Trattamento delle acque reflue con chitosano

Nei sistemi convenzionali di trattamento delle acque, i flocculanti più utilizzati sono i sali di alluminio e i sali di ferro. I sali di alluminio che rimangono nell'acqua trattata rappresentano un pericolo per la salute umana, mentre i residui di sali di ferro ne alterano il colore. Inoltre, nella maggior parte degli impianti di trattamento delle acque reflue, è difficile superare i problemi di inquinamento secondario, come l'elevata quantità di fanghi e la difficoltà di smaltirli. Pertanto, la ricerca di un prodotto naturale che non causi inquinamento secondario per l'ambiente, in sostituzione dei flocculanti a base di sali di alluminio e di ferro, è oggi una necessità per l'attuazione di strategie di sviluppo sostenibile. I flocculanti polimerici naturali hanno attirato molta attenzione tra i vari flocculanti disponibili grazie alle loro abbondanti fonti di materie prime, al basso costo, all'elevata selettività, al dosaggio ridotto, alla sicurezza, alla non tossicità e alla completa biodegradabilità. Dopo decenni di sviluppo, è emerso un gran numero di flocculanti polimerici naturali con diverse proprietà e applicazioni, tra cui amido, lignina, chitosano e colla vegetale, attualmente ampiamente utilizzati.

ChitosanoProprietà

Il chitosano è un solido bianco, amorfo, traslucido e lamellare, insolubile in acqua ma solubile in acido, prodotto della deacetilazione della chitina. Generalmente, si parla di chitosano quando il gruppo N-acetile della chitina è stato rimosso per oltre il 55%. La chitina è il componente principale degli esoscheletri di animali e insetti ed è il secondo composto organico naturale più abbondante sulla Terra dopo la cellulosa. Come flocculante, il chitosano è naturale, non tossico e biodegradabile. La sua catena macromolecolare presenta numerosi gruppi idrossilici, amminici e alcuni gruppi N-acetilamminici, che gli consentono di formare polielettroliti cationici ad alta densità di carica in soluzioni acide e di formare strutture reticolari tramite legami a idrogeno o legami ionici, intrappolando le molecole e complessando e neutralizzando così numerosi ioni di metalli pesanti tossici e nocivi. Il chitosano e i suoi derivati ​​hanno una vasta gamma di applicazioni, non solo nel settore tessile, della stampa e tintura, della carta, della medicina, dell'alimentazione, dell'industria chimica, della biologia e dell'agricoltura, ma anche nel trattamento delle acque, dove possono essere utilizzati come adsorbenti, flocculanti, fungicidi, scambiatori ionici, nella preparazione di membrane, ecc. Il chitosano è stato approvato dall'Agenzia per la Protezione Ambientale degli Stati Uniti (EPA) come agente purificante per l'acqua potabile, grazie ai suoi vantaggi unici nelle applicazioni di approvvigionamento idrico e trattamento delle acque.

Applicazione diChitosanonel trattamento delle acque

(1) Rimuovere i solidi sospesi nel corpo idrico. Nell'acqua naturale, diventa un sistema colloidale caricato negativamente a causa della presenza di batteri argillosi, ecc. Come polimero cationico a catena lunga, il chitosano può svolgere la duplice funzione di neutralizzazione elettrica e coagulazione e adsorbimento e ponte, e ha un forte effetto coagulante sulle sostanze sospese. Rispetto all'allume e alla poliacrilammide tradizionali come flocculanti, il chitosano ha un migliore effetto chiarificante. RAVID et al. hanno studiato l'effetto del trattamento di flocculazione della distribuzione di acqua con caolino singolo quando il valore di pH del chitosano era 5-9 e hanno scoperto che la flocculazione era fortemente influenzata dal valore di pH e che il valore di pH efficace per la rimozione della torbidità era 7,0-7,5. 1 mg/L di flocculante, il tasso di rimozione della torbidità supera il 90% e i fiocchi prodotti sono grossolani e veloci e il tempo totale di sedimentazione della flocculazione non supera 1 ora; ma quando il valore del pH diminuisce o aumenta, l'efficienza di flocculazione diminuisce, indicando che solo in un intervallo di pH molto ristretto, il chitosano può formare una buona polimerizzazione con le particelle di caolino. Alcuni studi hanno scoperto che quando la sospensione di bentonite flocculata viene trattata con chitosano, l'intervallo di valori di pH adatto è ampio. Pertanto, quando l'acqua torbida contiene particelle simili al caolino, è necessario aggiungere una quantità appropriata di bentonite come coagulante per migliorare la polimerizzazione dichitosanosulle particelle. Successivamente, RAVID et al. hanno scoperto che

Se nella sospensione di caolino o biossido di titanio è presente humus, la flocculazione e la precipitazione con chitosano risultano facilitate, poiché l'humus, caricato negativamente, aderisce alla superficie delle particelle, contribuendo così alla regolazione del pH. Il chitosano ha inoltre dimostrato proprietà di flocculazione superiori per corpi idrici naturali con diversa torbidità e alcalinità.

