Anno 10 Nr.2 Marzo 1997

Analisi delle acque

La rilevazione degli olii nelle Acque con il FLOCOMAT 

Scopo del lavoro.
Secondo la legge tedesca in materia di acque, la "Wasserhaushaltsgesetz", ogni persona e’ tenuta a prendere le necessarie precausioni onde prevenire, in relazione alle situazioni specifiche, l’inquinamento delle acque.
Per questa ragione in Germania si e’ reso necessario il controllo in continuo dell’olio sulle acque in uscita deagli impianti dove sono possibili fuoriuscite di olio in caso di malfunzionamento nell’impianto stesso.
Generalmente l’acqua all’uscita degli impianti, i cui processi utilizzano oli, non e’ un’acqua estremamente pulita, ma piuttosto inquinata da un carico considerevole di contaminanti, come sabbia, limo, alghe o sali.
A volte le condizioni operative come temperatura, portata a livello dell’acqua non sono neppure costanti. A causa di cio’ gli strumenti spesso non possono rilevare in maniera attendibile la presenza dell’olio nell’acqua o sulla superficie dell’acqua.
A. Cordemann [1] ha provato e messo a confronto i metodi rintracciabili sul mercato per il controllo della presenza dell’olio nell’acqua o sull’acqua.
Qui, viene discusso un metodo, che risulta essere il piu’ adatto a risolvere i problemi legati a questa misura.

Rassegna dei differenti metodi di misura.
Per evidenziare la presenza degli oli nell’acqua o sull’acqua:

• misura mediante ultrasuoni;
• misure di conducibilita’ elettrica alla superficie dei liquidi;
• misure di capacita’;
• misure basate sulla riflessione della luce (ad esempio raggio laser) ad opera della superficie dell’acqua;
• estrazione dell’olio con solvente ed analisi fotometrica del solvente di estrazione;
• misure di fluorescenza dell’olio;
• estrazione degli idrocarburi nella fase gas (ad esempio mediante "strippaggio" con aria e loro rilevazione in fase gas (ad esempio con un FID);
• misure con un sensore a cavo: ovvero controllo delle variazioni delle proprieta’ elettriche di un determinato materiale sintetico causate dalla presenza degli idrocarburi, che penetrando dentro il materiale plastico ne cambiano la costante elettrica.

Moltissime applicazioni si riferiscono ad acque che contengono, oltre agli oli da rilevare, anche una grande quantita’ di contaminanti: sabbia, sali, alghe, melma, ecc.
Queste sostanze possono generare notevoli interferenze sulle misura.
I metodi che richiedono il contatto dei sensori con la superficie del fluido, ad esempio elettrodi immersi nel liquido, possono subire interazioni dovute a:

• sporco in sospensione;
• crescita di alghe;
• variazioni della superficie (onde, posizione)

E’ necessaria moltissima manutenzione per assicurare l’attendibilita’ di tali misure.
Le misure soprattutto basate sul campionamento dell’acqua comportano le seguenti problematiche:

• i campioni debbono essere prelevati soltanto in superficie. Un metodo questo spesso reso complicato da svariate problematiche e tecnicamente non facile;
• i contaminanti, che galleggiano in superficie disturbano il sistema di campionamento che necessita di continua manutenzione;

A causa delle difficolta’ incontrate con i metodi d’analisi precedentemente menzionati, ci si e’ orientati verso la ricerca di un metodo che non permettesse al sensore di entrare a diretto contatto con il liquido.
Poiche’ gli oli, di cui si deve rilevare la presenza,normalmente galleggiano sulla superficie dell’acqua, e’ sembrato opportuno che lo strumento andasse posto al di sopra del livello dell’acqua e che dovesse utilizzare un principio di rilevazione degli oli basato su una opportuna radiazione, ma senza essere a contatto con il campione.
Tale principio e’ stato individuato nella misura della riflessione delle radiazioni elettromagnetiche dalla superficie del liquido.
Un’idea di quanto sia sensibile questo tipo di rivelazione e’ fornito dallo stesso occhio umano, gia’ uno spessore infinitesimo d’olio da’ origine a fenomeni di interferenza della luce che sono facilmente rilevabili dall’occhio umano.
Anche in questo caso movimenti della superficie (onde) e particelle solide in sospensione, possono influenzare la misura.
Per rendere minima la loro interferenza, occorre trovare un metodo in grado di rilevare un "segnale caratteristico" proveniente dall’olio in galleggiamento.
Questo segnale va poi raccolto da un detector che non abbia alcun contatto con il liquido.
Cio’ puo’ essere realizzato misurando la fluorescenza indotta nell’olio:

