Tratamento de águas residuais com quitosana

Em sistemas convencionais de tratamento de água, os floculantes mais amplamente utilizados são sais de alumínio e sais de ferro, os sais de alumínio restantes na água tratada colocarão em risco a saúde humana, e os sais de ferro residuais afetarão a cor da água, etc.; na maioria dos casos, no tratamento de águas residuais, é difícil superar os problemas de poluição secundária, como grande quantidade de lodo e difícil descarte de lodo. Portanto, buscar um produto natural que não cause poluição secundária ao meio ambiente para substituir os floculantes de sal de alumínio e sal de ferro é a necessidade de implementar estratégias de desenvolvimento sustentável hoje. Os floculantes de polímeros naturais têm atraído muita atenção entre muitos floculantes devido às suas abundantes fontes de matéria-prima, baixo preço, boa seletividade, pequena dosagem, segurança e não toxicidade e biodegradação completa. Após décadas de desenvolvimento, um grande número de floculantes de polímeros naturais com diferentes propriedades e usos surgiu, entre os quais amido, lignina, quitosana e cola vegetal são atualmente amplamente utilizados.

QuitosanaPropriedades

A quitosana é um sólido branco, amorfo, translúcido e em flocos, insolúvel em água, mas solúvel em ácido, que é o produto da desacetilação da quitina. De modo geral, a quitosana pode ser chamada de quitosana quando o grupo N-acetila da quitina é removido em mais de 55%. A quitina é o principal componente dos exoesqueletos de animais e insetos e é o segundo maior composto orgânico natural da Terra, depois da celulose. Como floculante, a quitosana é natural, não tóxica e degradável. Existem muitos grupos hidroxila, grupos amino e alguns grupos N-acetilamino distribuídos na cadeia macromolecular da quitosana, que podem formar polieletrólitos catiônicos com alta densidade de carga em soluções ácidas e também podem formar estruturas em forma de rede por meio de ligações de hidrogênio ou ligações iônicas. Enjaulam moléculas, complexando e removendo muitos íons de metais pesados ​​tóxicos e prejudiciais. A quitosana e seus derivados têm uma ampla gama de usos, não apenas em têxteis, impressão e tingimento, fabricação de papel, medicina, alimentos, indústria química, biologia e agricultura e muitos outros campos têm muitos valores de aplicação, mas também no tratamento de água, podem ser usados ​​como adsorventes, agentes de floculação, fungicidas, trocadores iônicos, preparações de membrana, etc. A quitosana foi aprovada pela Agência de Proteção Ambiental dos EUA como um agente purificador de água potável devido às suas vantagens exclusivas em aplicações de abastecimento de água e tratamento de água.

Aplicação deQuitosanaem Tratamento de Água

(1) Remover sólidos suspensos no corpo d'água. Na água natural, torna-se um sistema coloidal com carga negativa devido à existência de bactérias de argila, etc. Como um polímero catiônico de cadeia longa, a quitosana pode desempenhar as funções duplas de neutralização elétrica e coagulação e adsorção e formação de pontes, e tem um forte efeito de coagulação em substâncias suspensas. Comparado com alúmen e poliacrilamida tradicionais como floculantes, a quitosana tem melhor efeito clarificante. RAVID et al. estudaram o efeito do tratamento de floculação de distribuição de água de caulim único quando o valor de pH da quitosana era de 5-9, e descobriram que a floculação foi grandemente afetada pelo valor de pH, e o valor de pH efetivo da remoção de turbidez foi de 7,0-7,5. 1mg/L de floculante, a taxa de remoção de turbidez excede 90%, e os flocos produzidos são grosseiros e rápidos, e o tempo total de sedimentação da floculação não excede 1h; Porém, quando o valor do pH diminui ou aumenta, a eficiência da floculação diminui, indicando que a quitosana só consegue polimerizar bem com partículas de caulim em uma faixa de pH muito estreita. Alguns estudos constataram 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 adequada 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, é fácil floculá-lo e precipitá-lo com quitosana, pois o húmus com carga negativa está ligado à superfície das partículas, facilitando o ajuste do pH. A quitosana ainda demonstrou propriedades de floculação superiores para corpos d'água naturais com diferentes turbidez e alcalinidade.

