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 permanecen en el agua tratada representan un riesgo para la salud humana, y las sales de hierro residuales afectan el color del agua, entre otros problemas. 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 dificultad para su eliminación. 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 hierro es fundamental para implementar estrategias de desarrollo sostenible en la actualidad. Los floculantes de polímeros naturales han atraído mucha atención entre los diversos floculantes debido a sus abundantes fuentes de materia prima, bajo costo, buena selectividad, baja dosificación, seguridad, no toxicidad y completa biodegradabilidad. Tras décadas de desarrollo, ha surgido una gran cantidad de floculantes de polímeros naturales con diferentes propiedades y usos, entre los que el almidón, la lignina, el quitosano y el pegamento vegetal son actualmente muy utilizados.

QuitosanoPropiedades

El quitosano es un sólido blanco, amorfo, translúcido y laminar, insoluble en agua pero soluble en ácido, que es el producto de la desacetilación de la quitina. En general, se denomina quitosano cuando se ha eliminado más del 55% del grupo N-acetilo de la quitina. La quitina es el componente principal de los exoesqueletos de animales e insectos, y es el segundo compuesto orgánico natural más abundante en la Tierra después de la celulosa. Como floculante, el quitosano es natural, no tóxico y biodegradable. En su cadena macromolecular se distribuyen numerosos grupos hidroxilo, amino y algunos grupos N-acetilamino, que pueden formar polielectrolitos catiónicos con alta densidad de carga en soluciones ácidas, y también pueden formar estructuras reticulares mediante enlaces de hidrógeno o enlaces iónicos. Estas moléculas forman estructuras tipo jaula, 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 la industria textil, la impresión y el teñido, la fabricación de papel, la medicina, la alimentación, la industria química, la biología y la agricultura, entre otros campos, donde poseen múltiples aplicaciones. También se utiliza en el tratamiento de aguas, como adsorbente, agente floculante, fungicida, intercambiador de iones, preparador de membranas, etc. La Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) ha aprobado el quitosano como agente purificador de agua potable debido a sus ventajas únicas en aplicaciones de suministro y tratamiento de agua.

Aplicación deQuitosanoen el tratamiento del agua

(1) Eliminar sólidos suspendidos en el cuerpo de agua. En el agua natural, se convierte en un sistema coloidal cargado negativamente debido a la existencia de arcilla, bacterias, etc. Como 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 de clarificación. RAVID et al. estudiaron el efecto del tratamiento de floculación de una distribución de agua de caolín simple cuando el valor de pH del quitosano era de 5 a 9, y encontraron que la floculación se vio muy afectada por el valor de pH, y el valor de pH efectivo de eliminación de turbidez fue de 7,0 a 7,5. 1 mg/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 1 h; pero cuando el valor de pH disminuye o aumenta, la eficiencia de floculación disminuye, lo que indica que solo en un rango de pH muy estrecho, el quitosano puede formar una buena polimerización con partículas de caolín. Algunos estudios han encontrado que cuando la suspensión de bentonita floculada se trata con quitosano, el rango de valor de pH adecuado es amplio. Por lo tanto, cuando el agua turbia contiene partículas similares al caolín, es necesario agregar una cantidad apropiada de bentonita como coagulante para mejorar la polimerización dequitosanosobre las partículas. Posteriormente, RAVID et al. descubrieron que

Si la suspensión de caolín o dióxido de titanio contiene humus, este se flocula y precipita fácilmente con quitosano, ya que el humus, al tener carga negativa, se adhiere a la superficie de las partículas, lo que facilita el ajuste del pH. El quitosano demostró propiedades de floculación superiores en cuerpos de agua naturales con distintos niveles de turbidez y alcalinidad.

(2) Eliminar algas y bacterias del cuerpo de agua. En los últimos años, algunas personas en el extranjero 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 sobre algas de agua dulce, a saber, Spirulina, Oscillator, Chlorella y cianobacterias. Los estudios han demostrado que para las algas de agua dulce, la eliminación es mejor a un pH de 7; para las algas marinas, el pH es más bajo. La dosis adecuada de quitosano depende de la concentración de algas en el cuerpo de agua. Cuanto mayor sea la concentración de algas, mayor será la dosis de quitosano que se debe agregar, y el aumento de la dosis de quitosano tiende a causar floculación y precipitación más rápidas. La turbidez puede medir la eliminación de algas. Cuando el valor de pH es 7, 5 mg/LquitosanoPuede 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 la sedimentación.

El examen microscópico mostró que las algas que se eliminaron por floculación y sedimentación solo estaban agregadas y adheridas entre sí, y aún se encontraban en un estado intacto y activo. Dado que el quitosano no causa ningún efecto negativo en las especies del agua, el agua tratada aún puede utilizarse para la acuicultura de agua dulce, a diferencia de otros floculantes sintéticos para el tratamiento de agua. El mecanismo de eliminación de bacterias por el quitosano es relativamente complejo. Al estudiar la floculación de Escherichia coli con quitosano, se encontró que el mecanismo de puenteo 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 de E. coli con quitosano 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 del grifo, pero el uso de floculantes de sales de aluminio puede provocar un aumento del 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 del agua potable, el quitosano ofrece ventajas que otros floculantes de polímeros orgánicos sintéticos no pueden reemplazar.

