Mercurio nel gas naturale: un pericolo da non sottovalutare

Dei rischi per l’ambiente e la salute del mercurio si parla molto ed estesamente da lungo tempo, in particolare dopo il tristemente famoso incidente di Minamata del 1956 (che ha dato il nome alla Convenzione internazionale per la messa al bando del mercurio) ma un aspetto meno trattato è stato quello della sua presenza nel gas naturale.
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Unità di Epidemiologia ambientale e registri di patologia, IFC CNR, Pisa
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Istituto Fisiologia Clinica Cnr - Pisa

Il mercurio, metallo tossico persistente e soggetto a bioaccumulo, nel suo stato elementare è caratterizzato da elevata volatilità, bassa reattività chimica e scarsa solubilità in acqua, e rappresenta oltre il 95% del mercurio gassoso totale, con un tempo di permanenza in atmosfera di 1-2 anni, e la possibilità di essere dunque trasportato per lunghe distanze (Lin and Pehkonen, 1999).
È ben noto che il mercurio abbia effetti dannosi sull’uomo e l’ecosistema, e le concentrazioni di riferimento per l’esposizione al mercurio gassoso sono state stabilite in 200 e 300 ng/m3 rispettivamente dalla U.S. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (ATSDR, 1999) e dalla U.S. Environmental Protection Agency (IRIS, 1995).

L’uso di gas naturale, in particolare per la produzione di energia elettrica, è aumentato considerevolmente negli ultimi anni, e l’interesse al gas naturale come combustibile è in aumento in ragione delle basse emissioni di carbonio, nell’ottica di fornire un’opzione economica per sostituire gli impianti industriali a carbone, ed in particolare le centrali elettriche. Si stima che il gas naturale rappresenti attualmente il 30% della produzione totale di energia negli Stati Uniti (US EIA, 2014), e quasi il 25% a livello globale (BP plc, 2018). Per quanto sia considerato un combustibile ecologico e pulito, vista la trascurabilità delle emissioni di anidride carbonica e di biossido di zolfo rispetto a carbone e petrolio (El-Feky et al, 2018), e seppure non siano trascurabili altre emissioni, in particolare di ossidi di azoto, l’incremento della domanda determina una crescente ricerca e sfruttamento di giacimenti, anche molto profondi. In questo contesto non si può sottostimare il rischio di contaminazione da mercurio e conseguenti rischi per la salute e l’ambiente (Chalkidis et al, 2020).

Il mercurio è presente all’interno di giacimenti di idrocarburi localizzati in Nord e Sud America, Europea, Nord Africa, Cina, Sud-Est Asiatico e Australia, sia in forma di composti organometallici nelle frazioni liquide sia come elemento metallico nella fase di vapore (Yan et al., 2017), e con una concentrazione che può variare in un ampio intervallo compreso tra 0.01 e più 1000 μg/m3 in dipendenza delle condizioni geologiche (O’Rear and Thompson, 2017).

Sebbene le emissioni di mercurio dalle centrali a gas rappresentino un contributo trascurabile nel ciclo biogeochimico del mercurio (Streets et al., 2017) e costituiscano solo una piccola frazione delle emissioni totali di mercurio di origine antropica (Mac Kinnon et al, 2018), studi condotti in prossimità di impianti di trattamento di gas naturale hanno riportato aumenti locali dei livelli di mercurio elementare nell’aria, fino a diverse centinaia di ng/m3 (nell’aria di ambienti urbani si misurano concentrazioni di mercurio comprese tra 10 e 20 ng/m3), e fino a 0.32-40 mg/kg e 3000 mg/L, rispettivamente nel suolo e nelle acque reflue (El-Feky et al., 2018; Lan et al., 2015).
Inoltre, il mercurio associato alla produzione di idrocarburi può essere rilasciato nelle scorie derivanti dalle operazioni di perforazione, dai processi di deidratazione e addolcimento nella fase di trattamento, oltre che dalla produzione e combustione di gas offshore (Chalkidis et al, 2020).

A partire dagli anni ’70, quando sono stati osservati per la prima volta gli effetti corrosivi del mercurio in amalgama con ferro, cromo o nichel sugli impianti criogenici di trattamento del gas naturale, sono stati pubblicati numerosi brevetti sull’abbattimento e la bonifica del mercurio.
Si ricorda che anche minime quantità di mercurio sono pericolose per la salute dei lavoratori esposti per inalazione ai vapori di mercurio elementare e per assorbimento cutaneo al dialchil-mercurio. In particolare, il mercurio inalato non solo attraversa la barriera ematoencefalica e quella placentare, ma una volta assorbito attraverso i polmoni, a concentrazioni molto elevate può causare gravi danni a reni, fegato, cervello, cuore, polmoni e colon, mentre concentrazioni croniche a basse dosi sono state associate a disturbi del sistema nervoso centrale, perdita di peso, insonnia, irritabilità e anomalie nei riflessi (Baxter et al, 2000). I separatori e gli scambiatori di calore rappresentano la fonte principale di accumulo di mercurio, mentre la contaminazione involontaria da mercurio può verificarsi in seguito a fuoriuscite e perdite da tubi (Chalkidis et al, 2020).

