IT201900010164A1 - Sistema fotocatalitico modulare - Google Patents

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water
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IT102019000010164A
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English (en)
Inventor
Donato Vincenzi
Micol Boschetti
Paolo Bernardoni
Carlo Alberto Bignozzi
Stefano Caramori
Vito Cristino
Luisa Pasti
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Univ Degli Studi Di Ferrara
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Description

Invenzione industriale dal titolo:
“Sistema fotocatalitico modulare”
FAMPOGI APPIIFAZIONE
La presente invenzione riguarda un dispositivo solare costituito da un sistema modulare completamente stand-alone che integra tandem di foto-anodi e celle fotovoltaiche in una configurazione a cella foto-elettrochimica.
Alla base dell’invenzione sta l’esposizione alla radiazione solare del foto-anodo, costituito principalmente da materiale semiconduttore, ingrado di assorbire una prima porzione di spettro, consentire la foto-ossidazione delle sostanze organiche contenute in acqua e di promuovere la trasmissione di una seconda porzione dello spettro solare, per la quale il dispositivo fotovoltaico presenta un’elevata efficienza di conversione e consente l’innalzamento del potenziale del fotoanodo rispetto all’elettrodo catodico per la generazione di idrogeno solare come valore aggiunto al processo di decontaminazione.
La singola cella foto-elettrochimica, generalmente costituita da anodo, catodo ed elettrolita è, in tale invenzione, formata da un foto-anodo preferibilmente in triossido di tungsteno, un catodo in materiale metallico e come elettrolita può essere utilizzata acqua reflua, proveniente da scarichi urbani e industriali.
La caratteristica, che differenzia la presente invenzione rispetto alla letteratura di riferimento, è rappresentata dall’inclusione nel dispositivo di componenti elettroniche che permettono di sfruttare celle fotovoltaiche, preferibilmente insilicio, per l’innalzamento del potenziale, utile alla produzione di idrogeno solare. Fondamentale risulta la presenza di un microcontrollore programmabile integrato nel dispositivo che consente di effettuare cicli di polarizzazione e depolarizzazione, vantaggiosi per il ripristino dell’efficienza del foto-anodo.
PROBLEMA TECNICO
Negli ultimi anni, la popolazione mondiale è in notevole aumento e le risorse di acqua dolce devono essere tali da soddisfare la crescente richiesta di acqua potabile.
A tal proposito, la comunità scientifica ha mostrato un crescente e preoccupato interesse nei confronti di una classe di inquinanti denominata “microinquinanti organici emergenti”.
L’industrializzazione di molti Paesi comporta un utilizzo a livello globale di prodotti chimici, quali vernici o prodotti di pulizia, sempre più difficili da degradare. Il settore della moda, ad esempio, è posizionato al secondo posto, dopo l’oil&gas, tra i settori più inquinanti per l’utilizzo di coloranti e prodotti chimici necessari al trattamento dei tessuti. Tali prodotti vengono ritrovati sotto forma di inquinanti nelle acque di scarico industriali e quindi riversate nei bacini idrici superficiali. Gli stessi pesticidi utilizzati in agricoltura o antibiotici e stimolanti della crescita, utilizzati negli allevamenti di tipo intensivo, rappresentano un pericolo per la salute umana a causa delle infiltrazioni nel sottosuolo e quindi nelle acque sotterranee.
In aggiunta, negli ultimi decenni, si è riscontrato un forte aumento nell’uso e abuso da parte dell’uomo di sostanze quali antibiotici, farmaci e droghe.
L’insorgere della presenza di queste categorie di inquinanti, rischiose per la tutela della salute umana e dell’ambiente, attribuiscono loro il nome di “emergenti” rispetto agli inquinanti convenzionali. Le loro, ancora fortunatamente, ridotte concentrazioni nelle acque reflue e primarie, consentono di classificarli come “microinquinanti”.
A livello europeo la problematica viene affrontata sia dal punto di vista delle fonti di produzione e utilizzo, sia dal punto di vista del controllo della quantità di microinquinanti organici emergenti rilasciati nei corpi idrici superficiali.
A causa delle normative più stringenti relative alla qualità delle acque potabili e degli effluenti, risulta sempre maggiore la necessità di implementare sistemi innovativi da affiancare agli attuali impianti di decontaminazione che non sono in grado di rimuovere completamente i microinquinanti dalle acque reflue industriali, urbane o domestiche.
