Tratamento de águas residuais com quitosana

Nos sistemas convencionais de tratamento de água, os floculantes mais utilizados são os sais de alumínio e os sais de ferro. Os sais de alumínio que permanecem na água tratada representam um risco para a saúde humana, e os sais de ferro residuais afetam a cor da água, entre outros problemas. Além disso, na maioria dos sistemas de tratamento de efluentes, é difícil superar os problemas de poluição secundária, como a grande quantidade de lodo gerada e a dificuldade de descarte desse lodo. Portanto, a busca por um produto natural que não cause poluição secundária ao meio ambiente, para substituir os floculantes à base de sais de alumínio e ferro, é uma necessidade para a implementação de estratégias de desenvolvimento sustentável na atualidade. Os floculantes poliméricos naturais têm atraído muita atenção devido à abundância de suas fontes de matéria-prima, baixo custo, boa seletividade, baixa dosagem, segurança, atoxicidade e completa biodegradabilidade. Após décadas de desenvolvimento, um grande número de floculantes poliméricos naturais com diferentes propriedades e aplicações surgiu, entre os quais o amido, a lignina, a quitosana e a cola vegetal são amplamente utilizados atualmente.

QuitosanaPropriedades

A quitosana é um sólido branco, amorfo, translúcido e em flocos, insolúvel em água, mas solúvel em ácido, sendo o produto da desacetilação da quitina. De modo geral, considera-se quitosana quando o grupo N-acetil da quitina é removido em mais de 55%. A quitina é o principal componente dos exoesqueletos de animais e insetos, sendo o segundo composto orgânico natural mais abundante na Terra, depois da celulose. Como floculante, a quitosana é natural, atóxica e degradável. A cadeia macromolecular da quitosana apresenta diversos grupos hidroxila, grupos amino e alguns grupos N-acetilamino, que podem formar polieletrólitos catiônicos com alta densidade de carga em soluções ácidas, além de estruturas semelhantes a redes por meio de ligações de hidrogênio ou iônicas. Assim, a quitosana atua como um "gaiola molecular", complexando e removendo muitos íons de metais pesados ​​tóxicos e nocivos. A quitosana e seus derivados têm uma ampla gama de usos, não apenas nas indústrias têxtil, de impressão e tingimento, de fabricação de papel, médica, alimentícia, química, biológica e agrícola, entre muitas outras, onde apresentam inúmeras aplicações, mas também no tratamento de água, podendo ser utilizada como adsorvente, agente floculante, fungicida, trocador iônico, em preparações de membranas, etc. A quitosana foi aprovada pela Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) como agente purificador de água potável devido às suas vantagens exclusivas em aplicações de abastecimento e tratamento de água.

Aplicação deQuitosanano tratamento de água

(1) Remover sólidos em suspensão no corpo d'água. Em águas naturais, a presença de bactérias, argilas, etc., torna-se um sistema coloidal carregado negativamente. Como um polímero catiônico de cadeia longa, a quitosana pode desempenhar as funções duplas de neutralização elétrica e coagulação, além de adsorção e formação de pontes, e possui um forte efeito coagulante sobre as substâncias em suspensão. Comparada com o sulfato de alumínio e a poliacrilamida tradicionais como floculantes, a quitosana apresenta melhor efeito clarificante. RAVID et al. estudaram o efeito do tratamento de floculação na distribuição de água com caulim quando o valor de pH da quitosana era de 5 a 9, e descobriram que a floculação era fortemente influenciada pelo valor de pH, sendo o valor de pH efetivo para a remoção da turbidez entre 7,0 e 7,5. Com 1 mg/L de floculante, a taxa de remoção da turbidez ultrapassa 90%, os flocos produzidos são grossos e se formam rapidamente, e o tempo total de sedimentação por floculação não excede 1 hora; Mas quando o valor do pH diminui ou aumenta, a eficiência da floculação diminui, indicando que apenas em uma faixa de pH muito estreita, a quitosana consegue formar uma boa polimerização com as partículas de caulim. Alguns estudos descobriram que, quando a suspensão de bentonita floculada é tratada com quitosana, a faixa de pH adequada é ampla. Portanto, quando a água turva contém partículas semelhantes ao caulim, é necessário adicionar uma quantidade apropriada de bentonita como coagulante para melhorar a polimerização.quitosananas partículas. Mais tarde, RAVID et al. descobriram que

Se houver húmus na suspensão de caulim ou dióxido de titânio, ele se floculou e precipitou facilmente com quitosana, pois o húmus, com sua carga negativa, adere à superfície das partículas, facilitando o ajuste do pH. A quitosana demonstrou propriedades de floculação superiores em corpos d'água naturais com diferentes níveis de turbidez e alcalinidade.