Aplicación del quitosano en el tratamiento de aguas residuales

(1) Eliminar 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 sobre 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 para 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 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 fue superior al 99%; la concentración másica es de 400 mg/L, y la concentración másica de iones de cobre en el líquido residual todavía cumple con el estándar nacional de descarga de aguas residuales. Otro experimento demostró que cuando el pH era de 5,0 y el tiempo de adsorción de 2 horas, la tasa de eliminación de quitosano para Ni2+ en el líquido residual de niquelado químico por adsorción podía alcanzar el 72,25%.

(2) Tratar aguas residuales con alto contenido de proteínas, como las aguas residuales de la industria alimentaria. Durante el procesamiento de alimentos, se descargan aguas residuales que contienen una gran cantidad de sólidos en suspensión. La molécula de quitosano contiene un grupo amida, un grupo amino y un grupo hidroxilo. Con la protonación del grupo amino, muestra el papel de 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 el agua. La quitina y el quitosano pueden formar complejos mediante enlaces de hidrógeno con proteínas, aminoácidos, ácidos grasos, etc. Fang Zhimin et al. utilizaronquitosanoSulfato de aluminio, sulfato férrico y ftalamida de polipropileno 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. Debido a que el quitosano en sí mismo no es tóxico y no produce contaminación secundaria, puede utilizarse para reciclar sustancias útiles como proteínas y almidón en las aguas residuales de las plantas procesadoras de alimentos para su procesamiento y reutilización, por ejemplo, añadiéndolo a la alimentación animal.

(3) Tratamiento de aguas residuales de impresión y teñido. Las aguas residuales de impresión y teñido se refieren a las aguas residuales descargadas del algodón, la lana, la fibra química y otros productos textiles en el proceso de pretratamiento, teñido, impresión y acabado. Generalmente contienen sales, tensioactivos orgánicos y colorantes, etc., con componentes complejos, alta cromaticidad y DQO ​​elevada, y se desarrollan en la dirección de la antioxidación y la antibiodegradación, lo que es extremadamente dañino para la salud humana y el medio ambiente. El quitosano contiene grupos amino y grupos 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 efectos de enlaces de hidrógeno, atracción electrostática, intercambio iónico, fuerza de van der Waals, interacción hidrofóbica, etc. Al mismo tiempo, la estructura molecular del quitosano contiene una gran cantidad de grupos amino primarios, que forman un excelente agente quelante polimérico a través de enlaces de coordinación, que puede aglutinar los colorantes en las aguas residuales, y es no tóxico y no produce contaminación secundaria.

(4) Aplicación en la deshidratación de lodos. Actualmente, la gran mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas utilizan poliacrilamida catiónica para tratar los lodos. La práctica ha demostrado que este agente tiene un buen efecto de floculación y es fácil de deshidratar los lodos, pero su residuo, especialmente el monómero de acrilamida, es un fuerte carcinógeno. Por lo tanto, es un trabajo muy significativo buscar su reemplazo. El quitosano es un buen acondicionador de lodos, que ayuda a formar micelas de bacterias de lodos activados, que pueden aglomerar la materia suspendida cargada negativamente y la 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 primero alcanza un punto bajo, y la tasa de filtración es más alta. Es rápido y es un mejor acondicionador; Además, se utilizaron tres tipos de quitosano carboximetilado (quitosano N-carboximetilado, quitosano N, O-carboximetilado y quitosano O-carboximetilado) como floculante. Se probó su rendimiento de deshidratación del lodo y se encontró que los flóculos formados eran fuertes y no se rompían fácilmente, lo que indica que el efecto del floculante en la deshidratación del lodo fue significativamente mejor que el de los floculantes comunes.

QuitosanoEl quitosano y sus derivados son ricos en recursos, naturales, no tóxicos, biodegradables y poseen diversas propiedades. Son agentes ecológicos para el tratamiento de aguas. Su materia prima, la quitina, es el segundo compuesto orgánico natural más abundante en la Tierra. Por lo tanto, en los últimos años, el desarrollo del quitosano en el tratamiento de aguas ha experimentado un notable crecimiento. Como polímero natural que transforma los residuos en recursos valiosos, el quitosano se ha aplicado inicialmente en numerosos campos, pero el rendimiento y la aplicación de los productos nacionales aún presentan ciertas limitaciones 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 de aplicación es cada vez mayor. Explorar la tecnología de aplicación del quitosano en el tratamiento de aguas y desarrollar productos ecológicos derivados del quitosano con un rango de aplicación más amplio tendrá un gran valor de mercado y perspectivas de aplicación muy prometedoras.

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