Abbattimento polveri e riduzione dell'inquinamento atmosferico

Lo scopo del presente articolo di approfondimento è quello di rendere tutti consapevoli dell'utilità della nebulizzazione come metodo per combattere
l'inquinamento atmosferico e per l'abbattimento della polvere.

SITUAZIONE ATTUALE

Secondo Hans Bruyninckx, direttore esecutivo dell'Agenzia europea dell'ambiente (Agenzia dell'UE), "l'inquinamento atmosferico danneggia la salute umana e l'ambiente. In Europa, le emissioni di molti inquinanti atmosferici sono diminuite considerevolmente negli ultimi decenni, con conseguente miglioramento della qualità dell'aria in tutta la regione. 

Tuttavia, le concentrazioni di inquinanti atmosferici sono ancora troppo elevate e i problemi di qualità dell'aria persistono. Una percentuale significativa della popolazione europea vive in aree, in particolare nelle città, dove si verificano i superamenti degli standard di qualità dell'aria: l'inquinamento da ozono, biossido di azoto e particolato (PM) pone seri rischi per la salute. 

Diversi paesi hanno superato uno o più dei loro limiti di emissione fissati per 2010 per quattro importanti inquinanti atmosferici. La riduzione dell'inquinamento atmosferico rimane pertanto importante.

L'inquinamento atmosferico è un problema locale, paneuropeo e emisferico. Gli inquinanti atmosferici rilasciati in un paese possono essere trasportati nell'atmosfera, contribuendo o causando una scarsa qualità dell'aria altrove.

Il particolato, il biossido di azoto e l'ozono a livello del suolo sono ora generalmente riconosciuti come i tre inquinanti che incidono più significativamente sulla salute umana. Le esposizioni a lungo termine e di picco a questi inquinanti provocano effetti di gravità variabile, che vanno da disfunzioni dell'apparato respiratorio alla morte prematura. 

Circa il 90% degli abitanti delle città in Europa è esposto a sostanze inquinanti a concentrazioni superiori ai livelli di qualità dell'aria ritenuti nocivi per la salute. Ad esempio, è stato stimato che il particolato fine (PM2,5) nell'aria riduca di oltre otto mesi l'aspettativa di vita nell'UE. "

COS'È LA POLVERE

Le particelle di aerosol atmosferico – note anche come particolato atmosferico, particolato (PM, dall’inglese Particulate Matter), o particolato sospeso (SPM) – sono sostanze solide o liquide microscopiche sospese nell'atmosfera terrestre. Il termine aerosol si riferisce comunemente alla miscela di particolato/aria, in contrapposizione al particolato da solo. 

Le fonti di particolato possono essere naturali o antropogeniche.  Hanno ripercussioni sul clima e sulle precipitazioni che influiscono negativamente sulla salute umana.

I sottotipi di particelle atmosferiche includono particolato sospeso (SPM), particelle toraciche e respirabili, particelle grossolane inalabili, che sono particelle grossolane con un diametro compreso tra 2,5 e 10 micrometri (μm) (PM10) , particelle sottili con un diametro di 2,5 μm o meno (PM2,5) , particelle ultrafini e fuliggine.

Particelle più grandi di 10 μm si trovano anche nell'atmosfera, la rapida caduta generalmente limita la loro vita all'ordine delle ore, e poiché sono troppo grandi per essere respirabili, i loro impatti sulla salute sono considerati di minore importanza.
L'IARC e l'OMS designano i particolati volatili un cancerogeno del gruppo 1. 

I particolati sono la forma più letale di inquinamento atmosferico a causa alla loro capacità di penetrare in profondità nei polmoni e nei flussi di sangue senza essere, causando mutazioni permanenti del DNA, attacchi cardiaci, malattie respiratorie e morte prematura. Nel 2013, uno studio che ha coinvolto 312.944 persone in nove paesi europei ha rivelato che non esiste alcun livello sicuro di particolato e che per ogni aumento di 10 μg/m3 delle PM10, il tasso di carcinoma polmonare è salito del 22%. 

