Di: Kate
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Data: 13 novembre 2024
Le attività industriali e domestiche consumano grandi quantità di risorse idriche e generano notevoli quantità di acque reflue, portando a problemi di scarsità idrica e al peggioramento della qualità dell’acqua in molti paesi. Pertanto, ottenere un trattamento e un riciclaggio senza inquinamento delle acque reflue è un problema urgente che deve essere affrontato. Il metodo di coagulazione e sedimentazione è semplice da usare ed economico, ampiamente applicato nel trattamento delle acque reflue industriali. I coagulanti comunemente usati possono essere classificati in tre categorie principali: coagulanti inorganici, coagulanti polimerici organici e coagulanti microbici. Tra questi, i coagulanti inorganici a basso costo sono attualmente i più utilizzati, mentre i coagulanti organici mostrano i migliori effetti terapeutici. I coagulanti microbici sono ancora in fase di ricerca di laboratorio. Lo sviluppo di nuovi coagulanti compositi efficienti, sicuri ed economici è la tendenza principale per il futuro dello sviluppo dei coagulanti.
Classificazione dei coagulanti
Il meccanismo di coagulazione più ampiamente accettato prevede due processi: coagulazione e flocculazione. Il processo di coagulazione si riferisce alla destabilizzazione delle particelle colloidali e alla formazione di piccoli aggregati; il processo di flocculazione prevede che questi piccoli aggregati si leghino insieme sotto l'influenza del coagulante per formare fiocchi più grandi. I meccanismi primari dei coagulanti comprendono la compressione del doppio strato elettrico, l'effetto ponte di adsorbimento e la flocculazione radicale, che destabilizzano le particelle colloidali nell'acqua, portando alla loro aggregazione e sedimentazione, ottenendo così l'effetto flocculazione. I coagulanti comuni possono essere classificati in tre categorie principali: coagulanti inorganici, coagulanti polimerici organici e coagulanti microbici.
01 Coagulanti inorganici
Il principio di azione dei coagulanti inorganici prevede la compressione del doppio strato elettrico e la neutralizzazione della carica. I coagulanti formano controioni nelle acque reflue, che comprimono il doppio strato elettrico, determinando una diminuzione del potenziale zeta dei colloidi, facendo scomparire lo strato di idratazione sulla superficie, destabilizzando i colloidi. Successivamente, le particelle colloidali cariche si aggregano attraverso interazioni intermolecolari e forze elettrostatiche per formare fiocchi grandi e densi.
I coagulanti inorganici possono essere classificati in base a diversi criteri: in base alla composizione anionica possono essere suddivisi in a base di solfati e a base di cloruri; in base al peso molecolare, possono essere classificati in ad alto peso molecolare e a basso peso molecolare; e in base al tipo di sali metallici, possono essere classificati in sali di ferro (come cloruro ferrico, solfato ferroso e solfato ferrico) e sali di alluminio (come solfato di alluminio, solfato di alluminio e potassio e alluminato di sodio).
I fiocchi formati da sali di ferro sono grandi e densi, richiedono un dosaggio inferiore e funzionano bene a basse temperature con un ampio intervallo di pH adatto (tra 5,0 e 11). Tuttavia, i sali di ferro possono essere corrosivi per le apparecchiature, rendendo necessario un attento monitoraggio delle condizioni delle apparecchiature e delle tubazioni durante l'uso. I sali di alluminio hanno tempi di sedimentazione più brevi e un colore più basso dopo il trattamento, ma la loro efficacia dipende fortemente dal pH. Inoltre, elevati livelli residui di Al³⁺ nell'acqua possono portare a un inquinamento secondario, causando potenzialmente il morbo di Alzheimer e l'anemia quando entrano nel corpo umano, quindi è necessario prestare particolare attenzione per evitare l'inquinamento secondario.
Questi coagulanti a basso peso molecolare sono poco costosi e ampiamente reperiti, ma presentano problemi quali quantità elevate di utilizzo, produzione significativa di fanghi e scarsa efficacia. Pertanto, vi è un graduale passaggio dai coagulanti inorganici a basso peso molecolare a quelli ad alto peso molecolare. Attualmente, i coagulanti inorganici ad alto peso molecolare comunemente usati includono coagulanti polimerici di alluminio, coagulanti polimerici di ferro, coagulanti di silice reattiva e coagulanti compositi. La loro azione si basa principalmente sull'effetto ponte, presentando vantaggi quali minore sensibilità al pH e alla temperatura, effetti di adsorbimento stabili, dosaggio inferiore e meno colore residuo. Negli ultimi anni, la scala di produzione di coagulanti inorganici ad alto peso molecolare è gradualmente aumentata, rappresentando l'80% della produzione totale di coagulanti, mostrando in particolare effetti significativi nel trattamento delle acque reflue ad alta torbidità.
02 Coagulanti polimerici organici
I principi d’azione dei coagulanti organici comprendono principalmente:
(1)adsorbimento di particelle colloidali attraverso legami idrogeno, interazioni elettrostatiche e forze di van der Waals;
(2) i segmenti della catena polimerica facilitano la sedimentazione delle particelle attraverso un meccanismo di adsorbimento a ponte. Rispetto ai coagulanti inorganici, i coagulanti polimerici organici presentano vantaggi come una migliore efficacia del trattamento, tempi di flocculazione più brevi, idoneità alle basse temperature, un ampio intervallo di pH e una minore produzione di fanghi.
