Titolo della tesi: Processi di risanamento chimico-fisici combinati con sistemi di manipolazione idraulica della falda
Questa tesi di dottorato, inquadrata nel programma "Dottorati Industriali", presenta un percorso di ricerca completo che integra la ricerca accademica avanzata con la sua applicazione pratica nel settore industriale della bonifica ambientale. Condotta in collaborazione con IEG Technologie GmbH, il lavoro è strutturato in due sezioni distinte ma interconnessi, che affrontano sia l'ottimizzazione delle tecnologie installate in campo sia lo sviluppo di un nuovo processo in scala di laboratorio.
Il Capitolo 1 è dedicato alla gestione avanzata e all'ottimizzazione dei sistemi di bonifica in condizioni reali e complesse sul campo. Sottolinea un cambiamento di paradigma verso un approccio basato sui dati, in cui la caratterizzazione ad alta risoluzione del sito (HRSC) e la modellizzazione idrogeochimica 3D sono fondamentali per progettare strategie mirate ed efficaci. Questo capitolo si articola attraverso due ampi casi di studio. Il primo, presso il sito SIN di Livorno, ha interessato una centrale termoelettrica dismessa afflitta da un persistente pennacchio di Tricloroetilene (TCE). Attraverso un approccio integrato che utilizza lo screening con sonda a interfaccia a membrana (MIP) e la geomodellazione 3D, è stata delineata una fonte di contaminazione secondaria non precedentemente identificata. Per intercettare il pennacchio in migrazione da questa fonte, è stata progettata e installata una barriera idraulica virtuale pionieristica, composta da tre Groundwater Circulation Wells (GCW). Questo sistema ha creato celle di ricircolo ellissoidali sovrapposte e perpendicolari al flusso delle acque sotterranee. I risultati sono stati decisivi: la barriera GCW ha raggiunto una rimozione di massa di 3360 g di TCE in quattro mesi, superando di un fattore 30 le prestazioni del sistema esistente di Pump-and-Stock (P&S), eliminando al contempo l'estrazione di acque sotterranee e la generazione di rifiuti, dimostrando così un'efficacia e una sostenibilità superiori.
Il secondo caso di studio, presso il sito SIN di Gela, ha comportato un'indagine in scala pilota della capacità di un GCW di bonificare un acquifero costiero storicamente contaminato da alte concentrazioni di Arsenico (As). In un rigoroso periodo di monitoraggio di 550 giorni, il GCW ha operato in un complesso contesto idrogeologico influenzato da un cuneo salino. Il sistema ha mobilizzato con successo circa 120 kg di As, con l'impianto di trattamento a terra che ha raggiunto un'efficienza di rimozione del 66%, equivalente a circa 53 kg di As all'anno. Fondamentalmente, il monitoraggio integrato con pozzi di campionamento multilevel ha fornito prove fisico-chimiche dirette dello sviluppo della cella di ricircolo, mostrando un'omogeneizzazione delle concentrazioni di As e della conducibilità elettrica lungo il profilo verticale dell'acquifero. Ciò ha dimostrato la capacità unica del GCW di mobilizzare i contaminanti dagli strati a bassa permeabilità, offrendo un'alternativa sostenibile al convenzionale Pump-and-Treat per tali scenari complessi.
Il Capitolo 2 passa al dominio dell'innovazione di processo all'interno del laboratorio accademico, concentrandosi sullo sviluppo di una nuova tecnologia in-situ per la bonifica delle acque sotterranee: una Barriera Reattiva Permeabile Iniettabile (IPRB) basata su un composito biochar-biopolimero. La ricerca ha prima identificato e caratterizzato il biochar di legno di pino (BC), un prodotto di scarto della gassificazione di biomassa, come un adsorbente sostenibile e ad alte prestazioni. Una sfida chiave è stato creare una sospensione colloidale stabile di BC per garantire un efficace distribuzione nel sottosuolo. Attraverso uno screening sistematico, la carbossimetilcellulosa sodica (CMC) è stata identificata come il biopolimero ottimale per produrre una sospensione BC-CMC colloidalmente stabile. La ricerca ha quindi caratterizzato estensivamente questo composito, valutandone la stabilità in condizioni variabili di pH e forza ionica e ottimizzandone l'iniettabilità controllando la distribuzione delle dimensioni delle particelle tramite pre-filtrazione per prevenire l'intasamento dei pozzi.
La fase finale e cruciale di questa ricerca ha coinvolto una simulazione completa del processo IPRB. Una zona reattiva è stata prima creata all'interno di una colonna riempita con microsfere di vetro distribuendo con successo la sospensione ottimizzata di BC-CMC, raggiungendo una ritenzione media di biochar dello 0,22% p/p del mezzo poroso. Successivamente, questa colonna caricata con biochar è stata utilizzata in test di adsorbimento in flusso continuo con acque sotterranee sintetiche contaminate da Toluene (TOL) e Percloroetilene (PCE). Il composito ha dimostrato notevoli capacità di adsorbimento, con parametri dell'isoterma di Freundlich comparabili, e nel caso del PCE quasi identici, a quelli di un carbone attivo commerciale. I test in flusso continuo hanno prodotto alti fattori di ritardo sperimentali (144 per TOL e 360 per PCE), convalidando l'efficacia del processo nel ritardare significativamente il breakthrough del contaminante e confermando il potenziale di questo composito sostenibile e a basso costo a base di biochar come tecnologia valida per la bonifica in-situ delle acque sotterranee.