(2) Rimuovere alghe e batteri dal corpo idrico. Negli ultimi anni, alcune persone all'estero hanno iniziato a studiare l'adsorbimento e la flocculazione del chitosano su sistemi colloidali biologici come alghe e batteri. Il chitosano ha un effetto di rimozione sulle alghe d'acqua dolce, in particolare Spirulina, alghe Oscillator, Chlorella e alghe azzurre. Gli studi hanno dimostrato che per le alghe d'acqua dolce, la rimozione è migliore a un pH di 7; per le alghe marine, il pH è inferiore. Il dosaggio appropriato di chitosano dipende dalla concentrazione di alghe nel corpo idrico. Maggiore è la concentrazione di alghe, maggiore è il dosaggio di chitosano da aggiungere e l'aumento del dosaggio di chitosano tende a causare flocculazione e precipitazione più rapidamente. La torbidità può misurare la rimozione delle alghe. Quando il valore del pH è 7, 5 mg/LchitosanoPuò rimuovere il 90% della torbidità dell'acqua e, maggiore è la concentrazione di alghe, più grossolani saranno i fiocchi e migliori saranno le prestazioni di sedimentazione.

L'esame microscopico ha mostrato che le alghe rimosse tramite flocculazione e sedimentazione erano solo aggregate e aderenti tra loro, e si trovavano ancora in uno stato intatto e attivo. Poiché il chitosano non causa effetti negativi sulle specie presenti nell'acqua, l'acqua trattata può essere ancora utilizzata per l'acquacoltura di acqua dolce, a differenza di altri flocculanti sintetici per il trattamento delle acque. Il meccanismo di rimozione dei batteri da parte del chitosano è relativamente complesso. Studiando la flocculazione di Escherichia coli con il chitosano, si è scoperto che il meccanismo di formazione di ponti sbilanciati è il meccanismo principale del sistema di flocculazione e che il chitosano produce legami idrogeno sui detriti cellulari. Un altro studio ha dimostrato che l'efficienza della flocculazione di E. coli da parte del chitosano dipende non solo dalla caricabilità del dielettrico, ma anche dalla sua dimensione idraulica.

(3) Rimuovere l'alluminio residuo e purificare l'acqua potabile. I sali di alluminio e i flocculanti di polialluminio sono ampiamente utilizzati nei processi di trattamento dell'acqua del rubinetto, ma l'uso di flocculanti a base di sali di alluminio può portare a un aumento del contenuto di alluminio nell'acqua potabile. L'alluminio residuo nell'acqua potabile rappresenta un grave pericolo per la salute umana. Sebbene anche il chitosano presenti il ​​problema del residuo nell'acqua, essendo un amminopolisaccaride alcalino naturale non tossico, il residuo non è dannoso per il corpo umano e può essere rimosso nel successivo processo di trattamento. Inoltre, l'uso combinato di chitosano e flocculanti inorganici come il policloruro di alluminio può ridurre il contenuto di alluminio residuo. Pertanto, nel trattamento dell'acqua potabile, il chitosano presenta vantaggi che altri flocculanti polimerici organici sintetici non possono sostituire.

Applicazione del chitosano nel trattamento delle acque reflue

(1) Rimuovere gli ioni metallici. La catena molecolare dichitosanoe i suoi derivati ​​contengono un gran numero di gruppi amminici e idrossilici, quindi hanno un effetto chelante su molti ioni metallici e possono adsorbire o catturare efficacemente gli ioni di metalli pesanti in soluzione. Catherine A. Eiden e altri studi hanno dimostrato che la capacità di adsorbimento del chitosano per Pb2+ e Cr3+ (in unità di chitosano) raggiunge rispettivamente 0,2 mmol/g e 0,25 mmol/g e ha una forte capacità di adsorbimento. Zhang Ting'an et al. hanno utilizzato chitosano deacetilato per rimuovere il rame mediante flocculazione. I risultati hanno mostrato che quando il valore del pH era 8,0 e la concentrazione di massa degli ioni di rame nel campione d'acqua era inferiore a 100 mg/L, il tasso di rimozione del rame era superiore al 99%; la concentrazione di massa è di 400 mg/L e la concentrazione di massa degli ioni di rame nel liquido residuo soddisfa ancora lo standard nazionale di scarico delle acque reflue. Un altro esperimento ha dimostrato che, con pH=5,0 e tempo di adsorbimento di 2 ore, il tasso di rimozione del chitosano a Ni2+ nel liquido di scarto della nichelatura chimica mediante adsorbimento poteva raggiungere il 72,25%.