I coagulanti polimerici organici possono essere suddivisi in due categorie: coagulanti polimerici naturali modificati e coagulanti polimerici sintetici. I coagulanti polimerici sintetici hanno pesi molecolari controllabili e relativamente elevati e possono introdurre un numero maggiore di gruppi funzionali nei segmenti della catena, fornendo eccellenti effetti di flocculazione. Attualmente il coagulante polimerico sintetico più rappresentativo nel mercato cinese è la poliacrilammide (PAM) e i suoi derivati, che rappresentano l’80% del mercato totale.
A differenza dei polimeri sintetici, che hanno costi di produzione elevati e tossicità ambientale, i coagulanti polimerici naturali modificati presentano vantaggi come ampia disponibilità, costi inferiori, sicurezza, non tossicità e caratteristiche molecolari personalizzabili. I coagulanti polimerici modificati naturali comprendono principalmente derivati dell'amido, chitosano, cellulosa, gomma guar e altre gomme, proteine e alghe di origine vegetale, che possono tutti provenire da piante e animali.
Ad esempio, le molecole di amido modificato possono ottenere eccellenti effetti di flocculazione; l'amido cationico eterificato e i suoi derivati possono flocculare efficacemente particelle caricate negativamente, mentre le strutture di amido ramificate hanno forti effetti di flocculazione sugli ioni di metalli pesanti come rame, mercurio e piombo. I copolimeri a innesto di amido copolimerizzati con altri monomeri possono anche rimuovere efficacemente gli ioni di metalli pesanti. La modifica del chitosano può essere ottenuta attraverso metodi quali innesto, esterificazione, reticolazione e alchilazione. Vari tipi di coagulanti polimerici naturali possono ottenere una gamma di proprietà desiderate attraverso modifiche e modifiche chimiche per soddisfare le esigenze della produzione pratica e della vita quotidiana.
03 Flocculanti microbici
I flocculanti microbici sono prodotti ad alto peso molecolare e biomassa generati dalla crescita e dal metabolismo di specifici microrganismi coltivati in una determinata fase. Possono provocare l'aggregazione e la sedimentazione delle particelle solide sospese nelle acque reflue, raggiungendo così lo scopo di purificare i corpi idrici. I flocculanti microbici hanno un’ampia gamma di fonti e sono convenienti; sono generalmente composti da polisaccaridi, proteine, catene di DNA, glicoproteine e poliamminoacidi. Possono degradarsi naturalmente senza causare inquinamento secondario.
Esistono molti microrganismi in grado di produrre flocculanti, che possono essere facilmente industrializzati attraverso la progettazione del percorso. Tuttavia, la ricerca sui flocculanti microbici in Cina è ancora limitata e gli studi attuali sono per lo più a livello di laboratorio, lontani dal raggiungimento della produzione industriale.
Prospettive di sviluppo dei flocculanti
I flocculanti hanno un'ampia gamma di applicazioni nel trattamento delle acque reflue, rimuovendo efficacemente varie impurità sospese o solubili, ioni metallici, batteri, virus e altri inquinanti. Aiutano a ottenere la deossigenazione, la decolorazione e la rimozione del fosforo, con conseguente trattamento delle acque reflue non inquinante ed efficiente in termini di risorse. Con il continuo progresso della ricerca, i tipi di flocculanti utilizzati nel trattamento delle acque reflue in Cina sono passati da flocculanti inorganici a basso peso molecolare a flocculanti organici ad alto peso molecolare e da tipi singoli a compositi, puntando all'efficienza, al rapporto costo-efficacia e al rispetto dell'ambiente.
Rispetto ai flocculanti inorganici e ai flocculanti sintetici ad alto peso molecolare ampiamente utilizzati, i flocculanti naturali ad alto peso molecolare presentano vantaggi distinti come ampia disponibilità, basso costo, sicurezza, non tossicità e rispetto dell'ambiente. Le acque reflue industriali sono spesso di volume elevato, di composizione complessa e costituite da dispersioni stabili; pertanto, un singolo flocculante potrebbe non rimuovere efficacemente tutti i componenti.
Recentemente, c'è stata una tendenza verso l'utilizzo di flocculanti compositi inorganici-organici e inorganici-microbici, sfruttando gli effetti sinergici dei flocculanti inorganici-organici. Innanzitutto, i flocculanti inorganici neutralizzano le cariche e aggregano le impurità in grandi cluster molecolari, seguiti da flocculanti organici ad alto peso molecolare che catturano questi cluster attraverso un'azione di ponte per un'efficace sedimentazione. L'uso di flocculanti inorganici può ridurre la quantità di flocculanti organici necessaria, ottenendo risultati ottimali a un costo inferiore. Tuttavia, formulazioni e dosaggi specifici devono essere continuamente testati in base al tipo di acque reflue.
Attualmente, i flocculanti compositi di policloruro di alluminio-poliacrilammide sono comunemente usati e mostrano una buona efficacia; tuttavia, comportano alcuni rischi ambientali. La ricerca futura potrebbe concentrarsi sulla combinazione di flocculanti inorganici di silice polimerica con flocculanti organici naturali ad alto peso molecolare per migliorare la compatibilità ambientale. Se fosse possibile realizzare la produzione industriale di flocculanti microbici, anche i sistemi flocculanti compositi inorganici-microbici dovrebbero fornire eccellenti risultati di trattamento.
Il deterioramento della qualità dell’acqua dovuto alle attività produttive umane ha reso urgente il trattamento delle acque reflue, non inquinante ed efficiente sotto il profilo delle risorse. L'uso di metodi e agenti di flocculazione appropriati può ottenere risultati di trattamento eccellenti a costi bassi. Attualmente, i flocculanti sono passati dal basso peso molecolare all'alto peso molecolare e dal tipo singolo al tipo composito, rimuovendo efficacemente impurità sospese e disciolte, metalli pesanti e coloranti dalle acque reflue.