(2) Remover algas e bactérias do corpo d'água. Nos últimos anos, alguns pesquisadores no exterior começaram a estudar a adsorção e a floculação da quitosana em sistemas coloidais biológicos, como algas e bactérias. A quitosana tem um efeito de remoção em algas de água doce, como Spirulina, algas osciladoras, Chlorella e algas verde-azuladas. Estudos demonstraram que, para algas de água doce, a remoção é melhor em um pH de 7; para algas marinhas, o pH é menor. A dosagem adequada de quitosana depende da concentração de algas no corpo d'água. Quanto maior a concentração de algas, maior a dosagem de quitosana necessária, e o aumento da dosagem de quitosana tende a causar floculação e precipitação mais rápidas. A turbidez pode medir a remoção de algas. Quando o valor de pH é 7,5 mg/Lquitosanapode remover 90% da turbidez da água e, quanto maior a concentração de algas, mais grossas serão as partículas dos 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, permanecendo intactas e ativas. Como a quitosana não causa efeitos negativos sobre as espécies presentes na água, a água tratada ainda pode ser utilizada para aquicultura de água doce, diferentemente de outros floculantes sintéticos para tratamento de água. O mecanismo de remoção da quitosana por bactérias é relativamente complexo. Ao estudar a floculação de Escherichia coli com quitosana, descobriu-se que o mecanismo de ponte desbalanceada é o principal mecanismo do sistema de floculação, e a quitosana produz ligações de hidrogênio em detritos celulares. Outro estudo mostrou que a eficiência da floculação de E. coli com quitosana depende não apenas da capacidade de carga do dielétrico, mas também de sua dimensão hidráulica.

(3) Remover o alumínio residual e purificar a água potável. Sais de alumínio e floculantes de polialumínio são amplamente utilizados em processos de tratamento de água encanada, mas o uso de floculantes de sais 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, os resíduos não causam danos ao corpo humano e podem ser removidos 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 de polímeros orgânicos sintéticos não podem substituir.

Aplicação de Quitosana no Tratamento de Águas Residuais

(1) Remover íons metálicos. A cadeia molecular dequitosanae seus derivados contêm um grande número de grupos amino e grupos hidroxila, por isso tem um efeito quelante em muitos íons metálicos e pode adsorver ou capturar efetivamente íons de metais pesados ​​na solução. Catherine A. Eiden e outros estudos mostraram que a capacidade de adsorção da quitosana a Pb2+ e Cr3+ (em unidade de quitosana) atinge 0,2 mmol/g e 0,25 mmol/g, respectivamente, e tem uma forte capacidade de adsorção. Zhang Ting'an et al. usaram quitosana desacetilada para remover o cobre por floculação. Os resultados mostraram que quando o valor de pH era 8,0 e a concentração em massa de íons de cobre na amostra de água era inferior a 100 mg/L, a taxa de remoção de cobre era superior a 99%; A concentração em massa é de 400 mg/L, e a concentração em massa de íons de cobre no líquido residual ainda atende ao padrão nacional de descarte de águas residuais. Outro experimento provou que quando pH=5,0 e tempo de adsorção foi de 2h, a taxa de remoção de quitosana para Ni2+ no líquido residual de niquelagem química de adsorção pode atingir 72,25%.

