Adsorbente

3.1 Casi di studio

Per gli adsorbenti derivati da fanghi industriali, è necessario prendere in considerazione diversi parametri, come il pH, il dosaggio di adsorbente, la concentrazione di sorbato e il tempo di contatto, che possono influenzare significativamente l’efficienza del processo. La decontaminazione dell’acqua utilizzando questi materiali è stata ampiamente studiata e riportata in letteratura (Devi e Saroha, 2016). In questa sezione, vengono discussi solo casi di studio riguardanti l’uso di fanghi di varie industrie che confrontano diversi tipi di fanghi industriali per lo stesso contaminante. Informazioni dettagliate sulle tecniche sperimentali e sui risultati possono essere trovate in ogni fonte correlata nella lista di riferimento.

Pb, Cd e Cr sono i principali metalli pesanti derivati da attività industriali che si presentano in alte concentrazioni nelle acque reflue. Il Pb in particolare è estremamente pericoloso perché tende a bioaccumularsi nella catena alimentare, anche in basse concentrazioni.

Martín et al. (2005) hanno studiato l’uso dei fanghi di altoforno per la rimozione di Pb, zinco (Zn) e Cd da soluzioni acquose inquinate. I fanghi d’altoforno, composti da ossidi di ferro e coke, sono un sottoprodotto dell’industria siderurgica. Questi autori hanno riportato una superficie specifica di 27,4 m2/g per questi fanghi, così come una maggiore affinità per il Pb. Infatti, l’adsorbimento di Pb variava da 64,2-79,9 mg/g, aumentando con l’aumentare della temperatura da 20°C a 80°C, così come l’adsorbimento di Zn e Cd, da 4,23 a 9,16 mg/g, e da 6,74 e 10,2 mg/g, rispettivamente. Inoltre, hanno trovato che i fanghi d’altoforno adsorbito maggiori quantità di metalli che la scala del laminatoio, un sottoprodotto della stessa industria siderurgica.

Un’efficienza simile in adsorbimento di Pb è stato riportato dall’uso di fanghi chiarificati come un adsorbente a basso costo (Naiya et al., 2009), provenienti dal fango ispessitore del forno ad ossigeno di base nella produzione di acciaio. In questo caso, sebbene l’area superficiale specifica fosse di circa 78,5 m2/g, superiore a quella riportata da Martín et al. (2005), la capacità di adsorbimento di circa 92,5 mg/g era simile. In condizioni ottimali (vale a dire, un valore di pH di 5, un livello di dosaggio dell’adsorbente di 5 g/L, e 1 h di tempo di contatto), la rimozione percentuale di Pb è diminuita con un aumento della temperatura da 30°C a 50°C.

Il fango rosso è un altro diffuso sottoprodotto industriale frequentemente utilizzato come adsorbente per il trattamento delle acque. Questo residuo solido deriva dalla digestione basica del minerale di bauxite durante la produzione di allumina (Bhatnagar et al., 2011). A causa delle sue forti proprietà basiche, il fango rosso è spesso usato per l’adsorbimento dei metalli, compresi Pb, Cr, Cd e Zn. Santona et al. (2006) hanno studiato le capacità di adsorbimento di Pb, Cd e Zn con fango rosso non trattato e trattato con acido. Il trattamento acido è stato effettuato con HCl, seguito da un lavaggio con acqua distillata. I valori di area specifica ottenuti con fango rosso non trattato e trattato con acido erano 18,9 m2/g e 25,2 m2/g, rispettivamente. Tuttavia, la quantità di metalli adsorbiti dal fango rosso non trattato era maggiore di quella adsorbita dal fango rosso trattato. Per entrambi gli adsorbenti, lo Zn è stato rimosso in modo più efficiente rispetto a Pb e Cd.

L’applicazione di ulteriori trattamenti al fango rosso ha influenzato notevolmente l’area superficiale. Il più alto SBET, 28,0 m2/g, è stato ottenuto dopo l’attivazione HCl più il riscaldamento a 600°C. Il valore SBET con la sola attivazione HCl era di 20,7 m2/g, mentre il valore più basso, 14,2 m2/g, è stato ottenuto nel fango rosso lavato solo con acqua. Ancora una volta, l’aumento dell’area superficiale non riflette le capacità di adsorbimento degli adsorbenti perché il massimo assorbimento è stato raggiunto con fango rosso non trattato per tutti e tre i metalli studiati, Pb, Cu e Cr (Apak et al, 1998).

Un trattamento di fango rosso con H2O2 e aria sembrava produrre un efficiente ISBA, sia in termini di adsorbimento (64,8 mg/g per Pb e 35,7 mg/g per Cr), che di area superficiale specifica (108 m2/g) (Gupta et al., 2001). Il fango rosso è stato utilizzato anche per rimuovere altri metalli pesanti, come gli ioni Zn, da una soluzione acquosa (Sahu et al., 2011). Il trattamento del fango rosso neutralizzato dal sequestro di CO2 e dalla calcinazione a 500°C ha ottenuto una capacità massima di adsorbimento di 14,9 mg/g, corrispondente a una capacità di rimozione dello Zn del 96%. Gli autori hanno evidenziato che questo metodo di attivazione ha migliorato la SBET, raggiungendo 68,2 m2/g, che è circa il doppio del valore di superficie del fango rosso non trattato (31,7 m2/g). Anche se i valori di area superficiale specifica erano superiori a quelli trovati in studi precedenti sul fango rosso, la capacità di adsorbimento di Zn era inferiore a quella di Pb.