Negli attuali impianti di trattamento per le acque reflue si ha una linea delle acque e una linea dei fanghi, originati durante le fasi di trattamento.
La linea delle acque consiste in una serie di fasi di trattamento. La maggior parte dei processi meccanici corrisponde a pretrattamenti e trattamenti primari; i trattamenti secondari comprendono processi biologici e quelli di tipo terziario prevedono trattamenti chimico-fisici. I processi chimico-fisici comprendono la neutralizzazione, l’ossidoriduzione, la precipitazione chimica, lo stripping, l’adsorbimento a carboni attivi, lo scambio ionico, l’elettrodialisi, l’osmosi inversa, l’ultrafiltrazione, la disinfezione, la clorazione al punto di rottura.
Tra questi, l’ozono viene impiegato come metodo innovativo di disinfezione e di rimozione dei microinquinanti, ma ha lo svantaggio di essere un gas altamente instabile, e quindi pericoloso, ed altamente costoso come sistema di trattamento. I processi di fotolisi dell’ozono, inoltre, (WO 2017192101) tendono a consumare molta energia a causa della bassa solubilità dell’O3 in acqua e soffrono di inconvenienti tra cui l’elevato utilizzo di reagenti chimici.
Tra i vari processi chimico-fisici sono inclusi quelli basati sullo sfruttamento della luce solare, in particolare i processi foto-elettrochimici. Tali processi sfruttano normalmente le celle fotoelettrochimiche (PEF photoelectrochemical cell) al fine di produrre idrogeno. In realtà il setup sperimentale di base che consente la fotodegradazione degli inquinanti e la produzione di idrogeno solare è lo stesso. Una cella fotoelettrochimica è tipicamente costituita dall’accoppiamento tra un foto-anodo in materiale semiconduttore e un catodo, entrambi immersi in una soluzione elettrolitica.
Il foto-anodo è costituito da un catalizzatore che viene attivato dalla radiazione solare avviando il processo di fotocatalisi, il quale consente la fotodegradazione delle sostanze organiche contenute in acqua. Sul catodo, invece si hanno reazioni di riduzione con conseguente formazione di idrogeno secondo le seguenti equazioni:
2H2O 4h<+ >� O2 4H<+ >; E<0 >= 1.23V vs. NHE (nel compartimento anodico della cella)
4H<+ >+ 4e<- >� 2H2 ; E<0 >= 0V vs. NHE (nel compartimento catodico della cella)
Sfortunatamente, mentre quest’ultima reazione di riduzione protonica è relativamente semplice, la foto-ossidazione dell’acqua, che avviene nel contatto anodico, non è una reazione semplice. Questo perché la richiesta della perdita di 4 elettroni e 4 protoni è esigente dal punto di vista termodinamico e cinetico. La formazione dei radicali ossidrile intermedi, infatti, richiede un potenziale di 2.85V:
Tali richieste possono essere soddisfatte utilizzando alcuni ossidi metallici il cui band gap sia favorevole alla formazione dei radicali
intermedi.
Foto-anodi basati su ossidi metallici come il biossido di titanio TiO2, il triossido di tungsteno WO3 e l’ematite α-Fe2O3, sono stati largamente studiati grazie alla loro stabilità chimica in soluzione acquosa e un alto rate di corrente generata per radiazione incidente quando operano in celle PEF. In particolare il WO3 mostra proprietà di trasferimento di carica e conduttività migliori rispetto all’ematite e assorbe una porzione del visibile rispetto al TiO2, il quale lavora solamente nel range dell’UV.
Un importante parametro che rientra a fare parte delle caratteristiche chimiche dei reflui e relativo ai processi di degradazione delle sostanze organiche è la domanda chimica di ossigeno (Chemical Oxigen Gemand) COD. Tale parametro rappresenta la quantità di ossigeno per unità di volume, e quindi la concentrazione, richiesta per ossidare chimicamente le sostanze organiche, biodegradabili e non, presenti in un campione di acqua reflua. Il suo abbattimento, in percentuale, determina l’abbattimento del carico organico presente nel refluo.
BACKGROUNG DELL’INVENZIONE
Per inquadrare lo stato dell’arte al fine di comprendere il background dell’invenzione, vengono citati alcuni documenti brevettuali riguardanti diverse applicazioni delle più generali celle fotoelettrochimiche evidenziando le caratteristiche e il funzionamento, in confronto al dispositivo oggetto della presente invenzione.