Le più sottili PM2,5 sono particolarmente letali, con un aumento del 36% del cancro polmonare per 10 μg/m3, in quanto possono penetrare più in profondità nei polmoni. L'esposizione mondiale al PM2,5 ha contribuito a 4,1 milioni di decessi per malattie cardiache e ictus, cancro ai polmoni, malattie polmonari croniche e infezioni respiratorie nel 2016. Complessivamente, il particolato ambientale è il sesto fattore di rischio principale per la morte prematura a livello globale.

Le fonti primarie di PM derivano da attività sia umane che naturali. Una porzione significativa di fonti di PM è generata da una varietà di attività umane (antropogena). Questi tipi di attività
includono operazioni agricole, processi industriali, combustione di legna e combustibili fossili, attività di costruzione e demolizione e trascinamento della polvere stradale nell'aria. Anche le fonti naturali (non antropogeniche o biogeniche) contribuiscono al problema generale del PM. Queste includono polvere a vento e incendi boschivi.

Traffico (25%) , combustione e agricoltura (22%) , combustione di combustibili domestici (20%) ,polvere naturale e sale (18%) e attività industriali (15%) sono le principali fonti di particolato che contribuiscono all'inquinamento atmosferico delle città. Tuttavia, ci sono differenze significative tra le varie regioni del mondo.

Secondo l'OMS, nel 2012 l'inquinamento atmosferico dell'ambiente ha contribuito al 6,7% di tutti i decessi mondiali. In particolare, il 16% dei decessi per cancro polmonare, l'11% delle morti per malattie polmonari ostruttive croniche e più del 20% dei casi dicardiopatia ischemica e ictus sono associati a particelle fini ambientali. 

Il costo economico dei circa 600.000 decessi prematuri e delle malattie causate dall'inquinamento atmosferico nella regione europea dell'OMS nel 2010 è stato stimato in 1,5 mila miliardi di Euro.

Ciò che è stato detto sopra suggerisce che una delle caratteristiche principali delle particelle di particolato sembra essere la loro granulometria. Infatti questa caratteristica ha un impatto considerevole su qualsiasi sistema di controllo della polvere. A questo riguardo, qui di seguito alleghiamo una tabella che riassume i tratti principali dei vari tipi di polvere.

ORIGINE DELL'INQUINAMENTO DA POLVERI

Esiste ormai un gran numero di ricerche sulle fonti di inquinamento da polvere in tutto il mondo, e ogni città o area ha le sue specifiche, a seconda della posizione, attività industriali nella regione, condizioni climatiche e meteorologiche.

In ogni caso, è chiaro che le fonti più rilevanti che contribuiscono alle emissioni di PM10 a livello europeo, con percentuali superiori al 2%, sono: centrali termiche e altri impianti a combustione (54,42%), produzione di ghisa o di acciaio, comprese fonderie a colata continua (9,15%), fabbricazione di prodotti ceramici tra cui piastrelle (7,02%), produzione di metalli grezzi non ferrosi da minerale (metallurgia) (3,49%), arrostimento di minerali metallici (compreso i solfuri) o impianti di sinterizzazione (3,45%), olio minerale e raffinerie di gas ( 3,44%) e la produzione di clinker di cemento o calce in forni rotanti o altre fornaci (2,12%).
Oltre a questo, la polvere proveniente dal traffico è una delle fonti non industriali più rilevanti di PM 10 e PM 2,5, provocata dagli scarichi, dal consumo di pneumatici, ecc.

LA NEBULIZZAZIONE E’ UNA SOLUZIONE?

L'uso della nebulizzazione in sistemi di abbattimento polvere è ampiamente riconosciuto come uno dei metodi per il contenimento e l’abbattimento delle polveri e del PM.

