Filtro elettrostatico

Un filtro elettrostatico industriale.

Un filtro elettrostatico, elettrofiltro o precipitatore elettrostatico (ESP, dall'inglese Electro Static Precipitator) è un sistema di depurazione che permette la separazione del flusso di gas in ingresso dalle particelle inquinanti disperse al suo interno, attraverso l'applicazione di un campo elettrico. Le particelle possono essere sia solide che liquide. Il sistema, attraverso una differenza di potenziale indotta tra degli elettrodi di emissione e di raccolta, realizza la separazione delle particelle contaminanti dal gas vettore che viene fatto fluire tra gli elettrodi. In uscita si ha quindi un flusso d'aria privo di contaminanti.

È uno dei sistemi attualmente più usati per l'abbattimento del particolato dai fumi in uscita dagli impianti di potenza.

Principio di funzionamento

Schema di un precipitatore elettrostatico.

Un sistema a filtri elettrostatici è costituito da:

• elettrodi di raccolta (o di captazione), a forma di piastre o tubolari;
• elettrodi di scarica o di emissione, di forma filiforme. Questi sono posizionati parallelamente a quelli di raccolta (in modo coassiale nel caso di elettrodi di raccolta tubolari). Possono essere a sezione circolare, quadrata o a stella;
• un gruppo di alimentazione, per generare i livelli di tensione richiesti al processo (dai 30 ai 100 kV, corrispondenti a campi elettrici dell'ordine di 10.000-70.000 volt/m), costituito da un trasformatore e da un raddrizzatore;
• un apparato per la pulizia periodica degli elettrodi di raccolta. Il metodo maggiormente impiegato è il sistema a secco, che realizza il distacco delle polveri fissate sugli elettrodi percuotendo o trasmettendo vibrazioni all'elettrodo. Il sistema ad umido realizza invece la rimozione del contaminante attraverso l'impiego di liquidi che, scorrendo lungo le pareti dell'elettrodo di raccolta, rimuovono il contaminante. Il sistema ad umido è utile nel caso si debba recuperare una parte del componente per riutilizzarlo nel ciclo produttivo in fase liquida, oppure quando i contaminanti risultino di difficile asportazione con la metodologia a secco; gli svantaggi sono rappresentati da un maggior costo, dalla maggior complessità del sistema e dalla necessità di trattare i fanghi di scarto;
• strutture di alloggiamento degli elettrodi e di distribuzione dei flussi di gas in ingresso e uscita;
• contenitori per la raccolta delle polveri (o dei fanghi nel caso del sistema ad umido).

Il trattamento consiste nell'applicare un'elevata differenza di potenziale tra gli elettrodi di emissione e di raccolta: in questo modo si crea, in prossimità degli elettrodi di emissione, un forte campo elettrico che provoca la ionizzazione del gas vettore delle particelle contaminanti, dando luogo a una scarica elettrica di tipo corona (solitamente di segno negativo).

La scarica crea numerose coppie ioni-elettroni: gli ioni positivi vengono attratti dall'elettrodo negativo (di scarica), mentre gli elettroni tendono a muoversi verso l'elettrodo positivo (di captazione), venendo però spesso "catturati" da molecole particolarmente elettronegative, come gli ossidi di zolfo e l'ossigeno. Si formano così ioni negativi che, per raggiungere maggiore stabilità, tendono a essere assorbiti dalle particelle di particolato presenti nei fumi. Il particolato, di per sé neutro e quindi normalmente non influenzato dal campo elettrico, viene così caricato elettricamente e si dirige verso l'elettrodo di raccolta, dove, a contatto con esso, perde la carica e si deposita, cadendo lungo le pareti del filtro; da qui viene poi rimosso con il metodo a secco o ad umido descritto sopra. La rimozione dei depositi può anche essere effettuata durante il funzionamento, senza dover sospendere la fase di trattamento, impiegando opportuni accorgimenti che evitano la dispersione delle particelle catturate.

Il ruolo della resistività del particolato

L'efficienza di rimozione delle particelle è fortemente influenzata dalla loro granulometria e resistività. Il sistema presenta alti livelli di efficienza per particelle di dimensioni maggiori al micron e con resistività comprese tra 10³ e 10¹⁰ Ω·cm.

Se le particelle hanno una resistività troppo elevata (superiore a 10¹¹ Ω·cm), esse non riescono a cedere efficacemente la propria carica una volta raccolte: da un lato schermano l'effetto del campo elettrico, dall'altro tendono a incrostare le pareti del filtro. Se invece le particelle hanno una resistività troppo bassa, perdono la carica troppo velocemente e rischiano di essere nuovamente trascinate via dalla corrente dei fumi prima di depositarsi stabilmente.

Per mantenere efficienze apprezzabili anche in presenza di polveri ad alta resistività si possono adottare alcuni accorgimenti:

• mantenere sempre puliti gli elettrodi;
• migliorare l'efficienza degli alimentatori;
• aggiungere al gas vettore piccole quantità di agenti chimici con lo scopo di attenuare la resistività delle particelle.