In particolare, di seguito si riportano documenti brevettuali relativi al trattamento delle acque per ossidazione, tramite azione fotocatalitica.
FN 104341022 A descrive un dispositivo di trattamento comprendente un serbatoio di sedimentazione, uno di raccolta dell’acqua, accoppiati ad una serie di lampade UV, e uno di fluidizzazione superficiale. Le pareti interne dei serbatoi di sedimentazione e di raccolta sono rivestite da materiale nano-fotocatalitico.
FN 105481048 A descrive un reattore di trattamento delle acque per ossidazione fotocatalitica a luce visibile. L’involucro esterno è costituito principalmente uno strato catalitico e una lampada LED. Come catalizzatore si utilizza una lega titanio-cobalto su una superficie di ftalocianina. L’acqua inquinata entra dal fondo del reattore e penetra lentamente nello strato di reazione. Quest’ultimo eccita i radicali idrossili, i radicali dell’ossigeno e il perossido di idrogeno sotto irradiazione di luce visibile al fine di ossidare gli inquinanti e decomporre i gas.
FN 104341022 A descrive un metodo di ossidazione fotocatalitica in radiazione UV, che comprende l’aggiunta di un catalizzatore mescolato uniformemente con le acque reflue. I catalizzatori utilizzati sono Il TiO2, FdS e V2O5. Il composto ottenuto viene fatto passare in un serbatoio di reazione ed illuminato da radiazione UV, preferibilmente a 185 o 254 nmaggiungendo ozono o aria per l’innesco delle reazioni di ossidazione, ottenendo anidride carbonica e acqua.
I tre documenti citati utilizzano come fonte di radiazione UV o visibile, lampade UV o LEd che devono essere quindi alimentate e non prevedono la presenza di un vero e proprio foto-anodo, in quanto il catalizzatore è distribuito su pareti di serbatoi o mescolato direttamente alla soluzione. A differenza del dispositivo oggetto di questa invenzione, quindi, i documenti citati hanno bisogno di un’alimentazione esterna, non prevedono la presenza di un foto-anodo e di una parte elettronica autoalimentata che consenta una costante efficienza del foto-anodo stesso.
Molti documenti brevettuali descrivono dispositivi per la foto-elettrolisi dell'acqua ("scissione dell'acqua"): i primi studi con elettrodi di TiO2 e Pt risalgono al lavoro di Honda et al., (Nature, (1972), v. 238, pp. 37). Gi pochi anni dopo è il documento brevettuale US 4793910 A che rappresenta una delle prime celle fotoelettrochimiche multi-elettrodo, in cui sono contenuti almeno due elettrodi bipolari per produrre H2 e O2 senza bias esterno, illuminati da una lampada allo xeno. Una delle forme realizzate prevede una cella foto-elettrochimica multi-elettrodo TiO2/Pt bipolare fabbricata con cinque pannelli in serie.
Le due pubblicazioni brevettuali citate in seguito descrivono soluzioni simili per struttura e funzionamento, ma comunque prive della componente elettronica di cui è dotato il dispositivo oggetto della presente invenzione, che permette il mantenimento dell’efficienza del foto-anodo, e non uniscono l’utilizzo per la decontaminazione delle acque.
WO 0102624 A1 descrive sostanzialmente una cella di Grätzel, ossia un sistema fotoelettrochimico tandem costituito da due celle connesse elettricamente in serie, che consente il processo di separazione dell’acqua in idrogeno e ossigeno tramite luce visibile. Il materiale fotoattivo è un ossido semiconduttore, come WO3 o Fe2O3 in contatto con la soluzione acquosa. Tale materiale assorbe la radiazione nelle lunghezze d’onda blu e verde generando protoni e ossigeno dall’acqua. Ie componenti rossa e gialla dello spettro solare, non assorbite dal materiale foto-attivo, sono trasmesse ad una seconda foto-cella montata in direzione della luce incidente sul retro della prima, comprendente un GSSF (Gye-Sensitized Solar Fell) in TiO2. Tale sistema non prevede quindi l’utilizzo di celle fotovoltaiche preferibilmente in Si direttamente integrate sul circuito elettronico.
