Tratamiento de aguas residuales con quitosano

En los sistemas convencionales de tratamiento de agua, los floculantes más utilizados son las sales de aluminio y las sales de hierro. Las sales de aluminio que quedan en el agua tratada ponen en peligro la salud humana y las sales de hierro residuales afectan el color del agua, etc. En la mayoría de los tratamientos de aguas residuales, es difícil superar los problemas de contaminación secundaria, como la gran cantidad de lodos y la difícil eliminación de los mismos. Por lo tanto, la búsqueda de un producto natural que no cause contaminación secundaria al medio ambiente para reemplazar los floculantes de sales de aluminio y sales de hierro es una necesidad para implementar estrategias de desarrollo sostenible en la actualidad. Los floculantes de polímeros naturales han atraído mucha atención entre muchos floculantes debido a sus abundantes fuentes de materia prima, bajo precio, buena selectividad, baja dosis, seguridad y no toxicidad, y completa biodegradación. Después de décadas de desarrollo, ha surgido una gran cantidad de floculantes de polímeros naturales con diferentes propiedades y usos, entre los que se encuentran el almidón, la lignina, el quitosano y el pegamento vegetal, que actualmente se utilizan ampliamente.

QuitosanoPropiedades

El quitosano es un sólido blanco, amorfo, translúcido y escamoso, insoluble en agua pero soluble en ácido, producto de la desacetilación de la quitina. En términos generales, se le denomina quitosano cuando el grupo N-acetilo de la quitina se elimina en más del 55 %. La quitina es el componente principal del exoesqueleto de animales e insectos, y el segundo compuesto orgánico natural más abundante en la Tierra, después de la celulosa. Como floculante, el quitosano es natural, no tóxico y degradable. Su cadena macromolecular contiene numerosos grupos hidroxilo, grupos amino y algunos grupos N-acetilamino, que pueden formar polielectrolitos catiónicos con alta densidad de carga en soluciones ácidas, así como estructuras reticulares mediante enlaces de hidrógeno o iónicos. Enjaula moléculas, complejando y eliminando así muchos iones de metales pesados ​​tóxicos y dañinos. El quitosano y sus derivados tienen una amplia gama de usos, no solo en textiles, impresión y teñido, fabricación de papel, medicina, alimentos, industria química, biología y agricultura y muchos otros campos tienen muchos valores de aplicación, sino también en el tratamiento de aguas, se puede utilizar como adsorbente, agentes de floculación, fungicidas, intercambiadores de iones, preparaciones de membranas, etc. El quitosano ha sido aprobado por la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos como agente purificador de agua potable debido a sus ventajas únicas en aplicaciones de suministro de agua y tratamiento de agua.

Aplicación deQuitosanoen el tratamiento del agua

(1) Eliminar sólidos suspendidos en el cuerpo de agua. En agua natural, se convierte en un sistema coloidal cargado negativamente debido a la existencia de bacterias de arcilla, etc. Como un polímero catiónico de cadena larga, el quitosano puede desempeñar las funciones duales de neutralización eléctrica y coagulación y adsorción y puenteo, y tiene un fuerte efecto de coagulación sobre sustancias suspendidas. En comparación con el alumbre y la poliacrilamida tradicionales como floculantes, el quitosano tiene un mejor efecto clarificante. RAVID et al. estudiaron el efecto del tratamiento de floculación de la distribución de agua de caolín simple cuando el valor de pH del quitosano era de 5-9, y encontraron que la floculación se vio muy afectada por el valor del pH, y el valor de pH efectivo de la eliminación de turbidez fue de 7.0-7.5. 1mg/L de floculante, la tasa de eliminación de turbidez supera el 90%, y los flóculos producidos son gruesos y rápidos, y el tiempo total de sedimentación de floculación no supera 1h; Sin embargo, al aumentar o disminuir el pH, la eficiencia de floculación disminuye, lo que indica que solo en un rango de pH muy estrecho, el quitosano puede polimerizarse bien con partículas de caolín. Algunos estudios han demostrado que, cuando una suspensión de bentonita floculada se trata con quitosano, el rango de pH adecuado es amplio. Por lo tanto, cuando el agua turbia contiene partículas similares al caolín, es necesario agregar una cantidad adecuada de bentonita como coagulante para mejorar la polimerización.quitosanosobre las partículas. Posteriormente, RAVID et al. descubrieron que

Si la suspensión de caolín o dióxido de titanio contiene humus, es fácil flocularlo y precipitarlo con quitosano, ya que este, con carga negativa, se adhiere a la superficie de las partículas y facilita el ajuste del pH. El quitosano también mostró propiedades de floculación superiores en cuerpos de agua naturales con diferentes turbidez y alcalinidad.