Nelle centrali moderne a gas sono normalmente installate unità di rimozione del mercurio (MRU, mercury removal unit), con l’obiettivo di ridurre la concentrazione di mercurio nel flusso di gas a valori inferiori a 10 ng/m3. I sistemi convenzionali MRU sono composti da assorbitori di carbonio impregnati con materiale attivo, solfuri e ossidi metallici o zeoliti impregnate di argento in grado di rimuovere il mercurio mediante fusione, adsorbimento fisico o chimico e assorbimento reattivo (Warrag er al, 2018). Il mercurio elementare, che – come prima detto – costituisce la specie predominante nel gas naturale, può essere rimosso con metodi convenzionali, tuttavia composti organici del mercurio possono richiedere un trattamento aggiuntivo (Chalkidis et al, 2020).

Ad oggi, sono ancora limitati gli studi pubblicati sul rilevamento, campionamento e misurazione del mercurio in ogni fase di produzione del gas naturale, dal trasporto al processo di trattamento negli impianti. Contestualmente, non è possibile prescindere da un’attenta indagine dell’impatto della produzione di gas naturale sull’ecosistema acquatico, oltre alla determinazione del mercurio in campioni biologici – sangue e urine – dei lavoratori, al fine di ridurre l’impatto di emissioni sull’ambiente e i rischi per la salute sia a livello occupazionale sia di popolazioni esposte.

 

Bibliografia

  • ATSDR, Agency for Toxic Substances and Disease Registry, 1999. Toxicological Profile for Mercury: U.S. Department of Health and Human Services. Public Health Service Agency for Toxic Substances and Disease Registry. Disponibile a: https://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp46.pdf
  • Baxter, P.J., Adams, P.H., Ching, A.T., Cockcroft, A., Malcolm Harrington, J. (Eds.), 2000. Hunter’s Diseases of Occupations, ninth ed. Arnold Press, London.
  • BP plc, 2018. In: BP statistical review of world energy. London, United Kingdom.
  • Chalkidis A, Jampaiah D, Hartley PG, Sabri YM, Bhargava SK. Mercury in natural gas streams: A review of materials and processes for abatement and remediation. J Hazard Mater 2020;382:121036.
  • El-Feky AA, El-Azab W, Ebiad MA, Masod MB, Faramawy S, 2018. Monitoring of elemental mercury in ambient air around an Egyptian natural gas processing plant. J Nat Gas Sci Eng 54, 189–201.
  • IRIS, Integrated Risk Information System, 1995. Disponibile a: https://cfpub.epa.gov/ncea/iris/iris_documents/documents/subst/0370_summary.pdf
  • Lan X, Talbot R, Laine P, Torres A, Lefer B, Flynn J. Atmospheric Mercury in the Barnett Shale Area, Texas: Implications for Emissions from Oil and Gas Processing.
  • Lin CJ, Pehkonen SO. The chemistry of atmospheric mercury: a review. Atmos Environ 1999;33: 2067–9.
  • Mac Kinnon A, Brouwer J, Samuelsen S. The role of natural gas and its infrastructure in mitigating greenhouse gas emissions, improving regional air quality, and renewable resource integration. Prog Energy Combust Sci 2018;64:62-92.
  • O’Rear DJ, Thompson JA. Hydrophobic adsorbents and mercury removal processes therewith. S. Patent 2017/0354951 A1.
  • Streets DG, Horowitz HM, Jacob DJ, Lu Z, Levin L, Ter Schure AFH, Sunderland EM. Total Mercury Released to the Environment by Human Activities. Environ Sci Technol 2017;51:5969-77.
  • S. EIA, 2014. Annual energy outlook 2014: with projections to 2040. Energy information administration. U.S. Department of Energy. Disponibile a: http://www.eia.gov/forecasts/aeo/er/pdf/0383er%282014%29.pdf.
  • Yan Q, Han Z, Wang S. Geochemical characteristics of mercury in oil and gas. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 2017;63.
  • Warrag SEE, Fetisov EO, Van Osch DJGP, Harwood DB, Kroon MC, Siepmann JI, Peters CJ. Mercury capture from petroleum using deep eutectic solvents. Ind Eng Chem Res 2018;57:9222–30.

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