Un progetto finanziato dalla UE, denominato AIRUSE, fornisce alle autorità nazionali dei paesi dell'Europa meridionale misure appropriate per ridurre le concentrazioni di PM 2.5 e PM10 nell'aria. Una combinazione di diverse fonti di emissione (intrusioni di polvere) con una climatologia complessa (forte radiazione, alti tassi di conversione fotochimici, basso tasso di precipitazioni) aumenta significativamente i livelli di particelle nei paesi del Sud Europa e del Mediterraneo. (www.airuse.eu)

In una delle sue relazioni (RELAZIONE SULLE MISURE DI MITIGAZIONE NELL'EUROPA
MERIDIONALE) AIRUSE menziona quanto segue:

Le tecniche di nebulizzazione dell’acqua/cortine d'acqua: l'inumidimento di materiali sfusi è una tecnica praticamente provata per prevenire la formazione di polvere nelle attività di carico/scarico. La nebulizzazione può essere effettuata utilizzando un'installazione permanente o contenitori mobili (ad es. cisterne).

 Le cortine d’acqua sono, ad esempio, utilizzate per trattenere la polvere nella tramoggia quando la benna bivalve viene aperta sopra la cortina medesima. Un altro esempio è lo scarico dei materiali nei depositi di minerale effettuati tramite punti di scarico dai nastri trasportatori dotati di sistemi di nebulizzazione per il controllo delle polveri. La tecnica di nebulizzazione dell'acqua è semplice, ma l'applicazione è limitata a materiale sfuso non sensibile all'umidità. La nebulizzazione è particolarmente adatta per impianti già esistenti dove lo spazio per l'installazione di attrezzature addizionali di estrazione delle polveri non è sufficiente e dove sono disponibili risorse idriche.

 La tecnica della nebulizzazione (spruzzatura con nebbia d'acqua fine) impedisce al materiale di bagnarsi troppo. La nebulizzazione può essere utilizzata su cumuli, per il carico/scarico di cumuli e bunker di punta, il carico di navi con tramogge telescopiche e il carico di autocarri da silos.

Oltre ai campi di applicazione menzionati nel report, alcune altre applicazioni sono: soppressione ceneri di fonderia, contenimento delle polveri nei punti di trasferta dei nastri trasportatori, sistemi di carico bucket stacker reclaimer con sistema di abbattimento delle polveri, frantoi per rocc e minerali, contenimento dell'inquinamento da polveri in aree aperte, barriere anti polveri e così via.

Nella relazione, in particolare, la nebulizzazione è menzionata come una misura fondamentale per quanto segue:

4.3.1 centrali termiche e altri impianti di contribuzione
4.3.1.1 emissioni diffuse di PM

Le BAT (Best Available Technics - migliori tecniche disponibili) per la prevenzione delle emissioni dallo scarico, stoccaggio e movimentazione di carbone e lignite, e anche per additivi come calce, calcare, ammoniaca, ecc., sono:

• L'uso di attrezzature di carico e scarico che minimizzano l'altezza della caduta del combustibile
nella scorta, per ridurre la generazione di polveri diffuse.
• Nei paesi in cui non si verifica il congelamento, utilizzando sistemi di nebulizzazione dell'acqua per ridurre la formazione di polveri diffuse dalle scorte di carbone. In condizioni climatiche inferiori a zero ° c possono essere aggiunte all'acqua speciali additivi antigelo e le apparecchiature devono essere prodotte con soluzioni particolari. Per le fonti di inquinamento da polveri localizzate, per esempio, si può usare Light Coke Gas Oil.
• Copertura di scorte con coke di petrolio.

