La Cematek è in prevalenza orientata nella fornitura di impianti di concentrazione solvente di tipo statico modulare, di cui detiene proprie conoscenze specifiche, sviluppate da quasi dieci anni di collaborazione con laboratori di ricerca sui materiali microporosi, di sperimentazione a livello laboratorio ed impianto pilota, di avviamenti di impianti commerciali di potenzialità a compresa tra 20.000 - 100.000 Nm3/ora.
Lo sviluppo del processo di concentrazione solventi di tipo statico modulare è iniziato dieci anni fa con la partecipazione ad un progetto di ricerca denominato VOCSORBS, finanziato dalla Comunità Europea, e sostenuto dalla collaborazione scientifica di laboratori di ricerca su materiali microporosi e materiali compositi dei centri del CNR di Montelibretti e della ENEA di Casaccia.
Nei suoi impianti la Cematek impiega prevalentemente tre tipi di adsorbenti microporosi:
- Carbone attivo prodotto da gusci di cocco, formulato in scagliette da 2mm di dimensione, trattato acidi per la rimozione di ceneri fino ad un tenore finale di 1% peso;
- Zeolite idrofoba del tipo ZSM-5, formulata in sferule o cilindretti di diametro circa 1,6mm;
- Zeolite idrofoba del tipo Y, ad alto tenore di silice, formulata in sferule o cilindretti di diametro circa 1,6mm.
Le tre tipologie di adsorbenti hanno proprietà adsorbenti e caratteristiche cinetiche piuttosto diversificate l’una dall’altra, con possibilità di integrazioni tra loro con effetti positivi di elevato interesse; ciascuna tipologia di adsorbente presenta qualche incompatibilità nei confronti dei solventi contenuti nell’aria inquinata; ciascun tipo di adsorbente richiede condizioni di rigenerazione ottimali secondo la tipologia dei solventi adsorbiti.
- Letto di carbone attivo di spessore variante da 160-200 mm, in relazione ad una velocità di attraversamento dell’aria di 0,40 m/s, operante con temperatura di rigenerazione tra 100-140°C
- Letto di zeolite tipo ZSM-5 di spessore variante da 120-150 mm, in relazione ad una velocità di attraversamento dell’aria di 0,40 m/s, operante con temperatura di rigenerazione tra 120-200 C.
- Letto di zeolite tipo Y e letto di zeolite ZSM-5 per uno spessore totale variante da 140-180 mm, in relazione ad una velocità di attraversamento dell’aria di 0,35 m/s, operante con temperatura di rigenerazione tra 120-200°C. In caso di impiego delle due zeoliti, per diverse motivazione è opportuno mantenere segregate le due zeoliti e prevedere due letti sovrapposti e separati, con la zeolite Y che precede la zeolite ZSM-5.
La configurazione di tipo A ha un vasto campo di applicazione e può trattare aria inquinata con miscele di solventi di svariata composizione includente acetone, alcoli leggeri e pesanti, componenti organici acetati e componenti organici aromatici. Vi è qualche difficoltà nel trattare di miscele solventi ove una elevata concentrazione di isomeri di Xileni sono uniti a componenti leggeri quale acetone, alcoli leggeri ed etilacetato; in tal caso si richiedono spessori più elevati del letto adsorbente e si attuano cicli di rigenerazione particolari e più spinti.
Principalmente la configurazione tipo A è sconsigliata in presenza di componenti tipo chetoni, del metiletilchetone o MEK in particolare che, in concentrazione elevate, può innescare reazioni esotermiche.
La configurazione A, per il costo relativamente limitato dell’adsorbente, prospetta costi molto contenuti sia di investimento che di esercizio e qualora la presenza del metiletilchetone è marginale va adottata in preferenza.