GB 2414243 descrive un sistema fotoelettrochimico per la divisione di un elettrolita in idrogeno tramite l’utilizzo di luce e composto da due celle elettricamente connesse. Ia prima include un elettrodo foto-attivo comprendente un substrato in vetro ricoperto da uno strato conduttivo e un film di WO3, operativo quando in contatto con l’elettrolita, assorbendo luce e producendo fotoni. Ia seconda cella prevede l’utilizzo di celle fotovoltaiche in Si, al posto del GSSF in TiO2, accrescendo il voltaggio, migliorando la durabilità e mostrandosi meno costoso. Gi tale dispositivo viene descritto anche il sistema di pompaggio e di raccolta dell’idrogeno. Anche in questo caso però non vengono citate componenti elettroniche che consentano cicli di polarizzazione per il mantenimento dell’efficienza foto-anodica.
Fome precedentemente anticipato, le due questioni della fotodegradazione degli inquinanti e della produzione di idrogeno solare vengono spesso trattate separatamente quando invece il setup di base è lo stesso.
La strada alternativa è quella di sfruttare il sistema foto-elettrochimico per entrambi gli scopi di ossidazione delle sostanze organiche o produzione di idrogeno. Si cita a tal proposito il seguente documento brevettuale, nel quale però non viene comunque indicata la presenza di circuiti elettronici.
WO 2017192101 descrive una cella fotoelettrochimica che comprende almeno un catodo e almeno un anodo, in cui l’anodo è costituito da un materiale (non viene citato il WO3) configurato per la reazione di ossidazione anodica sulle acque di scarico e almeno uno, tra l’anodo e il catodo, comprende un materiale otticamente permeabile, configurante il catodo per cooperare con l’anodo per pilotare una o più reazioni di riduzione catodica in presenza di acqua di scarico.
SOLUZIONE AL PROBLEMA TECNICO L’oggetto di questa invenzione è un dispositivo fotocatalitico modulare stand-alone basato su tandem di foto-anodi 1 preferibilmente in triossido di tungsteno colloidale 2 e celle fotovoltaiche 7 preferibilmente in silicio.
A differenza dei dispositivi elencati nei precedenti documenti brevettuali il sistema oggetto della presente invenzione, sfrutta la configurazione a cella tandemsia alloscopodi rimozione del carico organico, sia per la produzione di idrogeno come valore aggiunto al processo di decontaminazione.
Fon riferimento al documento brevettuale WO 2007094019, il filmdi WO3 colloidale 2 è realizzato tramite metodo sol-gel. La tecnica prevede la formazione di una soluzione di WO3 colloidale trasparente. Tale soluzione colloidale è formata trattando un sale di tungstato, preferibilmente un tungstato di metallo alcalino come il tungstato di sodio, in un mezzo acido per dare come risultato un gel di WO3. La reazione viene condotta in un solvente protonico, preferibilmente acqua a cui aggiungere preferibilmente un acido minerale forte come l’acido cloridrico. Per rendere la soluzione colloidale, il gel viene aggiunto ad acido carbossilico o policarbossilico.
La pasta colloidale ottenuta utilizzando tale procedura può essere vantaggiosamente depositata tramite screen printing o doctor blading, riducendo i costi effettivi. Ne risulta un filmdi spessore fino ai 2-3 micron richiesti dai sistemi fotoelettrochimici al fine di generare alte fotocorrenti.
L’ossido semiconduttore 2, come il triossido di tungsteno, funge quindi da catalizzatore. Tale catalizzatore aderisce direttamente su un substrato di vetro conduttivo 3 che costituisce la finestra di isolamento tra l’ambiente esterno (acqua da trattare) e la parte interna del dispositivo.
La superficie esterna 10 del substrato in vetro è resa conduttiva dalla presenza di un filmsottile di FTO 4 (Fluorine doped Tin Oxide) depositato preferibilmente per pirolisi spray. Tale film è in grado di formare un contatto elettrico con il WO32 depositato al di sopra di esso, grazie alla bassa resistività, e risulta, inoltre, otticamente trasparente alla radiazione incidente 9.
Il filmdi WO32 risulta opaco alla radiazione UV e alla porzione di radiazione solare visibile con lunghezza d’onda inferiore a circa 435 nm. In tale range spettrale il catalizzatore 2 viene fotoeccitato producendo i radicali OH ̇ utili alla degradazione delle sostanze organiche contenute in acqua, con le quali il catalizzatore 2 stesso si trova a diretto contatto.
