Analisi sperimentali e modellistiche della rimozione del COD da acque reflue industriali utilizzando TiO2

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11088 (2022) Citare questo articolo

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Nel presente studio, nanoparticelle di ossido di titanio (TiO2), chitosano e diversi nanocompositi contenenti diversi dosaggi di massa di TiO2 e chitosano sono stati applicati come adsorbente per la rimozione del COD dalle acque reflue industriali (Bouali Sina Petrochemical Company, Iran). I test FESEM, XRD e FTIR sono stati impiegati per caratterizzare nanoparticelle di TiO2, chitosano e nanocompositi fabbricati. Quindi, l'effetto dei parametri di adsorbimento, incluso il rapporto di massa TiO2–chitosano (1:1, 1:2 e 2:1), contenuto adsorbente (0,25–2,5 g), temperatura (20–50 °C), pH (3 –11), il volume della soluzione (100–500 mL) e il tempo di contatto (30–180 minuti) sulla riduzione del COD sono stati monitorati sia sperimentalmente che numericamente. Il disegno Box-Behnken dell'esperimento approva che TiO2-chitosano (1:1), contenuto di adsorbente di 2,5 g, temperatura = 20 °C, pH 7,4, volume della soluzione di 100 mL e tempo di contatto = 180 minuti sono la condizione che massimizza la rimozione del COD (ovvero, 94,5%). Inoltre, i modelli Redlich-Peterson e Pseudo-secondo ordine sono i migliori scenari isotermici e cinetici per descrivere i comportamenti transitori e di equilibrio della rimozione del COD. La capacità massima di adsorbimento di COD monostrato del nanocomposito TiO2-chitosano è 89,5 mg g−1. I risultati hanno rivelato che è meglio rimuovere il COD delle acque reflue industriali utilizzando TiO2–chitosano (1:1) a temperatura = 20 °C.

La quantità di ossigeno necessaria per ossidare gli inquinanti organici nelle acque reflue è definita come COD (domanda chimica di ossigeno) o BOD (domanda biologica di ossigeno)1. È possibile utilizzare scenari chimici2, fisici2 e biologici3, come adsorbimento4,5, nano-adsorbimento6, membrana7, scambio ionico, elettrocoagulazione8, bioflocculazione9, fanghi di depurazione10,11 e filtrazione12,13 per il trattamento dei flussi di rifiuti. Infatti, quei processi di separazione che utilizzano materiali solidi porosi (ad esempio, adsorbimento) sono tra le tecniche più diffuse per le loro caratteristiche economico/operative e per l'elevata efficienza di rimozione ottenibile14,15,16. In generale, i vantaggi del processo di adsorbimento rispetto ad altri metodi sono: prestazioni elevate, basso costo, ampi intervalli di pH e facilità d'uso. D'altra parte, il prodotto di scarto e la bassa selettività sono alcuni dei principali svantaggi del processo di adsorbimento17.

Oggigiorno, i materiali solidi su scala nanometrica hanno migliorato con successo le proprietà dei fluidi di lavoro18,19, delle leghe20,21 e dei polimeri22, l’efficienza dei collettori solari23 e le prestazioni dei processi di trattamento delle acque reflue24. Keshtkar et al. hanno utilizzato le nanoparticelle di allumina sintetizzate con diverse aree superficiali specifiche per assorbire gli ioni di nichel dalle acque reflue sintetiche24. Esmaeili-Faraj et al. hanno studiato la desolforazione di un campione reale di carburante diesel applicando il nanocomposito allumina/polimero da prospettive numeriche e sperimentali25.

I nanocompositi a base di chitosano sono stati ampiamente utilizzati per il trattamento dell'acqua e delle acque reflue26,27. Questa popolarità è associata al basso costo del chitosano e ai suoi gruppi funzionali amminici o idrossilici. Chung ha esaminato l'applicabilità del chitosano con vari gradi di deacetilazione per il trattamento delle acque reflue dell'acquacoltura28. Per il chitosano è stata riportata una rimozione ottimale del COD pari al 69,7% con un grado di deacetilazione del 98%. Dionisi et al. ha esaminato l'impatto dell'adsorbente chitosano e del pH sull'eliminazione degli inquinanti dalle acque reflue della birra29. Thirugnanasambandham e Sivakumar si sono concentrati sul nanocomposito di ossido di zinco e chitosano per trattare in modo efficiente le acque reflue dell'industria di lavorazione del latte30. È stato riferito che il COD e la torbidità possono essere ridotti applicando il nanocomposito di ossido di zinco-chitosano. L'efficienza di adsorbimento del Chitosano-Citral Schiff per il trattamento delle acque reflue di un'industria lattiero-casearia è stata studiata da Tsaneva et al.31. L'efficienza massima di rimozione del COD era di circa il 35,3% in condizioni ottimali. Ligaray et al. hanno studiato l'applicabilità del composito bentonite-chitosano per la rimozione del COD da un flusso di acque reflue industriali contenente una concentrazione iniziale di COD di 1348 ppm32. La rimozione massima del COD pari al 73,34% è stata raggiunta in condizioni ottimali. La cinetica di rimozione dei metalli pesanti (rame, cadmio e cromo) dalle acque reflue utilizzando adsorbenti a base di chitosano è stata studiata da Prakash et al.33,34,35. I risultati mostrano che quel modello cinetico di pseudo secondo ordine si correla meglio con i dati sperimentali33 ,34,35.