(2) Eliminación de algas y bacterias del agua. En los últimos años, se han comenzado a estudiar la adsorción y floculación del quitosano en sistemas coloidales biológicos, como algas y bacterias. El quitosano tiene un efecto de eliminación en algas de agua dulce, como la espirulina, las algas osciladoras, la clorella y las algas verdeazuladas. Estudios han demostrado que, en el caso de las algas de agua dulce, la eliminación es óptima a un pH de 7; en el caso de las algas marinas, el pH es más bajo. La dosis adecuada de quitosano depende de la concentración de algas en el agua. Cuanto mayor sea la concentración de algas, mayor será la dosis de quitosano necesaria, y un aumento de la dosis tiende a provocar la floculación y la precipitación más rápidamente. La turbidez permite medir la eliminación de algas. Cuando el pH es de 7, 5 mg/L.quitosanoPuede eliminar el 90% de la turbidez del agua y cuanto mayor sea la concentración de algas, más gruesas serán las partículas de flóculos y mejor será el rendimiento de sedimentación.

El examen microscópico mostró que las algas que fueron eliminadas por floculación y sedimentación solo estaban agregadas y adheridas, y aún estaban intactas y activas. Dado que el quitosano no causa ningún efecto negativo en las especies en el agua, el agua tratada todavía puede usarse para la acuicultura de agua dulce, a diferencia de otros floculantes sintéticos para el tratamiento del agua. El mecanismo de eliminación del quitosano en las bacterias es relativamente complejo. Al estudiar la floculación de Escherichia coli con quitosano, se encontró que el mecanismo de puente desequilibrado es el mecanismo principal del sistema de floculación, y el quitosano produce enlaces de hidrógeno en los restos celulares. Otro estudio mostró que la eficiencia de la floculación con quitosano de E. coli depende no solo de la cargabilidad del dieléctrico, sino también de su dimensión hidráulica.

(3) Eliminar el aluminio residual y purificar el agua potable. Las sales de aluminio y los floculantes de polialuminio se utilizan ampliamente en los procesos de tratamiento de agua potable, pero el uso de floculantes de sales de aluminio puede aumentar el contenido de aluminio en el agua potable. El aluminio residual en el agua potable representa un grave riesgo para la salud humana. Si bien el quitosano también presenta el problema de los residuos en el agua, al ser un aminopolisacárido alcalino natural no tóxico, estos residuos no son perjudiciales para el cuerpo humano y pueden eliminarse en el proceso de tratamiento posterior. Además, el uso combinado de quitosano y floculantes inorgánicos como el cloruro de polialuminio puede reducir el contenido de aluminio residual. Por lo tanto, en el tratamiento de agua potable, el quitosano ofrece ventajas que otros floculantes de polímeros orgánicos sintéticos no pueden igualar.

Aplicación del quitosano en el tratamiento de aguas residuales

(1) Eliminar los iones metálicos. La cadena molecular dequitosanoy sus derivados contienen una gran cantidad de grupos amino y grupos hidroxilo, por lo que tiene un efecto quelante en muchos iones metálicos y puede adsorber o capturar eficazmente iones de metales pesados ​​en la solución. Catherine A. Eiden y otros estudios han demostrado que la capacidad de adsorción del quitosano a Pb2+ y Cr3+ (en unidad de quitosano) alcanza 0,2 mmol/g y 0,25 mmol/g, respectivamente, y tiene una fuerte capacidad de adsorción. Zhang Ting'an et al. utilizaron quitosano desacetilado para eliminar el cobre por floculación. Los resultados mostraron que cuando el valor de pH era 8,0 y la concentración másica de iones de cobre en la muestra de agua era inferior a 100 mg/L, la tasa de eliminación de cobre era superior al 99%; la concentración másica es de 400 mg/L y la concentración másica de iones de cobre en el líquido residual aún cumple con el estándar nacional de vertido de aguas residuales. Otro experimento demostró que cuando el pH = 5,0 y el tiempo de adsorción fue de 2 h, la tasa de eliminación de quitosano a Ni2+ en el líquido residual del niquelado químico de adsorción podría alcanzar el 72,25 %.

