Trattamento delle acque reflue con chitosano

Nei sistemi di trattamento delle acque convenzionali, i flocculanti più utilizzati sono i sali di alluminio e i sali di ferro. I sali di alluminio rimanenti nell'acqua trattata mettono in pericolo la salute umana e i sali di ferro residui ne influenzano il colore, ecc.; nella maggior parte dei sistemi di trattamento delle acque reflue, è difficile superare i problemi di inquinamento secondario, come l'elevata quantità di fanghi e la difficoltà di smaltimento degli stessi. 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 sali di ferro è la necessità per attuare strategie di sviluppo sostenibile oggi. I flocculanti polimerici naturali hanno attirato molta attenzione tra molti flocculanti grazie alle loro abbondanti fonti di materie prime, al basso prezzo, all'ottima selettività, al dosaggio ridotto, alla sicurezza e alla non tossicità e alla completa biodegradazione. Dopo decenni di sviluppo, è emerso un gran numero di flocculanti polimerici naturali con diverse proprietà e utilizzi, tra cui amido, lignina, chitosano e colla vegetale sono attualmente ampiamente utilizzati.

ChitosanoProprietà

Il chitosano è un solido bianco amorfo, traslucido e scaglioso, insolubile in acqua ma solubile in acido, che è il prodotto di deacetilazione della chitina. In generale, il chitosano può essere chiamato chitosano quando il gruppo N-acetile nella chitina viene rimosso di oltre il 55%. La chitina è il componente principale degli esoscheletri di animali e insetti ed è il secondo composto organico naturale più grande sulla Terra dopo la cellulosa. Come flocculante, il chitosano è naturale, non tossico e degradabile. Ci sono molti gruppi ossidrilici, gruppi amminici e alcuni gruppi N-acetilammino distribuiti sulla catena macromolecolare del chitosano, che possono formare polielettroliti cationici con elevata densità di carica in soluzioni acide e possono anche formare strutture reticolari mediante legami idrogeno o legami ionici. Le molecole di chitosano sono ingabbiate, complessando e rimuovendo così molti ioni di metalli pesanti tossici e nocivi. Il chitosano e i suoi derivati ​​hanno un'ampia gamma di utilizzi, non solo nell'industria tessile, della stampa e tintura, della fabbricazione della carta, in medicina, nell'industria alimentare, chimica, biologica e agricola e in molti altri campi, ma anche nel trattamento delle acque, dove possono essere utilizzati come assorbenti, agenti flocculari, fungicidi, scambiatori ionici, preparazioni di membrane, ecc. Il chitosano è stato approvato dall'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti come agente purificante per l'acqua potabile grazie ai suoi vantaggi unici nelle applicazioni di approvvigionamento idrico e nel trattamento delle acque.

Applicazione diChitosanonel trattamento delle acque

(1) Rimuovere i solidi sospesi nel corpo idrico. In acqua naturale, si trasforma in 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 e coagulazione elettrica e di adsorbimento e formazione di ponti, e ha un forte effetto coagulante sulle sostanze sospese. Rispetto ai tradizionali flocculanti allume e poliacrilammide, il chitosano ha un migliore effetto chiarificante. RAVID et al. hanno studiato l'effetto del trattamento di flocculazione sulla distribuzione di acqua a singolo caolino quando il pH del chitosano era compreso tra 5 e 9, e hanno scoperto che la flocculazione era fortemente influenzata dal pH e che il pH effettivo di rimozione della torbidità era compreso tra 7,0 e 7,5. Con 1 mg/L di flocculante, la velocità di rimozione della torbidità supera il 90% e i fiocchi prodotti sono grossolani e rapidi, e il tempo totale di sedimentazione per flocculazione non supera 1 ora; Tuttavia, 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 particelle di caolino. Alcuni studi hanno dimostrato che quando la sospensione di bentonite flocculata viene trattata con chitosano, l'intervallo di valori di pH idoneo 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, è facile floccularlo e precipitarlo con il chitosano, poiché l'humus, caricato negativamente, aderisce alla superficie delle particelle e facilita la regolazione del pH. Il chitosano ha comunque mostrato proprietà di flocculazione superiori per corpi idrici naturali con diversi livelli di torbidità e alcalinità.