Il "Manuale di controllo della polvere per l'estrazione e la lavorazione di minerali industriali" del Dipartimento della Salute e dei Servizi Umani degli Stati Uniti afferma che "la polvere influisce sulla sicurezza dei lavoratori. Le cinque aree che in genere producono polveri che devono essere controllate sono le seguenti:

1. i punti di trasferimento dei sistemi di trasporto a nastro, dove il materiale cade mentre viene
trasferito ad un altro pezzo di equipaggiamento. Esempi includono lo scarico da un nastro
trasportatore a un altro nastro, o un contenitore di stoccaggio o un elevatore a benna.
2. processi specifici come la frantumazione, l'essiccazione, il vaglio, i vari tipi di miscelazione, lo
scarico dei sacchi ed il caricamento di autocarri o vagoni ferroviari.
3. operazioni che comportano lo spostamento di aria come il riempimento di sacchi,
pallettizzazione o riempimento pneumatico di silos.
4. aree esterne in cui le potenziali fonti di polvere sono incontrollate, come carotaggio e
perforazione di fori di esplosione.
5. aree esterne come le strade di trasporto, i cumuli di scorte e le varie aree bianche dove il
potenziale materiale sorgente di polveri è disturbato da varie attività legate all'estrazione e da eventi ad alto vento.

Probabilmente il metodo più antico e più spesso utilizzato di controllo della polvere nelle operazioni di lavorazione dei minerali è l'uso di nebulizzazione dell'acqua (sistemi a spruzzo
bagnato). In sostanza, poiché le polveri sottili vengono bagnate, aumentano il peso di ogni particella di polvere, diminuendo così la sua capacità di diventare volatile. Conglomerandosi tra loro, i gruppi di particelle diventano più pesanti, e diventa quindi più difficile per l'aria circostante trasportali. 

Le chiavi per un efficace controllo della polvere attraverso sistemi di nebulizzazione sono una corretta applicazione dell'umidità, il posizionamento preciso degli ugelli, il controllo delle dimensioni delle gocce, la scelta del corretto tipo e forma degli ugelli di nebulizzazione ed infine la corretta manutenzione delle apparecchiature.

I seguenti due metodi sono utilizzati per controllare la polvere utilizzando i cosiddetti “sistemi aspruzzo bagnato” (“wet spray systems”) alle operazioni di lavorazione dei minerali:

• Prevenzione delle polveri volatili ottenuta mediante nebulizzazione diretta sui minerali per
evitare che la polvere diventi aereo dispersa.
• Soppressione della polveri sospese, ossia l’abbattimento delle polveri già aereodisperse
umidificando la nuvola di polvere e causando così la collisione e la seguente agglomerazione delle
particelle con conseguente precipitazione delle stesse al suolo.
Nel Regno Unito, la "Guida IAQM sulla valutazione della polvere da demolizione e costruzione",
rilasciata dall'Istituto di gestione della qualità dell'aria (IAQM) ha stimato che le opere urbane
generano l'11% di PM10 e il 6% di PM2.5, e raccomandano:
• Nebulizzazione (spruzzatura dell'acqua) durante la costruzione, operazioni (movimento terra,
demolizione, livellamento)
• Lavaggio dei camion (non solo le ruote e la parte inferiore, ma anche il resto del veicolo) prima
di lasciare l'area di accesso al sito. I camion devono essere lavati ogni volta che lasciano il sito.

Questi sopraindicati sono solo alcuni dei vari documenti che raccomandano l'uso di nebulizzazione per il controllo delle polveri, tutti riportando la necessità di aumentare la consapevolezza della necessità di agire per diminuire l'inquinamento atmosferico da particelle aerodisperse per migliorare la pulizia dell'aria e la situazione ecologica.