(2) Remover algas e bactérias da água. Nos últimos anos, pesquisadores estrangeiros começaram a estudar a adsorção e floculação da quitosana em sistemas coloidais biológicos, como algas e bactérias. A quitosana tem efeito removedor sobre algas de água doce, como Spirulina, algas oscilantes, Chlorella e cianobactérias. Estudos mostraram que, para algas de água doce, a remoção é mais eficaz em pH 7; para algas marinhas, o pH ideal é menor. A dosagem adequada de quitosana depende da concentração de algas na água. Quanto maior a concentração de algas, maior a dosagem de quitosana necessária, e o aumento da dosagem tende a acelerar a floculação e a precipitação. A turbidez pode ser usada para medir a remoção de algas. Quando o pH é 7, a turbidez deve ser de 5 mg/L.quitosanaPode remover 90% da turbidez da água, e quanto maior a concentração de algas, mais grossas serão as partículas de flocos e melhor será o desempenho da sedimentação.

O exame microscópico mostrou que as algas removidas por floculação e sedimentação estavam apenas agregadas e aderidas umas às outras, mantendo-se intactas e ativas. Como a quitosana não causa efeitos negativos sobre as espécies presentes na água, a água tratada pode continuar sendo utilizada na aquicultura de água doce, diferentemente de outros floculantes sintéticos para tratamento de água. O mecanismo de remoção de bactérias pela quitosana é relativamente complexo. Ao estudar a floculação de Escherichia coli com quitosana, descobriu-se que o mecanismo de ponteamento desequilibrado é o principal mecanismo do sistema de floculação, e que a quitosana forma ligações de hidrogênio com os detritos celulares. Outro estudo demonstrou que a eficiência da floculação de E. coli pela quitosana depende não apenas da capacidade de carga do dielétrico, mas também de sua dimensão hidráulica.

(3) Remover alumínio residual e purificar água potável. Sais de alumínio e floculantes de polialumínio são amplamente utilizados em processos de tratamento de água da torneira, mas o uso de floculantes de sal de alumínio pode levar ao aumento do teor de alumínio na água potável. O alumínio residual na água potável representa um sério risco à saúde humana. Embora a quitosana também apresente o problema de resíduos na água, por ser um aminopolissacarídeo alcalino natural e não tóxico, o resíduo não causa danos ao corpo humano e pode ser removido no processo de tratamento subsequente. Além disso, o uso combinado de quitosana e floculantes inorgânicos, como o cloreto de polialumínio, pode reduzir o teor de alumínio residual. Portanto, no tratamento de água potável, a quitosana apresenta vantagens que outros floculantes poliméricos orgânicos sintéticos não podem substituir.

Aplicação da quitosana no tratamento de águas residuais

(1) Remover íons metálicos. A cadeia molecular dequitosanaA quitosana e seus derivados contêm um grande número de grupos amino e hidroxila, o que lhe confere um efeito quelante sobre muitos íons metálicos, podendo adsorver ou capturar eficazmente íons de metais pesados ​​em solução. Catherine A. Eiden e outros estudos demonstraram que a capacidade de adsorção da quitosana para Pb²⁺ e Cr³⁺ (por unidade de quitosana) atinge 0,2 mmol/g e 0,25 mmol/g, respectivamente, apresentando uma forte capacidade de adsorção. Zhang Ting'an et al. utilizaram quitosana desacetilada para remover cobre por floculação. Os resultados mostraram que, quando o pH era 8,0 e a concentração de íons de cobre na amostra de água era inferior a 100 mg/L, a taxa de remoção de cobre foi superior a 99%; com uma concentração de 400 mg/L, a concentração de íons de cobre no líquido residual ainda atendia ao padrão nacional de descarte de efluentes. Outro experimento comprovou que, quando o pH era 5,0 e o tempo de adsorção era de 2 horas, a taxa de remoção de quitosana para Ni2+ no efluente químico de niquelagem por adsorção podia atingir 72,25%.