La radiazione a lunghezza d’onda maggiore 12 viene, invece, trasmessa attraverso il foto-anodo 1 raggiungendo i dispositivi fotovoltaici 7. Tali celle fotovoltaiche 7 sono collocate all’interno del dispositivo affacciato verso la superficie interna 11 del vetro e generano una differenza di potenziale di 2V utilizzata per innalzare il potenziale del foto-anodo 1 rispetto al catodo 5. Tale processo consente di utilizzare gli elettroni accumulati nel contatto catodico per la generazione di idrogeno. Ie reazioni di ossidazione e riduzione, infatti, avvengono solo nel momento in cui le coppie elettrone-lacuna foto-generate possiedono il necessario potenziale di ossidoriduzione.
Nonostante non sia necessaria una manutenzione funzionale, il WO3, come tutti gli ossidi semiconduttori, subisce effetti di saturazione che limitano la capacità fotocatalitica in condizioni operative, dovute ad effetti di polarizzazione, conseguenza della presenza di alti valori di bias. Risultano pertanto necessari cicli di polarizzazione inversa che permettano il ripristino dell’efficienza del foto-anodo 1.
Per tale ragione è prevista all’interno del dispositivo oggetto di questa invenzione, l’integrazione di un circuito stampato 15 il quale, oltre ad integrare le celle fotovoltaiche 7 sul lato 18 rivolto al foto-anodo 1, ospita i componenti elettronici 22 per il pilotaggio del biasing anodico saldati sul lato del circuito 21 rivolto verso il catodo 5.
Tale caratteristica differenzia il dispositivo oggetto della presente invenzione, da tutti i dispositivi descritti nei documenti brevettuali citati.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Le caratteristiche e i vantaggi relativi alla presente invenzione saranno meglio compresi nella seguente descrizione dettagliata in riferimento ai disegni allegati, forniti a puro titolo esemplificativo e non limitativo in cui:
- la figura 1 rappresenta schematicamente il foto-anodo integrato nel dispositivo;
- la figura 2 è una rappresentazione schematica degli elementi chiave della cella fotoelettrochimica accoppiata alle celle fotovoltaiche, vista in sezione e posta all’interno di un compartimento contenente la soluzione acquosa da trattare;
- la figura 3 rappresenta lo schema del singolo dispositivo visto in sezione e posto all’interno della soluzione acquosa da trattare;
- la figura 4 mostra una rappresentazione del singolo dispositivo;
- la figura 5 mostra una rappresentazione del sistema modulare composto dai singoli dispositivi;
- la figura 6 mostra il grafico dell’andamento della foto-corrente prodotta dal foto-anodo; - la figura 7 mostra i risultati di abbattimento di COD.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA Nella Figura 1 è riportata la rappresentazione schematica del foto-anodo 1 integrato nel dispositivo oggetto della presente invenzione. Tale elettrodo anodico 1 è costituito da:
- un film di ossido semiconduttore 2, preferibilmente WO3, che funge da catalizzatore con la funzione di assorbire la radiazione solare convertendola incoppie elettrone-lacuna con energia di attivazione tale da permettere la demolizione dei composti organici presenti nella soluzione acquosa;
- un substrato di vetro 3 reso conduttivo dalla presenza di uno strato di film conduttivo FTO 4 depositato tra il substrato e l’ossido semiconduttore.
La componente chiave di un sistema fotoelettrochimico è la cella foto-elettrochimica.
In figura 2 sono rappresentati schematicamente gli elementi basilari della cella fotoelettrochimica (foto-anodo 1, catodo 5 e soluzione acquosa 6) che utilizza celle fotovoltaiche 7, inserita all’interno di un compartimento 8 contente la soluzione acquosa da trattare 6. Il foto-anodo 1 è posto in una configurazione tandem con le celle fotovoltaiche 7.
La radiazione 9 entra nel sistema da sinistra in figura attraversando il contenitore 8, preferibilmente in vetro o plexiglass, e la soluzione acquosa 6. Tale radiazione incide poi sulla superficie esterna 10 del foto-anodo 1 su cui è depositato in parte il WO3 (2) e in parte l’FTO4. Il foto-anodo 1 separa la soluzione acquosa 6, all’esterno del dispositivo, dalla parte interna in cui sono presenti le celle fotovoltaiche 7.
Ia parte interna del dispositivo affacciata verso la superficie interna 11 del substrato in vetro contiene le celle fotovoltaiche 7, preferibilmente in silicio monocristallino, a contatti posteriori interdigitati e connesse in serie, preferibilmente in un numero pari a 4 moduli, ciascuno di 64 mm<2 >di area.