(2) Rimuovere alghe e batteri dal corpo idrico. Negli ultimi anni, alcuni ricercatori 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 oscillatrici, Chlorella e alghe verdi-azzurre. Gli studi hanno dimostrato che per le alghe d'acqua dolce, la rimozione è ottimale 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 la dose di chitosano da aggiungere, e l'aumento del dosaggio di chitosano tende a causare flocculazione e precipitazione più rapide. La torbidità può misurare la rimozione delle alghe. Quando il valore di pH è di 7,5 mg/L.chitosanopuò rimuovere il 90% della torbidità dell'acqua e maggiore è la concentrazione di alghe, più grossolane saranno le particelle di fiocchi e migliore sarà la prestazione di sedimentazione.

L'esame microscopico ha mostrato che le alghe rimosse tramite flocculazione e sedimentazione erano solo aggregate e unite, e si trovavano ancora intatte e attive. Poiché il chitosano non causa effetti negativi sulle specie presenti nell'acqua, l'acqua trattata può essere comunque utilizzata per l'acquacoltura d'acqua dolce, a differenza di altri flocculanti sintetici per il trattamento delle acque. Il meccanismo di rimozione del chitosano dai batteri è relativamente complesso. Studiando la flocculazione di Escherichia coli con chitosano, si è scoperto che il meccanismo di bridging sbilanciato è il meccanismo principale del sistema di flocculazione e che il chitosano produce legami a idrogeno sui detriti cellulari. Un altro studio ha dimostrato che l'efficienza della flocculazione del chitosano di Escherichia coli 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 a base di polialluminio sono ampiamente utilizzati nei processi di trattamento dell'acqua di rubinetto, ma l'uso di flocculanti a base di sali di alluminio può portare ad un aumento del contenuto di alluminio nell'acqua potabile. L'alluminio residuo nell'acqua potabile rappresenta un grave rischio per la salute umana. Sebbene anche il chitosano presenti il ​​problema dei residui nell'acqua, essendo un amminopolisaccaride alcalino naturale non tossico, i residui non causano danni all'organismo umano e possono essere rimossi nel successivo processo di trattamento. Inoltre, l'uso combinato di chitosano e flocculanti inorganici come il cloruro di polialluminio 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 ossidrilici, quindi hanno un effetto chelante su molti ioni metallici e possono adsorbire o catturare efficacemente ioni di metalli pesanti nella soluzione. Catherine A. Eiden e altri studi hanno dimostrato che la capacità di adsorbimento del chitosano su Pb2+ e Cr3+ (in unità di chitosano) raggiunge rispettivamente 0,2 mmol/g e 0,25 mmol/g, e presenta 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 pH era 8,0 e la concentrazione in massa di ioni rame nel campione d'acqua era inferiore a 100 mg/L, il tasso di rimozione del rame era superiore al 99%; la concentrazione in massa è di 400 mg/L e la concentrazione in massa di ioni rame nel liquido residuo soddisfa ancora lo standard nazionale sugli scarichi delle acque reflue. Un altro esperimento ha dimostrato che, con pH=5,0 e tempo di adsorbimento pari a 2 ore, il tasso di rimozione del chitosano in Ni2+ nel liquido di scarto della nichelatura chimica di adsorbimento può raggiungere il 72,25%.