• mediante la radiazione UV, le molecole d’olio si eccitano e danno origine al fenomeno della fluorescenza;
• un detector ad alta sensibilita’ rileva l’intensita’ di tale radiazione.

Tuttavia questo metodo puo’ ancora subire interferenze dovute a:

• radiazioni ambientali (luce diurna) e loro variazione di intensita’;
• movimenti della superficie del liquido (onde, variazioni del livello dell’acqua, ecc.).

Ad ogni buon conto, queste interferenze possono essere rese minime da una corretta progettazione e realizzazione dello strumento di misura.

Fluorescenza.

Principio
L’energia radiante ( E1=n1 ) nell’ultravioletto, puo’ essere assorbita dagli atomi o dalle molecole grazie al raggiungimento da parte degli elettroni di uno "stato eccitato" a piu’ alta energia.
Quando gli elettroni tornano allo "stato fondamentale" emettono una radiazione a lunghezza d’onda superiore a quella assorbita, dando luogo al fenomeno della fluorescenza.
La restante energia viene emessa dal sistema sotto altra forma ad esempio come energia cinetica, (radiazione termica) (E3):
E1=E2+E3 La radiazione di emissione (fluorescenza) e’ caratteristica della sostanza esaminata. La figura 1 mostra il tipico spettro di emissione di una lamapada UV. La figura 2 mostra invece gli spettri di emissione dovuti alla fluorescenza di vari oli [2].
Come oli, tra le altre sostanze, sono annoverati anche composti aromatici.
Proprio a causa di cio’ ogni tipo di olio, ha una differente composizione chimica, e analogamente differente e’ lo spettro originato dalla fluorescenza: esso generalmente si colloca in un intervallo di lunghezze d’onda tra i 350 e i 500 nm (fig.2).
Selezionando opportunamente le lunghezze d’onda che provocano fluorescenza, si puo’ influire sulla sensibilita’ e la selettivita’ della misura e sui fenomeni di interferenza:

• Per le misure di fluorescenza occorre scegliere le lunghezze d’onda a cui gli oli danno una forte fluorescenza
• Per rilevare gli oli che galleggiano, ma non danno luogo a fluorescenza, occorre integrare nel sistema una misura di riflessione della radiazione proveniente dalla superficie del liquido.

Cio’ si ottiene selezionando la lunghezza d’onda di 408 nm: praticamente viene posto un filtro che permette il passaggio di radiazoni comprese tra 385 e 410 nm.
Il metodo di rilevamento della fluorescenza qui descritto ha una sensibilita’ dell’ordine di una goccia per metro quadro di superficie.
Occorre ricordare che cio’ dipende dal tipo d’olio e da come viene installato il sensore: distanza dalla superficie, condizioni della superficie (onde, ecc.).

Informazioni sul funzionamento
Lo strumento deve lavorare in continuo, richiedere una minima manutenzione ed essere soggetto a minime interferenze esterne.
Come esempio di uno strumento di questo tipo, qui di seguito viene descritto il FLUCOMAT (fig.3).

Lampada
Per ridurre la fluorescenza, vengono utilizzate come fonte di radiazioni lampade UV, poste rispetto al detector in modo da poter permettere un grande angolo di rilevamento. Grazie a questa soluzione tecnica, le radiazioni dovute alla riflessione raggiungono il detector anche da superfici d’acqua in movimento.La sensibilita’ non viene ridotta in modo apprezzabile da onde a 5 cm. di altezza.

