentrarsi sull'ottimizzazione del flusso e delle condizioni chimiche per spingere la conversione fino al nitrato, garantendo che il massimo quantitativo di azoto venga recuperato in una forma stabile e utile. Questo lavoro fornisce una chiara tabella di marcia per perfezionare una tecnologia che potrebbe aiutare a pulire l'aria pur recuperando risorse preziose dagli scarti.