Tali celle sono alimentate dalla parte di radiazione 12 non assorbita da parte del foto-anodo 1 e quindi trasmessa verso la parte interna del dispositivo. Tali moduli aumentano di circa 2V, rispetto al catodo 5, il potenziale del foto-anodo 1, al quale sono collegate tramite il contatto elettrico 13, assicurando la massima efficienza di separazione di carica e la massima velocità di fotoossidazione diretta o mediata da sostanze organiche.
Le celle fotovoltaiche 7 sono, infine collegate al catodo metallico 5 attraverso il contatto elettrico 14. In tal modo la tensione fornita permette di utilizzare gli elettroni, accumulati sul contatto catodico durante i processi di ossidoriduzione, per la produzione di idrogeno. In figura 3 si rappresenta lo schema del dispositivo oggetto della presente invenzione in sezione trasversale. Rispetto alla cella fotoelettrochimica in configurazione tandem con le celle fotovoltaiche 7 descritta in figura 2, si descrive il dispositivo completo.
Nella parte interna del dispositivo si trova un circuito stampato 15, o Printed Fircuit Board (PFB). Tale elemento è in contatto con lo strato conduttivo FTO 4 del foto-anodo 1 e con il catodo 5, rispettivamente tramite i contatti 16 e 17. Il circuito elettronico 15 integra direttamente sulla superficie 18, rivolta verso il foto-anodo 1, le celle fotovoltaiche creando i contatti 19 e 20, rispettivamente con i contatti positivi e negativi delle celle fotovoltaiche 7.
Sulla superficie del PFB 21 rivolta verso il catodo sono, invece integrati i componenti elettronici 22, per il pilotaggio del biasing anodico in grado di gestire in particolare tramite microprocessore, cicli di polarizzazione e depolarizzazione necessari per il ripristino dell’efficienza fotocatalitica del foto-anodo 1. Tale microprocessore è motorizzato direttamente dalle celle fotovoltaiche 7 e opportunamente programmato per fornire il voltaggio richiesto nei tempi necessari.
Il dispositivo è racchiuso all’interno di un guscio esterno 23 preferibilmente in PVF, che racchiude l’intera cella tandem e il circuito elettronico 15, lasciando esposti all’acqua solamente la superficie esterna 10 del foto-anodo 1 e il catodo 5.
Ie celle fotovoltaiche 7, il circuito stampato 15 e i componenti elettronici 22 non devono essere esposti alla soluzione acquosa 6, perciò il dispositivo risulta protetto da un incapsulante posto direttamente sul lato 21 del circuito stampato che lo rende impermeabile all’acqua, resistente alla temperatura e alla corrosione.
La figura 4 mostra la rappresentazione del dispositivo 24 nei singoli componenti descritti schematicamente in figura 3, evidenziando la disposizione e i collegamenti tra le varie parti.
La figura 5 mostra la rappresentazione del sistema modulare costituito dai singoli dispositivi 24, assemblati l’uno accanto all’altro in una configurazione ad anello 25. Ciascun anello 25 viene poi impilato ad altri anelli in una struttura cilindrica 26. Tale struttura è inserita, assieme alla soluzione acquosa 6, nell’intercapedine di due superfici anch’esse di forma cilindrica, una esterna 27 ed una interna 28.
La figura 6 mostra il grafico dell’andamento della foto-corrente prodotta dal foto-anodo 1. Sono state effettuate misure di crono-amperometria valutando la foto-corrente prodotta dal foto-anodo in funzione del tempo.
La figura 7 mostra il grafico relativo ai risultati di abbattimento di COD ottenuti utilizzando il dispositivo oggetto della presente invenzione su 22.5 ml di una soluzione di atenololo 10 ppm e Na2SO40.7 mMin acqua.
FORME REALIZZATIVE
L’aspetto conveniente riguardante la forma cilindrica del sistema modulare descritto in figura 5 e costituito dai dispositivi oggetto della presente invenzione, è dato dal fatto che durante l’arco della giornata una parte del sistema cilindrico è sempre rivolta alla radiazione diretta proveniente dal sole.
In una particolare forma realizzativa il sistema descritto in figura 5 può essere disposto in un array di dispositivi affiancati l’uno all’altro, formante una superficie piana racchiusa tra due superfici in vetro o plexiglass, all’interno della quale possa scorrere l’acqua da trattare 6, in flusso sul fronte del dispositivo dove è presente il fotoanodo 1 e sul retro del dispositivo in cui si trova il catodo 5.