Caratteristiche costruttive

I filtri elettrostatici sono generalmente realizzati in due configurazioni:

• i fumi passano attraverso un condotto cilindrico, che costituisce l'elettrodo di captazione; l'elettrodo di scarica è costituito da un filo posto al centro del condotto;
• i fumi passano attraverso dei setti verticali distanziati tra loro circa 60-80 cm (elettrodi di captazione), tra i quali sono posti numerosi fili verticali in serie, che costituiscono l'elettrodo di scarica.

Le caratteristiche principali dei filtri elettrostatici sono le elevate efficienze di rimozione (superiori al 90%) anche per granulometrie molto fini, e la possibilità di recuperare i contaminanti in fase solida (tranne nel caso di elettrofiltri ad umido).

Non ci sono particolari limiti al flusso di gas in ingresso, mentre per portate eccessivamente basse l'unico limite può essere dovuto al costo rilevante dell'impianto, sia dal punto di vista dell'installazione sia della gestione. Inoltre, gli impianti di abbattimento presentano ingombri non trascurabili, poiché gli elettrofiltri necessitano di flussi d'aria con velocità contenute (non superiori a 1,5 m/s), il che richiede l'impiego di più sezioni per la realizzazione del sistema.

Vantaggi

• Ottime efficienze per particolato di qualsiasi dimensione, anche per piccole concentrazioni
• Possibilità di lavorare con fumi umidi
• Possibilità di lavorare in un ampio intervallo di temperature
• Possibilità di recuperare i contaminanti in fase solida

Svantaggi

• Alti costi di investimento e di gestione
• Dipendenza dell'efficienza dalla resistività delle ceneri/particelle
• Scarsa flessibilità
• Ingombri notevoli

Applicazioni

I filtri elettrostatici sono impiegati per svariate tipologie di intervento vista la loro alta efficienza di abbattimento. Nell'analizzare le applicazioni si distinguono due ambiti di intervento: quello civile e quello industriale.

Ambito civile

I filtri elettrostatici destinati ad uso civile a volte prendono il nome di "filtri elettronici", per distinguerli da quelli elettrostatici usati nell'industria. Il campo di applicazione è quello degli impianti di condizionamento.

Questa tipologia di filtri è caratterizzata da:

• impiego di tensioni di alimentazione massime di 10 kV;
• utilizzo di elementi filtranti intercambiabili in leghe di alluminio;
• possibilità di avere più stadi di filtrazione in serie, in modo da ampliare lo spettro di abbattimento;
• costi dell'impianto e di gestione ridotti rispetto agli elettrofiltri industriali.

Ambito industriale

In questo caso si distinguono due tipologie di filtro elettrostatico a seconda del campo di utilizzo.

La prima è rappresentata da dispositivi modulari preassemblati, impiegati per l'abbattimento dei fumi di saldatura, delle nebbie d'olio, del particolato ambientale, dei fumi prodotti dalla lavorazione e trattamento termico dei metalli (forgiatura, stampaggio, tempra) e dalla lavorazione di materie plastiche (taglio, macinatura).

La seconda tipologia è utilizzata per trattare flussi gassosi consistenti, come quelli che derivano dalle lavorazioni industriali, dagli impianti estrattivi e di trattamento dei minerali, dalle centrali per la produzione di energia elettrica e dalla lavorazione di prodotti petroliferi; trovano inoltre impiego in impianti di demolizione e riciclaggio.

Nella realizzazione di un sistema di abbattimento a filtro elettrostatico è utile tenere in considerazione i seguenti fattori:

• l'investimento iniziale che si intende effettuare;
• i costi di manutenzione e di esercizio;
• le dimensioni dell'impianto;
• l'efficienza di abbattimento che si vuole raggiungere, tenendo conto delle caratteristiche chimico-fisiche degli inquinanti e dei limiti di emissione che si intendono ottenere.

Nel definire le specifiche dell'impianto di trattamento è necessario tenere presente che un aumento dell'efficienza dall'80% al 96% può comportare un raddoppio dell'investimento iniziale necessario, mentre per un aumento fino al 99% può essere necessario anche un investimento triplo per la realizzazione dell'impianto.

Vista la complessità di implementazione di un sistema di trattamento ad elettrofiltri, il dimensionamento viene spesso effettuato per analogia, basandosi su esperienze sviluppate in impianti pilota.

In alcune applicazioni, come per esempio la neutralizzazione di sostanze di tipo gassoso o sotto forma di vapore, si sfruttano le reazioni chimico-fisiche indotte all'interno del filtro (come l'ozonizzazione, reazione che permette la trasformazione di ossigeno in ozono) per catturare le particelle inquinanti, che normalmente non potrebbero essere trattenute elettrostaticamente.

Bibliografia

• Questo testo proviene in parte o integralmente dalla relativa scheda del sito novambiente.it Archiviato il 9 dicembre 2010 in Internet Archive., disponibile sotto licenza Creative Commons CC-BY-3.0

Voci correlate

• Biofiltrazione
• Camera a deposizione
• Ciclone (ingegneria)
• Combustione catalitica
• Condensatore (tecnologia ambientale)
• Depolveratore ad umido
• Filtrazione a tessuto
• Filtrazione sui carboni attivi
• Incenerimento termico
• Membrana selettiva di separazione

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• (EN) IUPAC Gold Book, "electrostatic filter", su goldbook.iupac.org.
• (EN) IUPAC Gold Book, "electrostatic precipitator", su goldbook.iupac.org.