Ottiche
Il detector ottico dello strumento, viene posto a circa 40 cm. di distanza dalla superficie del liquido.Le variazioni di distanza tra lo strumento e la superficie dell’acqua (ad esempio al variare del livello del liquido) superiori ai 10 cm. vanno compensate utilizzando un opportuno sistema di installazione (ad esempio un sistema a galleggianti).In caso contrario, la variazione dell’intensita’, che diminuisce con il quadrato della distanza, influenzera’ in maniera rilevante la sensibilita’ dello strumento.Per rilevare la radiazione viene utilizzato un fotomoltiplicatore.

Controllo elettronico
Per rendere minima l’interferenza della luce diffusa nell’ambiente, si utilizza una sorgente UV a luce pulsante. Anche il segnale in uscita viene demodulato in maniera analoga.La sensibilta’ del fotomoltiplicatore viene regolata da un circuito di misura indipendente.Il fotomoltiplicatore riceve un segnale a frequenza modulata proveniente da un LED. Tramite il segnale AC corrispondente si regola la sensibilita’ del fotomoltiplicatore ad un livello costante.Le eventuali variazioni di intensita’ della luce UV sono rilevate da un fotodiodo e messe in rapporto con il segnale proveniente dal fotomoltiplicatore. Il segnale "normalizzato" in questo modo, non e’ influenzato da variazioni di intensita’ della luce emessa dalla lampada UV.

Controllo segnale
Il corretto funzionamento del sistema viene controllato e garantito da diverse misure:

• il buon funzionamento di ogni lampada e’ monitorata da "photoresistors"; In caso di malfunzionamento di una lampada, sia attiva un allarme;
• la frequenza con cui viene modulata la radiazione UV e’ controllata nell’unita’ di processione del segnale;
• la sensibilita’ del fotomoltiplicatore e’ controllata tramite la misura di un segnale proveniente da un LED;
• in egual misura viene controllato il modulo preposto all’alimentazione elettrica.

Eventuali malfunzionamenti sono indicati da quattro LED sul pannello di controllo. Un contatto comune e’ incaricato di segnalare un fuori servizio o un malfunzionamento in modo da far scattare un allarme nella "control room".

Esperienze pratiche

Misure in laboratorio
Un prototipo e’ stato sviluppato e messo a punto presso il BFI [3]. Lo strumento e’ stato collocato sopra una condotta d’acqua corrente a cui di volta in volta venivano fatte aggiunte di oli diversi e vari contaminanti.Si potrebbe cambiare le condizioni di installazione, come la distanza tra sensore e superficie. Le condizioni del campione coma la portata, onde e schiume venivano variate in egual maniera [1].La figura 4 mostra la risposta di oli diversi, utilizzando un tipo di installazione da laboratorio.I risultati di queste esperienze hanno permesso di apportare alcune migliorie nella versione finale dello strumento descritto in precedenza.

Misure in linea
Il rivelatore di olio Flucomat e’ stato provato presso la centrale di Emden della Preussen Elektra AG su due punti differenti dell’impianto:

• all’uscita del sistema di raffreddamento ad acqua;
• all’uscita dell’impianto di trattamento delle acque.

Controllo delle unita’ di raffreddamento ad acqua
Negli impianti di maggiore dimensione, come nel caso delle pompe per l’acqua di raffreddamento di una centrale, e’ previsto un sistema di lubrificazione ad olio che il raffreddato attraverso uno scambiatore di calore ad acqua.Eventuali perdite nello scambiatore di calore porterebbero olio nell’acqua di raffreddamento cha va scaricata in acque di superficie.In accordo con le leggi tedesche contro l’inquinamento delle acque occorre prendere ogni precauzione atta a prevenire gli inquinamenti. Per rendere minimo questo rischio, l’acqua in uscita passa attraverso un separatore d’olio, dove viene installato uno sfioratore (skimmer) con un opportuno rilevatore d’olio.Lo strumento rilevatore della presenza d’olio, deve segnalare la presenza di perdite in maniera affidabile, per permettere ai responsabili dell’impianto di intervenire tempestivamente.Il metodo della fluorescenza, come ricordato prima, e’ molto adatto a risolvere questo problema di misura: non vi e’ alcun pericolo di sporcamento del sensore dovuto a sostanze contaminanti e percio’ l’affidabilita’ del sietma rimane inalterata anche per lunghi periodi in cui non vi e’ allarme per perdite d’olio (che e’ poi il caso normale).