In questo caso, la superficie piana potrebbe essere vantaggiosamente inclinata, e integrata ad una opportuna struttura di sostegno fissata, favorendo l’esposizione alla radiazione solare incidente del foto-anodo 1.
Alternativamente, la struttura di sostegno potrebbe essere mobile ed integrata ad un apparato di inseguimento solare al fine di mantenere costante durante l’arco della giornata l’esposizione alla radiazione del sistema oggetto della presente invenzione.
Nel caso in cui la struttura del sistema sia cilindrica 26 come descritto in figura 5, il sistema di pompaggio per il ricircolo dell’acqua può essere posto all’esterno del sistema oppure integrato all’interno della struttura cilindrica stessa, creando un apparato maggiormente compatto.
Il sistema di pompaggio può essere alimentato dall’esterno, oppure ricevere alimentazione da parte di un pannello fotovoltaico rendendo l’intero apparato, composto dal sistema oggetto della presente invenzione e il sistema di pompaggio per il ricircolo dell’acqua, completamente autoalimentato.
Il flusso della soluzione acquosa 6 in ricircolo all’interno del sistema può essere regolato a partire dal sistema di pompaggio. In caso di flusso laminare, la probabilità che i radicali entrino in contatto con le sostanze inquinanti è maggiore, rendendo più veloce l’abbattimento di COD.
In una particolare forma realizzativa, per consentire il funzionamento del sistema anche in ore notturne, esso può essere integrato con un sistema di illuminazione a led disposto in modo da irradiare i foto-anodi al fine di permettere un funzionamento continuo. Tale sistema di illuminazione potrebbe essere alimentato dall’esterno oppure potrebbe vantaggiosamente sfruttare l’energia raccolta durante la giornata da un sistema fotovoltaico eventualmente affiancato all’apparato.
UTILIZZO INDUSTRIALE
A fronte delle nuove normative sulla gestione sostenibile delle risorse idriche, sono sempre più richieste nuove tecniche di decontaminazione delle acque reflue, soprattutto per quanto riguarda gli inquinanti emergenti quali antibiotici, droghe, farmaci e prodotti chimici industriali.
L’oggetto di questa invenzione è un sistema completamente autonomo, sostenibile e scalabile industrialmente, in grado di sfruttare la sola energia solare ed affiancabile agli attuali sistemi di trattamento delle acque.
Il catalizzatore utilizzato è caratterizzato da una attività fotocatalitica non selettiva e pertanto può essere utilizzato sia per il trattamento di acque derivanti da processi agricoli e industriali, di acque reflue urbane, sia per la potabilizzazione di acque di falda.
La corrente che attraversa i due dispositivi, utilizzata per l’azione fotocatalitica e per l’elettrolisi dell’acqua, è una frazione della corrente prodotta dalle celle fotovoltaiche. La restante corrente può essere vantaggiosamente utilizzata per alimentare un circuito elettronico miniaturizzato che gestisce in maniera autonoma i cicli di polarizzazione e depolarizzazione del fotoanodo, al fine di garantire sempre un funzionamento efficiente ed incrementare la vita utile del dispositivo.
La struttura modulare del sistema lo rende espandibile a seconda del volume d’acqua da trattare e adattabile a diverse tipologie di impianto di trattamento delle acque.
Un dispositivo che consenta la pronunciata azione fotocatalitica del WO3 con un sistema di biasing integrato che abiliti la generazione di H2 e che, nel contempo, gestisca autonomamente i cicli di depolarizzazione, costituisce un vantaggio tecnologico con ampie ricadute applicative.

Claims (17)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un sistema foto-elettrochimico per la fotoossidazione di sostanze organiche e produzione di idrogeno da soluzione acquosa, che funge da elettrolita, utilizzando la radiazione solare, completamente stand-alone e modulare, costituito da dispositivi foto-elettrochimici (24) i quali comprendono ciascuno principalmente: a) una configurazione tandem di una cella costituita dall’elettrodo foto-attivo (1) in contatto con la soluzione acquosa (6) in grado di produrre radicali ossidrile da radiazione solare (9) al fine di ossidare le sostanze organiche presenti in soluzione acquosa (6) e una cella costituita da celle fotovoltaiche (7) in grado di generare il voltaggio necessario per la riduzione dei protoni generati in idrogeno, sviluppato su un secondo elettrodo (5) a contatto con la soluzione acquosa. b) un circuito integrato (15) alimentato dalle celle fotovoltaiche per la gestione dei cicli di polarizzazione e depolarizzazione dell’elettrodo foto-attivo.