COME FUNZIONA IL SISTEMA DI ABBATTIMENTO POLVERI

I sistemi di nebulizzazione utilizzati nella soppressione dell'inquinamento da PM10, si comportano come una combinazione di uno "scrubber bagnato" (cioè un dispositivo che rimuove le sostanze inquinanti dai flussi di gas attraverso spray o flussi fluidi che interagiscono con il flusso di gas stesso) e un filtro.
Infatti, la cortina di acqua nebulizzata agisce come un filtro che rende impossibile per la particella di polvere passare attraverso di essa senza collidere con qualche goccia prodotta dal sistema di nebulizzazione. Questo fenomeno è noto come processo di agglomerazione. Dopo che la particella di particolato viene assorbita dalla goccia d'acqua, la massa di quest'ultimo tende ad aumentare, facendola cadere a terra per effetto della gravità e con essa la particella al suo interno.

Quando si utilizza l'nebulizzazione, una delle considerazioni principali è la dimensione delle gocce. Se il diametro del gocciolina è molto maggiore del diametro della particella di polvere, la particella di polvere segue semplicemente le linee del flusso d'aria intorno alla goccia. Se la goccia d'acqua è di una dimensione paragonabile a quella della particella di polvere, il contatto si verifica in quanto la particella di polvere segue le linee di flusso e collide con la gocciolina (Figura 2.2).

Per la soppressione della polvere aerea, dove l'obiettivo è quello di abbattere la polvere esistente nell'aria, le goccioline d'acqua dovrebbero essere in intervalli di dimensioni simili alle particelle di polvere. 

L'intento è quello di far collidere le goccioline in modo che si attacchino (agglomerino) alle particelle di polvere, facendole cadere dall'aria. In particolare, il controllo dell'emissione di PM10 richiede goccioline d'acqua di dimensioni non superiori a 30 micron, per potersi attaccare alle particelle PM10.

Per un’agglomerazione ottimale, le dimensioni delle particelle e delle gocce d'acqua devono essere approssimativamente equivalenti. La probabilità di impatto inoltre aumenta quando la
dimensione delle gocce d’acqua diminuisce, in quanto alla diminuzione della dimensione delle gocce diminuisce ne aumenta il numero.

La figura 2.2 mostra come una gocciolina di dimensioni notevolmente più grandi della particella non è in grado di catturare tali particelle, permettendo alla particella di "scorrere" lungo le linee di flusso senza interazioni. È evidente che per catturare particelle di piccole dimensioni, come PM10 e PM2,5, sono necessarie goccioline di dimensioni comparabili.

In particolare, le dimensioni delle goccioline, per un flusso equivalente di acqua, sono una
funzione di:

• Numero ugelli: maggiore è il numero di ugelli, minore è la dimensione della gocciolina;
• pressione dell'acqua all'ugello: maggiore è la pressione, minore è la dimensione della gocciolina;
• Infine, dalla portata (la quantità di acqua utilizzata per unità di tempo).

Nella tabella seguente è possibile confrontare le diverse dimensioni delle gocce generate da
diverse pressioni e numero di ugelli a portate diverse:
Portata (l/min) Pressione (bar) N° di ugelli Dim. media goccia (μm)
Dimensioni gocce di nebbia ad alta pressione
6,5 60 30 12
11 70 30 18
15 70 30 22
33 70 60 45
33 70 156 17
42 70 60 48
42 70 156 18

Dimensioni gocce di nebbia a bassa pressione 
Portata (l/min) Pressione (bar) N° di ugelli Dim. media goccia (μm)
42 15 60 120
70 15 30 150
120 15 60 300

Come si vede nella tabella, i cannoni sparanebbia sono in grado di raggiungere tali dimensioni, producendo una nebbia fine grazie all'alta pressione applicata e all’elevato numero di ugelli con orifizio molto piccolo utilizzati, in relazione alla portata definita.
Riepilogando, è importante notare che per una portata equivalente di acqua, un minor numero di ugelli porta ad un aumento delle dimensioni delle gocce, e questo è vero sia per la bassa come per l'alta pressione.