(2) Tratar águas residuais com alto teor de proteína, como águas residuais de alimentos. Durante o processamento de alimentos, águas residuais contendo uma grande quantidade de sólidos em suspensão são descartadas. A molécula de quitosana contém grupos amida, amino e hidroxila. Com a protonação do grupo amino, demonstra-se o papel de um polieletrólito catiônico, que não só tem um efeito quelante sobre metais pesados, mas também pode flocular e adsorver eficazmente partículas finas carregadas negativamente 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.quitosana, sulfato de alumínio, sulfato férrico e polipropilenoftalamida como floculantes para recuperar proteínas de águas residuais do processamento de frutos do mar. Altas taxas de recuperação de proteínas e alta transmitância de luz no efluente podem ser obtidas. Como a quitosana em si não é tóxica e não apresenta poluição secundária, ela pode ser usada para reciclar substâncias úteis, como proteínas e amido, em águas residuais de plantas de processamento de alimentos para processamento e reutilização, como adição à ração animal.

(3) Tratamento de águas residuais de impressão e tingimento. As águas residuais de impressão e tingimento referem-se às águas residuais descarregadas de algodão, lã, fibras químicas e outros produtos têxteis no processo de pré-tratamento, tingimento, impressão e acabamento. Geralmente contém sais, surfactantes orgânicos e corantes, etc., com componentes complexos, grande croma e alta DQO. , e se desenvolve na direção da anti-oxidação e anti-biodegradação, o que é extremamente prejudicial à saúde humana e ao meio ambiente. A quitosana contém grupos amino e grupos hidroxila e tem um forte efeito de adsorção em corantes, incluindo: adsorção física, adsorção química e adsorção por troca iônica, principalmente por meio de ligação de hidrogênio, atração eletrostática, troca iônica, força 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 de polímeros por meio de ligações de coordenação, que podem aglutinar corantes em águas residuais, sendo atóxica e não produzindo poluição secundária.

(4) Aplicação na desidratação de lodo. Atualmente, a grande maioria das estações de tratamento de esgoto urbano utiliza poliacrilamida catiônica para tratar lodo. A prática demonstrou que esse agente possui um bom efeito de floculação e é fácil de desidratar lodo, mas seus resíduos, especialmente o monômero de acrilamida, são um forte carcinógeno. Portanto, é um trabalho muito significativo buscar sua substituição. A quitosana é um bom condicionador de lodo, que auxilia na formação de micelas de bactérias de lodo ativado, que podem aglomerar matéria suspensa com carga negativa e matéria orgânica na solução, e melhorar a eficiência do tratamento do processo de lodo ativado. Estudos demonstraram que o floculante composto de cloreto de polialumínio/quitosana não só tem efeito óbvio no condicionamento de lodo, mas também, em comparação com o uso de um único PAC ou quitosana, a resistência específica do lodo atinge primeiro um ponto baixo e a taxa de filtração é maior. É rápido e é um condicionador melhor; além disso, três tipos de carboximetil quitosana (N-carboximetil quitosana, N, O-carboximetil quitosana e O-carboximetil quitosana) são usados ​​como O floculante foi testado no desempenho de desidratação do lodo, e foi descoberto que os flocos formados eram fortes e não eram fáceis de quebrar, indicando que o efeito do floculante na desidratação do lodo foi significativamente melhor do que o dos floculantes comuns.

Quitosanae seus derivados são ricos em recursos, naturais, não tóxicos, degradáveis ​​e possuem diversas propriedades ao mesmo tempo. São agentes verdes para o tratamento de águas. Sua matéria-prima, a quitina, é o segundo maior composto orgânico natural da Terra. Portanto, nos últimos anos, o desenvolvimento da quitosana no tratamento de águas tem apresentado um claro crescimento. Como um polímero natural que transforma resíduos em riqueza, a quitosana tem sido inicialmente aplicada em diversos campos, mas o desempenho e a aplicação de produtos nacionais ainda apresentam certa lacuna em comparação com outros países avançados. Com o aprofundamento da pesquisa sobre a quitosana e seus derivados, especialmente a quitosana modificada com excelentes propriedades de síntese, ela tem cada vez mais valor de aplicação. Explorar a tecnologia de aplicação da quitosana no tratamento de águas e desenvolver produtos ecologicamente corretos de derivados de quitosana com uma gama de aplicações mais ampla terá um valor de mercado e perspectivas de aplicação muito amplos.

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