Bassi valori di adsorbimento di Zn, nell’intervallo di 7 mg/g, sono stati trovati anche da Mishra et al. (2013) quando si utilizza un fango secco di scarto dell’impianto di acciaio come adsorbente. Anche se il valore di SBET (in media 7,5 m2/g) era molto più basso di quello trovato da Martín et al. (2005), le capacità di adsorbimento erano comparabili.

Gli ISBA sono anche ampiamente utilizzati per la rimozione di coloranti da soluzioni inquinate. Numerosi studi sull’adsorbimento dei coloranti sono stati effettuati con ISBA sia inorganici che organici. Tuttavia, i risultati mostrano che gli adsorbenti industriali organici sono più efficienti degli adsorbenti inorganici per la rimozione di coloranti basici o acidi (Bhatnagar e Jain, 2005; Jain et al, 2003).

Tra i rifiuti industriali esaminati da Jain et al. (2003), i fanghi ottenuti dall’industria dei fertilizzanti erano più adatti a rimuovere i coloranti di base come la crisoidina G, il violetto di cristallo e il blu di meldola rispetto a quelli provenienti dalle acciaierie (cioè, scorie d’altoforno, polvere e fanghi). Tutti questi rifiuti sono stati attivati sulla base di trattamenti simili. Tutti gli adsorbenti hanno mostrato una tendenza di adsorbimento simile per ogni colorante, ma la migliore affinità è stata per il blu di meldola. L’adsorbimento massimo per questo colorante è stato di 170 mg/g sugli adsorbenti carbonacei, 67 mg/g sui fanghi d’altoforno, 34 mg/g sulla polvere d’altoforno e 3,7 mg/g sulle scorie d’altoforno. Inoltre, questi valori seguivano esattamente la tendenza alla diminuzione dell’area superficiale degli adsorbenti (cioè 380, 28, 13 e 4 m2/g, rispettivamente).

Il colorante può essere rimosso anche con i fanghi derivati dalla produzione di carta e cellulosa. Il principale vantaggio di questo tipo di adsorbente è l’alto contenuto di materiale organico e la sua produzione in grandi quantità da parte dell’industria cartaria (Jaria et al., 2017). Anche se questi fanghi possono contenere sostanze tossiche e additivi chimici, e quindi richiedono un trattamento e un’attivazione, il loro riutilizzo come adsorbente a basso costo sembra altamente efficiente.

Dopo il trattamento di attivazione, questo adsorbente carbonaceo ha rimosso più efficacemente il colorante cationico (blu di metilene, 263 mg/g), rispetto al colorante anionico (rosso reattivo, 34,3 mg/g) dalla soluzione acquosa (Li et al., 2011). Inoltre, l’area superficiale specifica di questo adsorbente (in media 135 m2/g) ottenuta dopo la carbonizzazione a basse temperature e in seguito all’attivazione fisica con vapore era circa cinque volte superiore a quella dei fanghi grezzi (25 m2/g). Nasr et al. (2017) hanno dimostrato che l’attivazione chimica con carbonato di potassio (K2CO3), seguita dall’attivazione fisica con vapore, di un fango di carta utilizzato come precursore grezzo per la preparazione di adsorbenti a basso costo, ha raggiunto alti livelli di rimozione del colorante blu di metilene da soluzioni acquose. In condizioni ottimali, la capacità massima di adsorbimento era di 260 mg/g. Ciò rifletteva lo sviluppo delle strutture dei pori ottenute a una temperatura di attivazione di 900°C, che contribuiva a una superficie specifica di 908 m2/g, circa 56 volte superiore a quella dei fanghi di carta grezza. Bhatnagar et al. (2007) hanno scoperto che i coloranti anionici vengono rimossi in quantità minori rispetto ai coloranti cationici dagli adsorbenti dei fanghi di cartiera. Questi risultati hanno indicato che anche dopo l’attivazione fisica con aria (a 500°C), la capacità di adsorbimento del colorante arancione G era solo 62,3 mg/g. Tuttavia, l’efficacia dei fanghi di cartiera nella rimozione dei coloranti anionici era leggermente inferiore a quella dei carboni attivi commerciali. Pertanto, dato il suo basso costo, i fanghi di cartiera possono ancora essere considerati un efficiente adsorbente per la rimozione dei coloranti dall’acqua.

In conclusione, l’adsorbimento degli inquinanti nel caso degli ISBA dipende da diversi fattori legati al materiale precursore, così come dai vari parametri riguardanti il metodo di preparazione. Questi fattori devono essere studiati per ottenere una decontaminazione dell’acqua il più possibile efficace.

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