Anche la configurazione B è di elevato interesse e permette il trattamento di aria inquinata con diverse tipologie di miscele solventi di svariata composizione includente acetone, alcoli leggeri e pesanti, componenti organici acetati e componenti chetonici e toluene. La zeolite non induce reazioni esotermiche in presenza di MEK, ma prospetta diversi problemi in presenza di isomeri dello Xilene. L’isomero orto-xilene per l’elevato ingombro molecolare ha difficoltà a penetrare nei micropori della zeolite ZSM-5; per di più le poche molecole dell’isomero che vengono adsorbite hanno difficoltà a fuoriuscire dai cristalli in fase di rigenerazione causando una progressiva disattivazione del letto.
La configurazione C si rende necessaria in presenza di componenti volatili pesanti, gli Xileni in particolare. La zeolite Y disposta in primo strato è in grado di adsorbire i solventi organici più pesanti ad elevata concentrazione e svolge funzione protettiva per il secondo strato di zeolite tipo ZSM-5.
La configurazione C non è compatibile con la presenza di Stirene che in fase di rigenerazione polimerizza all’interno della zeolite tipo Y.
In relazione ad un problema specifico di depurazione dell’aria è necessario disporre di un quadro chiaro e completo della presenza e concentrazione degli inquinanti volatili in miscela tra loro e presenti nella corrente di aria da depurare. L’adozione dell’adsorbente più idoneo, lo spessore del letto adsorbente vengono definite sulla base della composizione della miscela di inquinanti e della loro composizione.
La complessità delle miscele di solventi ha una influenza non secondaria nel dimensionamento di un impianto di concentrazione solventi. L’adsorbimento ed il desorbimento di miscela di solventi particolarmente complesse procede con prestazioni dell’adsorbente sensibilmente inferiori rispetto ad un sistema ad unico componente.
I componenti volatili presenti nella miscela solvente vengono adsorbiti con minore efficienza in caso di compresenza di componenti pesanti e tendono a ridurre il tempo disponibile per la fase di adsorbimento; i componenti pesanti adsorbiti sono rilasciati con più difficoltà e tendono ad incrementare il tempo della fase di rigenerazione. In queste condizioni il processo di concentrazione deve operare con una frequenza di alternanza di fasi ridotta ed a parità di resa depurativa è richiesta una quantità di adsorbente sensibilmente più alta.
Il dimensionamento dell’impianto di concentrazione viene verificato con una modello matematico di simulazione del processo di adsorbimento – desorbimento, che tiene conto delle caratteristiche microporose dell’adsorbente, della forma e dimensione delle particelle, della miscela solventi da depurare.
Il modello, elaborato con elevato profilo scientifico e specifico per i sistemi a più componenti, considera le correlazioni di equilibrio termodinamico tra fase gassosa e fase adsorbente, i meccanismi delle cinetiche di trasporto delle specie chimiche, i fenomeni dell’onda termica che si propaga nel letto in fase di rigenerazione.
Il processo di concentrazione solventi del tipo modulare statico può essere applicato per concentrazioni di solventi varianti da 0,2-1,0 g/Nm3 e risulta particolarmente competitivo per concentrazioni inferiori a 0,80 g/Nm3. Possono essere realizzati impianti di capacità compresa tra 20.000 fino 90.000 Nm3/ora, accoppiati ad un unico impianto di combustione catalitica che in preferenza depura la corrente di aria concentrata proveniente da due moduli in ciclo di rigenerazione sfalsata.
Si opera normalmente con rapporto di concentrazione compreso tra 8-10.
Secondo le esigenze specifiche le rese globali del processo sono definite tra 0,92÷0,98.
L’adozione della combustione catalitica del tipo recuperativo permette di operare quasi sempre in condizioni prossime all’autotermia.
La Cematek svolge un servizio di analisi e controllo sugli adsorbenti ed catalizzatori installati negli impianti operanti, con prelievo di campioni su cui sono effettuate determinandone le caratteristiche strutturale e verificandone le prestazioni funzionali in impianto pilota, con il trascorrere del tempo. Tale servizio ha permesso di accumulare informazioni e conoscenze approfondite circa le cause più gravose di sporcamento e perdite di attività, di disporre adeguate strategie per contenere efficacemente tali fenomeni, di formulare procedure efficienti per la riattivazione in impianto o esterna di adsorbenti e catalizzatori.