  2. 2. Un dispositivo foto-elettrochimico (24), costituente il sistema in riferimento alla rivendicazione 1, che integra tandem di un elettrodo foto-attivo (1) denominato foto-anodo e celle fotovoltaiche (7), elettricamente connessi.
  3. 3. Un dispositivo (24) di cui alla rivendicazione 2, incui il foto-anodo(1) è costituito da un substrato preferibilmente invetro (3), un filmconduttivo (4) e un materiale foto-attivo (2), sostanzialmente un ossido semiconduttore depositato direttamente sul filmconduttivo (4).
  4. 4. Un dispositivo (24) di cui alla rivendicazione 3, comprendente un film conduttivo (4) di ossido di stango dopato al fluoro (FTO), trasparente alla radiazione solare (9), al fine di far giungere tale radiazione alle celle fotovoltaiche.
  5. 5. Un dispositivo (24) di cui alla rivendicazione 3, in cui il materiale foto-attivo (2) comprenda triossido di tungsteno (WO3) colloidale generato con metodo sol-gel.
  6. 6. Un dispositivo (24) secondo le precedenti rivendicazioni, in cui la seconda cella del tandem integrato nel detto dispositivo, integri più celle fotovoltaiche (7) al silicio.
  7. 7. Un dispositivo (24) secondo le precedenti rivendicazioni, in cui le celle fotovoltaiche (7) in silicio abbiano i contatti interdigitati e siano collegate in serie.
  8. 8. Un dispositivo (24) di cui alla rivendicazione 1, in cui il secondo elettrodo (5) è costituito da un catodo metallico posto in contatto con la soluzione acquosa (6).
  9. 9. Un dispositivo (24) di cui alle rivendicazioni 1 e 2, comprendente un circuito stampato (15) a cui sono saldate, sulla superficie (18) rivolta verso il foto-anodo (1), le celle fotovoltaiche (7) secondo le rivendicazioni 6 e 7, e sulla superficie (21) rivolta verso il catodo (5), i componenti elettronici (22).
  10. 10. Un dispositivo (24) di cui alle rivendicazioni 1, 2 e 9 comprendente un microcontrollore tra i componenti elettronici (22) per la gestione dei cicli di polarizzazione e depolarizzazione del fotoanodo (1).
  11. 11. Un dispositivo (24) secondo le rivendicazioni precedenti, in cui le celle fotovoltaiche (7) e il circuito stampato (15) non vengono a contatto con la soluzione acquosa (6) grazie ad un incapsulante posto lungo i bordi del foto-anodo (1) e sul lato (21) del circuito stampato (15) rivolto verso il catodo (5) in cui sono presenti i componenti elettronici (22), anch’essi protetti dall’incapsulante stesso.
  12. 12. Un dispositivo (24) secondo le rivendicazioni precedenti, comprendente una struttura esterna (23) preferibilmente in PVC, che racchiuda il dispositivo (24) tandem, realizzata in modo tale da rendere il sistema modulare, secondo la rivendicazione 1 e vantaggiosamente componibile.
  13. 13. Un sistema foto-elettrochimico secondo le rivendicazioni precedenti, racchiuso da una struttura (8) preferibilmente in plexiglass o vetro che possa contenere i dispositivi fotoelettrochimici (24) descritti nelle rivendicazioni precedenti e la soluzione acquosa (6) da trattare.
  14. 14. Un sistema foto-elettrochimico secondo le rivendicazioni 1 e 13, affiancato o direttamente integrato all’interno della struttura di cui alla rivendicazione 13, da un apparato di pompaggio per il ricircolo dell’acqua.
  15. 15. Un sistema foto-elettrochimico secondo le rivendicazioni precedenti, dotato di un serbatoio contenente l’acqua da trattare.
  16. 16. Un sistema foto-elettrochimico secondo le rivendicazioni precedenti, dotato di un serbatoio contenente l’acqua decontaminata dall’azione fotocatalitica del dispositivo (24) di cui alla rivendicazione 2.
  17. 17. Un sistema foto-elettrochimico secondo le rivendicazioni precedenti, dotato di un condotto di uscita dell’idrogeno prodotto dall’elettrodo catodico (5).
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