(2) Trattare acque reflue ad alto contenuto proteico, come quelle alimentari. Durante la lavorazione alimentare, 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 ossidrilico. 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 efficacemente e adsorbire particelle fini a carica negativa presenti nell'acqua. Chitina e chitosano possono formare complessi mediante legami a idrogeno con proteine, amminoacidi, acidi grassi, ecc. Fang Zhimin et al. hanno utilizzatochitosano, solfato di alluminio, solfato ferrico e ftalamide di polipropilene come flocculanti per il recupero di proteine ​​dalle acque reflue della lavorazione dei prodotti ittici. È possibile ottenere un elevato tasso di recupero proteico e un'elevata trasmissione luminosa dell'effluente. Poiché il chitosano di per sé non è tossico e non presenta inquinanti secondari, può essere utilizzato per riciclare sostanze utili come proteine ​​e amido presenti nelle acque reflue degli impianti di trasformazione alimentare, per la lavorazione e il riutilizzo, ad esempio aggiungendolo ai mangimi per animali.

(3) Trattamento delle acque reflue da stampa e tintura. Le acque reflue da stampa e tintura si riferiscono alle acque reflue scaricate da cotone, lana, fibre chimiche e altri prodotti tessili nei processi di pretrattamento, tintura, stampa e finissaggio. Generalmente contengono sali, tensioattivi organici e coloranti, ecc., con componenti complessi, elevato croma e COD elevato, e sviluppano un'azione antiossidante e antibiodegradante, estremamente dannosa per la salute umana e l'ambiente. Il chitosano contiene gruppi amminici e ossidrilici e ha un forte effetto di adsorbimento sui coloranti, tra cui: adsorbimento fisico, adsorbimento chimico e adsorbimento per scambio ionico, principalmente attraverso legami a 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 per polimeri attraverso legami di coordinazione, in grado di agglutinare i coloranti nelle acque reflue, non è tossico e non produce inquinamento secondario.

(4) Applicazione nella disidratazione dei fanghi. Attualmente, la stragrande maggioranza degli impianti di trattamento delle acque reflue urbane utilizza poliacrilammide cationica per il trattamento dei fanghi. La pratica ha dimostrato che questo agente ha un buon effetto flocculante ed è facile da disidratare, ma i suoi residui, in particolare il monomero di acrilammide, sono fortemente cancerogeni. Pertanto, è molto significativo ricercarne un sostituto. Il chitosano è un buon condizionatore dei fanghi, che contribuisce alla formazione di micelle batteriche nei fanghi attivi, in grado di agglomerare le sostanze sospese e organiche caricate negativamente nella soluzione e migliorare l'efficienza del trattamento dei fanghi attivi. Studi hanno dimostrato che il flocculante composito a base di cloruro di polialluminio/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 inizialmente un punto basso e la velocità di filtrazione è maggiore. È rapido ed è un condizionatore migliore; Inoltre, vengono utilizzati tre tipi di carbossimetil chitosano (N-carbossimetil chitosano, N, O-carbossimetil chitosano e O-carbossimetil chitosano). Il flocculante è stato testato sulle prestazioni di disidratazione dei fanghi e si è scoperto che i fiocchi formati erano resistenti e non facili da rompere, il che indica che l'effetto del flocculante sulla disidratazione dei fanghi era significativamente migliore rispetto a quello dei flocculanti ordinari.

Chitosanoe i suoi derivati ​​sono ricchi di risorse, naturali, atossici, degradabili e presentano diverse proprietà. Sono agenti ecologici per il trattamento delle acque. La loro materia prima, la chitina, è il secondo composto organico naturale più grande al mondo. Pertanto, negli ultimi anni, lo sviluppo del chitosano nel trattamento delle acque ha registrato un evidente slancio di crescita. Essendo un polimero naturale che trasforma i rifiuti in risorse preziose, il chitosano è stato inizialmente applicato in molti campi, ma le prestazioni e l'applicazione dei prodotti nazionali presentano ancora un certo divario rispetto ad altri paesi avanzati. Con l'approfondimento della ricerca sul chitosano e sui suoi derivati, in particolare sul chitosano modificato con eccellenti proprietà di sintesi, il suo valore applicativo è in continua crescita. L'esplorazione della tecnologia applicativa del chitosano nel trattamento delle acque e lo sviluppo di prodotti ecocompatibili a base di derivati ​​del chitosano con una gamma di applicazioni più ampia offriranno un valore di mercato e prospettive applicative molto ampie.

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