(2) Trattare le acque reflue con un alto contenuto proteico come le acque reflue alimentari. Durante la lavorazione degli alimenti, vengono scaricate acque reflue contenenti una grande quantità di solidi sospesi. La molecola di chitosano contiene un gruppo ammidico, un gruppo amminico e un gruppo idrossilico. Con la protonazione del gruppo amminico, mostra il ruolo di polielettrolita cationico, che non solo ha un effetto chelante sui metalli pesanti, ma può anche flocculare e adsorbire efficacemente le particelle fini caricate negativamente nell'acqua. La chitina e il chitosano possono formare complessi tramite legami idrogeno con proteine, amminoacidi, acidi grassi, ecc. Fang Zhimin et al. hanno utilizzatochitosanoIl chitosano, solfato di alluminio, solfato ferrico e ftalammide di polipropilene, viene utilizzato come flocculante per recuperare le proteine ​​dalle acque reflue della lavorazione dei prodotti ittici. Si possono ottenere elevati tassi di recupero proteico e un'elevata trasmittanza luminosa dell'effluente. Poiché il chitosano è di per sé atossico e non produce inquinamento secondario, può essere utilizzato per riciclare sostanze utili come proteine ​​e amido presenti nelle acque reflue degli impianti di trasformazione alimentare, consentendone il riutilizzo, ad esempio come mangime per animali.

(3) Trattamento delle acque reflue di stampa e tintura. Per acque reflue di stampa e tintura si intendono le acque reflue scaricate da cotone, lana, fibre chimiche e altri prodotti tessili durante i processi di pretrattamento, tintura, stampa e finitura. Solitamente contengono sali, tensioattivi organici e coloranti, ecc., con componenti complessi, elevata cromaticità e COD elevato, e si sviluppano nella direzione antiossidante e antibiodegradabile, risultando estremamente dannose per la salute umana e per l'ambiente. Il chitosano contiene gruppi amminici e idrossilici e ha un forte effetto di adsorbimento sui coloranti, tra cui: adsorbimento fisico, adsorbimento chimico e adsorbimento per scambio ionico, principalmente attraverso legami idrogeno, attrazione elettrostatica, scambio ionico, forza di van der Waals, interazione idrofobica, ecc. Allo stesso tempo, la struttura molecolare del chitosano contiene un gran numero di gruppi amminici primari, che formano un eccellente agente chelante polimerico attraverso legami di coordinazione, in grado di agglutinare i coloranti nelle acque reflue, risultando atossico e non producendo inquinamento secondario.

(4) Applicazione nella disidratazione dei fanghi. Attualmente, la stragrande maggioranza degli impianti di depurazione delle acque reflue urbane utilizza poliacrilammide cationica per trattare i fanghi. La pratica ha dimostrato che questo agente ha un buon effetto flocculante ed è facile da disidratare, ma il suo residuo, in particolare il monomero di acrilammide, è un forte cancerogeno. Pertanto, è un lavoro molto significativo cercare di sostituirlo. Il chitosano è un buon condizionatore di fanghi, che aiuta a formare micelle di batteri del fango attivo, che possono agglomerare la materia sospesa carica negativamente e la materia organica nella soluzione e migliorare l'efficienza del trattamento del processo a fanghi attivi. Gli studi hanno dimostrato che il flocculante composito di policloruro di alluminio/chitosano non solo ha un effetto evidente nel condizionamento dei fanghi, ma rispetto all'uso di un singolo PAC o chitosano, la resistenza specifica dei fanghi raggiunge prima un punto basso e la velocità di filtrazione è più alta. È veloce ed è un condizionatore migliore; Inoltre, tre tipi di chitosano carbossimetilico (chitosano N-carbossimetilico, chitosano N,O-carbossimetilico e chitosano O-carbossimetilico) sono utilizzati come flocculante. È stata testata la prestazione di disidratazione dei fanghi ed è stato riscontrato che i fiocchi formati erano resistenti e non si rompevano facilmente, indicando che l'effetto del flocculante sulla disidratazione dei fanghi era significativamente migliore di quello dei flocculanti ordinari.

ChitosanoIl chitosano e i suoi derivati ​​sono ricchi di risorse, naturali, non tossici, biodegradabili e possiedono contemporaneamente diverse proprietà. Sono agenti ecocompatibili per il trattamento delle acque. La sua materia prima, la chitina, è il secondo composto organico naturale più abbondante sulla Terra. Pertanto, negli ultimi anni, lo sviluppo del chitosano nel trattamento delle acque ha registrato una crescita significativa. Come polimero naturale che trasforma i rifiuti in risorse preziose, il chitosano è stato inizialmente impiegato in molti settori, ma le prestazioni e le applicazioni dei prodotti nazionali presentano ancora un certo divario rispetto a quelli di altri paesi avanzati. Con l'approfondimento della ricerca sul chitosano e i suoi derivati, in particolare sul chitosano modificato con eccellenti proprietà di sintesi, il suo valore applicativo è in costante aumento. Esplorare le tecnologie di applicazione del chitosano nel trattamento delle acque e sviluppare prodotti ecocompatibili a base di derivati ​​del chitosano con una gamma di applicazioni più ampia avrà un enorme valore di mercato e prospettive di applicazione considerevoli.

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