Elettrocoagulazione

L’elettrocoagulazione è un processo elettrochimico tramite il quale cui elettrodi sacrificali, come alluminio, ferro e zinco, vengono utilizzati per formare ioni metallici che agiscono come coagulanti e attraggono specie con carica opposta. Il processo fu utilizzato per la prima volta a Londra nel 1889 per il trattamento delle acque reflue

Per tale motivo l’elettrocoagulazione è utilizzata nel trattamento delle acque reflue e acque industriali contenenti contaminanti difficili da rimuovere con trattamenti tradizionali come, ad esempio, la filtrazione o il trattamento chimico essendo in grado di rimuovere la torbidità, i metalli, gli oli, i batteri e altri contaminanti dall’acqua.

Tramite il processo di elettrocoagulazione si applica una corrente elettrica continua che consente la flocculazione di agenti contaminanti senza l’aggiunta di coagulanti costituiti da una miscela di additivi polimerici inorganici e organici  e poco ecosostenibili infatti spesso, nel caso della coagulazione chimica, i fanghi sono pericolosi o dannosi per l’ambiente. A causa della pericolosità dei fanghi, le aziende spendono notevoli quantità di denaro per il trattamento dei fanghi, il trasporto e lo smaltimento e, in alcuni casi, si spende più denaro per lo smaltimento dei fanghi risultanti che per il trattamento effettivo delle acque reflue stesse.  Tali problemi sono evitabili tramite l’elettrocoagulazione che riduce, rispetto alle tecniche tradizionali, la produzione di rifiuti.

Meccanismo dell’elettrocoagulazione

L’elettrocoagulazione si basa su processi elettrochimici, oltre che sulla coagulazione e flottazione e si basa sulla dissoluzione metallica di un coagulante prodotto in situ da un anodo sacrificale seguito dalla formazione di idrogeno gassoso e di uno ione idrossile al catodo con conseguente destabilizzazione degli inquinanti nelle acque reflue.

Il processo prevede l’ossidazione elettrolitica dell’anodo sacrificale, la formazione del coagulante in situ, la destabilizzazione e il conseguente successivo assorbimento degli inquinanti sui coagulanti come colloidi, l’aggregazione degli inquinanti colloidali e la rimozione mediante sedimentazione e flottazione.

A seconda dello scopo della depurazione, l’anodo e il catodo possono essere realizzati in materiali diversi come ferro, alluminio, acciaio inossidabile e platino, mentre i catodi possono essere realizzati in materiali come titanio o grafite.

Reazioni

All’anodo avvengono le due semireazioni di ossidazione:
2 H₂O → 4 H⁺ + O₂ + 4 e^–
4 OH^– → 2 H₂O + O₂ + 4 e^–
Al catodo avvengono le due semireazioni di riduzione:
2 H₂O + 2 e^– → 2 OH^– + H₂ ( in soluzione basica)
2 H₃O⁺ + 2 e^– → 2 H₂O + H₂ ( in soluzione acida)

Considerando un elettrodo di alluminio:
all’anodo avvengono le semireazioni:
Al → Al³⁺ + 3 e^–
Al³⁺ + 3  H₂O → Al(OH)₃ + 3 H⁺
al catodo in ambiente basico si forma lo ione tetraidrossoalluminato:
Al + 4 OH^– → [Al(OH)₄]^– + 3 e^–

Gli ioni alluminio che si formano nel corso della dissoluzione elettrolitica dell’anodo sacrificale prima di precipitare sotto forma di idrossido di alluminio che agisce da flocculante partecipa a reazioni in cui si forma, a seconda del pH, Al(OH)²⁺ e Al(OH)₂⁺.
Il ferro, quando utilizzato come elettrodo, comporta reazioni più complesse dovute all’interazione di due ioni ovvero Fe⁺² e Fe⁺³. Infatti all’anodo avvengono le semireazioni di ossidazione:
Fe → Fe²⁺ + 2 e^–
Fe²⁺ → Fe³⁺ + 1 e^–

Parametri del processo

I principali parametri operativi che influenzano il processo di elettrocoagulazione sono la distanza tra gli elettrodi, la loro configurazione, il pH della soluzione, il tipo di elettrodi e la densità di corrente applicata. La densità di corrente ovvero il vettore il cui flusso attraverso una superficie rappresenta la corrente elettrica che attraversa tale superficie gioca un ruolo fondamentale nell’elettrocoagulazione e determina la quantità di metallo disciolto, ovvero la quantità coagulante e influenza il meccanismo di rimozione dei contaminanti.

A bassa densità di corrente, prevale la sedimentazione mentre a densità di corrente più elevata prevale la flottazione. L’elettrodo di ferro presenta il vantaggio rispetto a quello alluminio perché ha un intervallo di pH più elevato per il funzionamento, bassa tossicità e formazione di fiocchi più pesanti. Nell’elettrocoagulazione può essere utilizzato anche un elettrodo di rame in cui gli ioni rame prodotti possono anche avere effetti antimicrobici. Ad un valore di pH > 7, si ottiene l’idrossido di rame (II) Cu(OH)₂ e l’ossido di rame (II) che possono agire come coagulanti.

A seconda del pH del mezzo acquoso si formano diversi idrossidi e complessi generati da ioni all’anodo sacrificale le cui strutture hanno grandi aree superficiali, cariche positive e proprietà idrofobiche che promuovono la loro interazione con molecole organiche e forniscono siti attivi per l’adsorbimento e causano la coagulazione.

Sebbene il processo di elettrocoagulazione sia ampiamente utilizzato per il trattamento di acque reflue, tuttavia, vi sono alcune limitazioni come il rapido consumo di anodi sacrificali, che porta alla loro sostituzione periodica e alla riduzione dell’efficienza del processo a causa del verificarsi della passivazione degli elettrodi.

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