(2) Tratamento de águas residuais com alto teor de proteínas, como águas residuais da indústria alimentícia. Durante o processamento de alimentos, são descartadas águas residuais contendo grande quantidade de sólidos em suspensão. A molécula de quitosana contém grupos amida, amino e hidroxila. Com a protonação do grupo amino, ela apresenta o papel de polieletrólito catiônico, que não só possui efeito quelante sobre metais pesados, como também pode flocular e adsorver eficazmente partículas finas com carga negativa na água. A quitina e a quitosana podem formar complexos por meio de ligações de hidrogênio com proteínas, aminoácidos, ácidos graxos, etc. Fang Zhimin et al. utilizaramquitosanaSulfato de alumínio, sulfato férrico e ftalamida de polipropileno como floculantes para recuperar proteínas de efluentes do processamento de frutos do mar. Altas taxas de recuperação de proteínas e transmitância luminosa do efluente podem ser obtidas. Como a quitosana em si não é tóxica e não gera poluição secundária, ela pode ser usada para reciclar substâncias úteis, como proteínas e amido, presentes em efluentes de indústrias alimentícias, para processamento e reutilização, como na alimentação animal.

(3) Tratamento de efluentes de impressão e tingimento. Efluentes de impressão e tingimento referem-se aos efluentes provenientes do pré-tratamento, tingimento, impressão e acabamento de algodão, lã, fibras químicas e outros produtos têxteis. Geralmente contêm sais, surfactantes orgânicos e corantes, entre outros, apresentando composição complexa, alta saturação e elevada DQO (Demanda Química de Oxigênio), além de desenvolverem propriedades antioxidantes e antibiodegradáveis, sendo extremamente prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente. A quitosana contém grupos amino e hidroxila, e possui forte efeito de adsorção sobre corantes, incluindo: adsorção física, adsorção química e adsorção por troca iônica, principalmente através de ligações de hidrogênio, atração eletrostática, troca iônica, forças de van der Waals, interação hidrofóbica, etc. Ao mesmo tempo, a estrutura molecular da quitosana contém um grande número de grupos amino primários, que formam um excelente agente quelante polimérico através de ligações de coordenação, capaz de aglutinar corantes em efluentes, sendo atóxica e não produzindo poluição secundária.

(4) Aplicação na desidratação de lodo. Atualmente, a grande maioria das estações de tratamento de esgoto urbanas utiliza poliacrilamida catiônica para tratar o lodo. A prática tem demonstrado que esse agente possui bom efeito floculante e facilita a desidratação do lodo, porém seu resíduo, especialmente o monômero de acrilamida, é um potente carcinógeno. Portanto, buscar um substituto para ele é uma tarefa de grande relevância. A quitosana é um excelente condicionador de lodo, pois auxilia na formação de micelas de bactérias de lodo ativado, as quais podem aglomerar matéria suspensa e matéria orgânica com carga negativa na solução, melhorando a eficiência do tratamento do processo de lodo ativado. Estudos têm demonstrado que o floculante composto de cloreto de polialumínio/quitosana não só apresenta efeito significativo no condicionamento do lodo, como também, em comparação com o uso isolado de PAC ou quitosana, reduz a resistividade específica do lodo a um nível mínimo e aumenta a taxa de filtração. É um condicionador mais rápido e eficaz; Além disso, três tipos de carboximetilquitosana (N-carboximetilquitosana, N,O-carboximetilquitosana e O-carboximetilquitosana) foram utilizados como floculante e testados quanto ao desempenho de desidratação do lodo. Constatou-se que os flocos formados eram fortes e não se desfaziam facilmente, indicando que o efeito do floculante na desidratação do lodo foi significativamente melhor do que o de floculantes comuns.

QuitosanaA quitosana e seus derivados são ricos em recursos naturais, não tóxicos, biodegradáveis ​​e possuem diversas propriedades. São agentes ecológicos para tratamento de água. Sua matéria-prima, a quitina, é o segundo composto orgânico natural mais abundante na Terra. Portanto, nos últimos anos, o desenvolvimento da quitosana no tratamento de água tem apresentado um crescimento expressivo. Como um polímero natural que transforma resíduos em recursos valiosos, a quitosana já foi aplicada em diversos campos, mas o desempenho e a aplicação de produtos nacionais ainda apresentam algumas lacunas em comparação com países desenvolvidos. Com o aprofundamento das pesquisas sobre a quitosana e seus derivados, especialmente a quitosana modificada com excelentes propriedades de síntese, seu valor de aplicação tem aumentado cada vez mais. Explorar as tecnologias de aplicação da quitosana no tratamento de água e desenvolver produtos ecológicos à base de derivados de quitosana com uma gama de aplicações mais ampla terá um grande potencial de mercado e perspectivas promissoras.

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