COMPRENSIONE DELLE DIMENSIONI DELLE GOCCE

Il processo di generazione di gocce è chiamato atomizzazione. Il processo di atomizzazione inizia forzando il passaggio di un liquido attraverso un ugello. L'energia potenziale del liquido (misurata come pressione del liquido per ugelli idraulici o pressione dell'aria e del liquido per ugelli a due fluidi) insieme alla geometria dell'ugello fa sì che il liquido fuoriesca in forma di piccoli legamenti.

Questi legamenti poi si rompono ulteriormente in "pezzi" molto piccoli, che di solito sono chiamati gocce, goccioline o particelle liquide.

Ogni spruzzo fornisce una gamma di dimensioni di goccia; questa gamma viene definita distribuzione delle dimensioni delle gocce. Una semplice spiegazione di questo processo è la rottura del liquido all’uscita da un orifizio. La distribuzione delle dimensioni delle gocce dipenderà dal tipo di ugello e varierà significativamente da un tipo all'altro. Anche altri fattori come le proprietà del liquido, la capacità dell'ugello, la pressione e l'angolo di spruzzo influenzano la dimensione della goccia.

Per valutare le dimensioni delle gocce, vengono utilizzate diverse tecniche e sono necessari diversi strumenti di laboratorio. Le due tecniche sono denominate "spaziale" e "flusso", la prima utilizzando la misura sul volume, l'altra misurando la sezione trasversale. Senza entrare in dettagli tecnici, è importante confrontare i risultati e le dimensioni provenienti dalla stessa tecnica, in modo da confrontare misure omogenee.

In ogni caso, il test più utilizzato è in realtà il cosiddetto "Phase Doppler Particle Analizer (PDPA)".

Questo è uno strumento di campionamento del flusso e rientra nella categoria non-imaging
(contatore di particelle singole). Una routine di analisi dei dati viene utilizzata per convertire il
conteggio delle gocce RAW in una distribuzione significativa delle dimensioni delle gocce,
generalmente basata sullo standard ASTM E799-03. Questo standard viene utilizzato per
classificare i conteggi/diametri di goccia e anche per calcolare la distribuzione e i diametri
caratteristici o medi.

Phase Doppler Analizer

Il PDPA misura le dimensioni delle gocce nella gamma compresa tra 0,5 e 10.000 μm, utilizzando varie configurazioni ottiche. Il PDPA è il più adatto per ugelli a spruzzo a due fluidi, idraulici e piatti in ogni capacità. È ideale per la valutazione completa dello spray e dove sono richieste velocità di goccia. Uno schema di funzionamento del PDPA è mostrata nella figura.

La qualità e l'usura degli ugelli hanno un effetto rilevante sulle prestazioni degli ugelli. In genere, l'aspetto visuale dello spray si degrada e la portata e la dimensione della goccia aumentano. Ci sarà sicuramente una differenza nella dimensione di goccia tra un ugello nuovo ed uno usato.

POSIZIONAMENTO DI UN SISTEMA DI NEBULIZZAZIONE

A causa delle caratteristiche uniche di ogni applicazione, non ci sono regole fisse e veloci per localizzare specificamente gli ugelli spray nelle applicazioni di controllo dell'inquinamento PM10; tuttavia, le seguenti linee guida contribuiranno all'efficienza del sistema di nebulizzazione.

Per i sistemi di prevenzione dell'inquinamento da polvere, gli ugelli devono trovarsi a monte del punto di trasferimento in cui le emissioni di polveri, nella maggior parte dei casi, vengono create.

Per la prevenzione delle polveri sospese, gli ugelli devono trovarsi a una distanza ottimale dal materiale, abbastanza lontano da fornire la copertura necessaria, ma abbastanza vicino da far sì che le correnti aeree non portino le goccioline lontano dal bersaglio previsto.

Anche la dimensione delle gocce deve essere presa in considerazione quando si imposta la
distanza corretta. Per la soppressione delle polveri sospese, gli ugelli devono essere posizionati in modo da garantire la massima permanenza in aria delle gocce per aumentare il tempo di interazione con le particelle di polvere.