Il controllo dell’acqua in uscita in un impianto di trattamento delle acque
In una centrale elettrica tedesca normalmente ci sono acque di scarico:

• dal trattamento dell’acqua di alimentazione del generatore di vapore;
• da diversi collettori presenti nell’impianto. Questi servono a raccogliere le perdite dai sistemi di lubrificazione, da differenti unita’ operative dai pozzetti di raccolta (per esempio sotto i trasformatori). Questi liquidi spesso sono raccolti in pozzi nei fondi degli edifici e pompati nell’impianto di trattamento delle acque.

In un impianto centralizzato di trattamento questo scarico puo’ essere trattato chimicamente. All’uscita dell’impianto di trattamento acqua alla centrale della Preussen Elektra AG ad Emden, il rilevatore di presenza di oli descritto prima e’ stato in passato installato per due anni. Esso si e’ dimostrato affidabile. La calibrazione e i test funzionali di controllo non vengono effettuati direttamente, perche’ i risultati comporterebbero un rilascio di olio dall’impianto di trattamento. Invece, lo strumento di rilevazione puo’ piu’ facilmente essere posizionato su una vasca piena di acqua vicino al punto di installazione on-line dove vengono poi fatte le aggiunte d’olio goccia a goccia.

Applicazioni
Alcune tipiche applicazioni per il rilevamento dell’olio sull’acqua mediante il metodo della fluorescenza "senza contatto" sono:

• controllo dell’acqua di raffreddamento (ad esempio nelle centrali elettriche);
• controllo dell’acqua potabile (ad esempio nei luoghi destinati all’approvvigionamento dell’acqua da potabilizzare o nell’entrata degli impianti di potabilizzazione); impianti di trattamento delle acque (entrata ed uscita);
• aereoporti (uscita acque piovane);
• impianti petrolchimici (uscite delle acque piovane, uscita dei sistemi di drenaggio degli impianti di stoccaggio, e le pensiline di carico);
• fogne
• controllo degli impianti che scaricano le acque direttamente in acque superficiali (laghi,fiumi, ecc.)

Sintesi e conclusioni
Molti dei metodi di misura piu’ comunemente utilizzati per rilevare la presenza di olio sull’acqua all’uscita dei sistemi di raffreddamento, all’entrata o all’uscita degli impianti di trattamento delle acque, negli impianti di produzione e sulle acque superficiali, danno problemi quando sono chiamati ad operare per lunghi periodi di tempo.Sono stati provati diversi metodi di misura e diversi strumenti per la rilevazione dell’olio.I test hanno stabilito che la rilevazione mediante fluorescenza è un metodo che non richiede contatto con il campione, e risulta il piu’ adatto, per superare questo genere di problemi di misura.

Bibliografia
[1] A. Cordemann, Diplomarbeit Fachhochschule Ostfriesland, D-26723 Emden, 1990,
[2] MONITEK - Gmbh, D-40470 Dusseldorf;
[3] Betriebsforschungsinstitut in Verein Deutscher Eisenhuttenleute, D-40237 Dusseldorf

Gli analizzatori per olio nelle acque sono costruiti dalla : MONITEK e rappresentati in Italia dalla AST ANALYTICA srl - Genova - Per informazioni si prega di contattare : ( The Oil in Water analyzers are manufactured by MONITEK and represented in Italy by AST Analytica srl Genova - For information pls contact :)

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