Combustori catalitici

Come è evidente dal nome, i combustori catalitici operano l’ossidazione degli inquinanti sfruttando la presenza di un catalizzatore, una sostanza che accelera le reazioni chimiche senza per questo subire delle modifiche. I tipici catalizzatori utilizzati nei processi di combustione sono gli ossidi dei metalli nobili come il platino, il palladio od il rodio, ma possono essere utilizzati anche gli ossidi basici di altri metalli, come il vanadio pentossido, il biossido di titanio o il biossido di manganese. All’interno del combustore queste sostanze sono depositate su di uno strato sottile in un’ampia superficie di un materiale di supporto di natura ceramica o metallica.

I combustori catalitici vengono utilizzati per depurare l’aria contaminata da concentrazioni di vapori organici sempre inferiori al 25% del valore di LEL, un valore che per i VOC va generalmente da 10mila a 20mila ppm. Concentrazioni più alte non sono indicate in quanto permetterebbero il raggiungimento di temperature eccessive e questo potrebbe danneggiare il materiale catalizzatore.

Nell’ossidazione catalitica il flusso d’aria contaminato viene riscaldato alla temperatura richiesta tramite un bruciatore a gas e poi viene fatto passare attraverso il supporto col catalizzatore (cioè il letto). Il catalizzatore fa sì che la reazione di ossidazione dei composti organici avvenga ad una temperatura notevolmente più bassa di quella richiesta per l’ossidazione termica non catalizzata. Il tipico combustore catalitico opera infatti a temperature di 300° - 450°C e questo rappresenta il principale vantaggio: dato che è necessaria una minore temperatura operativa, viene utilizzato anche meno combustibile per raggiungerla e così non sono nemmeno necessarie delle camere di combustione rivestite di materiale refrattario. In alcuni casi è anche possibile operare senza che venga fornito del combustibile supplementare (sempre necessario però al momento dell’avvio del processo).

Come i combustori termici, anche quelli catalitici sono spesso dotati di scambiatori termici per il recupero del calore impiegato per l’ossidazione dei contaminanti; così sono diffusi in commercio sia i combustori catalitici di tipo recuperativo (vedi figura sottostante) che i combustori catalitici di tipo rigenerativo. La presenza degli scambiatori di calore è anche giustificata dal fatto che a valle del letto catalitico le temperature sono comprese tra 400 e 600°C, in quanto le reazioni di ossidazione catalitica, essendo esotermiche, comportano un aumento della temperatura dell’aria trattata.

Disegno schematico di un combustore catalitico di tipo recuperativo.

Gli svantaggi principali del combustore catalitico sono relativi al costo del catalizzatore e ai problemi di rendimento relazionati al deterioramento sia fisico che meccanico del catalizzatore stesso.
Come già accennato, le alte temperature sono assolutamente da evitare, essenzialmente per due motivi: innanzitutto le alte temperature possono danneggiare il catalizzatore deattivandolo o volatilizzandolo, in secondo luogo possono danneggiare irreversibilmente il materiale di supporto del catalizzatore rendendolo inservibile.
I combustori catalitici, di solito, non possono essere utilizzati in modo efficace sui flussi d’aria che presentano alte concentrazioni di liquidi o di particolato solido. Questo particolato si deposita sulla superficie del catalizzatore ostacolando il contatto del catalizzatore con i composti organici. In ogni caso, quando sono presenti delle basse concentrazioni di particolato, una periodica pulizia può ripristinare per più del 90% l’attività catalitica.
Nel caso in cui siano dispersi nell’aria da trattare anche alcuni metalli, può insorgere il fenomeno dell’avvelenamento; in pratica i metalli reagiscono o si legano alle molecole del catalizzatore inattivandolo permanentemente.
I sistemi di abbattimento tramite combustione catalitica non sono appropriati nemmeno per abbattere l’inquinamento dovuto a composti solforati o alogenati. Questi composti hanno un’alta affinità per alcune superfici catalitiche, per cui riducono l’attività del catalizzatore riducendo la disponibilità dei siti attivi disponibili per la catalisi dei composti organici (fenomeno di mascheramento).