(2) Tratamiento de aguas residuales con alto contenido proteico, como las aguas residuales alimentarias. Durante el procesamiento de alimentos, se vierten aguas residuales con una gran cantidad de sólidos en suspensión. La molécula de quitosano contiene un grupo amida, un grupo amino y un grupo hidroxilo. La protonación del grupo amino demuestra la función del polielectrolito catiónico, que no solo tiene un efecto quelante sobre metales pesados, sino que también puede flocular y adsorber eficazmente partículas finas con carga negativa en agua. La quitina y el quitosano pueden formar complejos mediante enlaces de hidrógeno con proteínas, aminoácidos, ácidos grasos, etc. Fang Zhimin et al. utilizaron...quitosanoEl sulfato de aluminio, el sulfato férrico y la ftalamida de polipropileno se utilizan como floculantes para recuperar proteínas de las aguas residuales del procesamiento de mariscos. Se puede obtener una alta tasa de recuperación de proteínas y una alta transmitancia de luz en el efluente. Dado que el quitosano no es tóxico ni genera contaminación secundaria, se puede utilizar para reciclar sustancias útiles, como proteínas y almidón, presentes en las aguas residuales de las plantas de procesamiento de alimentos para su procesamiento y reutilización, por ejemplo, para su adición a piensos.

(3) Tratamiento de aguas residuales de impresión y teñido. Las aguas residuales de impresión y teñido se refieren a las aguas residuales vertidas de algodón, lana, fibra química y otros productos textiles en los procesos de pretratamiento, teñido, impresión y acabado. Generalmente contienen sales, surfactantes orgánicos y colorantes, etc., con componentes complejos, alto croma y alta DQO. , y se desarrollan en la dirección de antioxidación y antibiodegradación, lo cual es extremadamente perjudicial para la salud humana y el medio ambiente. El quitosano contiene grupos amino e hidroxilo, y tiene un fuerte efecto de adsorción sobre los colorantes, incluyendo: adsorción física, adsorción química y adsorción por intercambio iónico, principalmente a través de enlaces de hidrógeno, atracción electrostática, intercambio iónico, fuerza de van der Waals, interacción hidrofóbica, etc. efecto. Al mismo tiempo, la estructura molecular del quitosano contiene un gran número de grupos amino primarios, que forman un excelente agente quelante de polímeros a través de enlaces de coordinación, que puede aglutinar los colorantes en aguas residuales, y no es tóxico ni produce contaminación secundaria.

(4) Aplicación en la deshidratación de lodos. En la actualidad, la gran mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas utilizan poliacrilamida catiónica para tratar lodos. La práctica ha demostrado que este agente tiene un buen efecto de floculación y es fácil de deshidratar lodos, pero sus residuos, especialmente el monómero de acrilamida, son un fuerte carcinógeno. Por lo tanto, es un trabajo muy significativo para buscar su reemplazo. El quitosano es un buen acondicionador de lodos, que ayuda a formar micelas de bacterias de lodos activados, que pueden aglomerar materia suspendida cargada negativamente y materia orgánica en la solución, y mejorar la eficiencia del tratamiento del proceso de lodos activados. Los estudios han demostrado que el floculante compuesto de cloruro de polialuminio/quitosano no solo tiene un efecto obvio en el acondicionamiento de lodos, sino que también en comparación con el uso de un solo PAC o quitosano, la resistencia específica del lodo alcanza primero un punto bajo, y la tasa de filtración es mayor. Es rápido y es un mejor acondicionador; Además, se utilizan tres tipos de carboximetilquitosano (N-carboximetilquitosano, N, O-carboximetilquitosano y O-carboximetilquitosano) como floculante. Se probó el rendimiento de deshidratación del lodo y se encontró que los flóculos formados eran fuertes y no fáciles de romper, lo que indica que el efecto del floculante en la deshidratación de lodos fue significativamente mejor que el de los floculantes ordinarios.

QuitosanoEl quitosano y sus derivados son ricos en recursos, naturales, no tóxicos, degradables y poseen diversas propiedades. Son agentes de tratamiento de agua ecológicos. Su materia prima, la quitina, es el segundo compuesto orgánico natural más grande de la Tierra. Por lo tanto, en los últimos años, el desarrollo del quitosano en el tratamiento de agua ha experimentado un claro impulso de crecimiento. Como polímero natural que convierte los residuos en un tesoro, el quitosano se ha aplicado inicialmente en muchos campos, pero el rendimiento y la aplicación de los productos nacionales aún presentan cierta brecha en comparación con otros países avanzados. Con la profundización de la investigación sobre el quitosano y sus derivados, especialmente el quitosano modificado con excelentes propiedades de síntesis, su valor aplicativo es cada vez mayor. La exploración de la tecnología de aplicación del quitosano en el tratamiento de agua y el desarrollo de productos respetuosos con el medio ambiente a partir de derivados del quitosano con una gama de aplicaciones más amplia tendrán un valor de mercado y perspectivas de aplicación muy amplios.

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