Studio sull'adsorbimento del cromo esavalente da parte di materiale composito preparato a partire dal ferro

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 135 (2023) Citare questo articolo

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Un nuovo adsorbente con funzione di rimozione del cromo è stato sintetizzato mediante il metodo termico del carbonio utilizzando fanghi Fenton di scarto contenenti ferro e ceneri volanti di scarto solido contenenti carbonio per trattare le acque reflue con pH elevato generate da processi industriali. I risultati hanno mostrato che l'adsorbente utilizzato T = 273,15 K, pH = 10, t = 1200 min, C0 = 100 mg/L, aveva un tasso di rimozione di Cr(VI) superiore all'80% e la capacità di adsorbimento poteva raggiungere 393,79 mg/g. I risultati della caratterizzazione mostrano che il materiale composito mesoporoso sintetizzato drogato con azoto ha un'ampia area superficiale specifica e una struttura mesoporosa, e la superficie del materiale è ricca di gruppi funzionali e siti attivi contenenti ossigeno. Rispetto ad altri studi, la capacità di adsorbimento del materiale è maggiore, il che indica che l’effetto di rimozione del Cr(VI) in questo studio è migliore. I risultati della cinetica di adsorbimento mostrano che l'adsorbimento segue uno pseudo secondo modello cinetico e il processo di adsorbimento è un chemisorbimento che coinvolge la condivisione o lo scambio di elettroni. Questo esperimento ha progettato un metodo semplice per sintetizzare compositi mesoporosi drogati con azoto utilizzando rifiuti solidi industriali, con materie prime ricavate da rifiuti solidi industriali economici e facilmente disponibili, e ha risolto il duplice problema dei metalli pesanti nelle acque reflue e nei rifiuti solidi, fornendo una nuova idea per il utilizzo delle risorse dei fanghi di Fenton senza produrre inquinamento secondario.

Il cromo e i suoi composti sono ampiamente utilizzati nella concia, nel tessile, nella galvanica, nelle tinture, nei combustibili e nella conservazione del legno1. L’applicazione del cromo e dei suoi composti ha inevitabilmente causato una serie di inquinamenti, favorendo al tempo stesso una rapida crescita economica2. Il Cr(VI) si trova principalmente nell'acqua ed è un inquinante rappresentativo con elevata tossicità e mobilità. Il Cr(VI) esiste in diverse forme a diversi pH, con HCrO4− dominante in condizioni di pH basso e CrO42− in condizioni di pH elevato. Il Cr(VI) è 500 volte più tossico del Cr(III) ed è uno dei tre metalli cancerogeni riconosciuti a livello internazionale. Il cromo rappresenta una seria minaccia per gli organismi acquatici e la salute umana, pertanto la rimozione del cromo dalle acque reflue è necessaria e urgente3. Tra le numerose tecniche di rimozione del cromo, l'adsorbimento è oggi una soluzione efficiente ed economica grazie all'elevato tasso di rimozione, all'elevato potenziale di rigenerazione, al basso costo iniziale, alla progettazione semplice e alla facilità di funzionamento4. Sul mercato sono presenti vari adsorbenti come ossidi metallici, carbone attivo e biomateriali. Tra questi adsorbenti, i materiali a base di carbonio sono altamente preferiti grazie alla diversificazione delle materie prime e al basso costo e sono considerati i materiali più promettenti per la rimozione dei metalli pesanti5. Tuttavia, molti adsorbenti presentano attualmente alcuni inconvenienti, come una scarsa capacità di adsorbimento e una velocità di assorbimento lenta, che limitano l'applicazione e lo sviluppo di adsorbenti e quindi corrispondono alla necessità di sviluppare adsorbenti con una migliore capacità di adsorbimento e costi di produzione inferiori per trattare le acque reflue contenenti cromo6 .

I rifiuti e i sottoprodotti dei processi industriali sono considerati una delle fonti di adsorbenti a basso costo7. Le ceneri volanti possono non solo risolvere il problema dell’inquinamento dei rifiuti, ma anche ridurre significativamente il costo di preparazione dei compositi mesoporosi drogati con azoto. Le ceneri volanti sono un tipo di rifiuto solido industriale prodotto dalla combustione di vari componenti organici e inorganici nel processo di generazione di energia elettrica a carbone a temperature comprese tra 1200 e 1700 °C. La produzione annuale di ceneri volanti nel mondo è di circa 450 milioni di tonnellate e la produzione annuale in Cina è di circa 100 milioni di tonnellate. L'attuale metodo di trattamento consiste principalmente nello stoccaggio e un trattamento improprio può causare inquinamento dell'aria, dell'acqua e del suolo, dannoso per l'ambiente e l'ecologia8. I fanghi di Fenton sono un tipo di rifiuto pericoloso prodotto dal processo Fenton, composto principalmente da ioni di ferro e deve essere trattato adeguatamente. Viene trattato principalmente mediante incenerimento o discarica, ma causerà un inquinamento secondario per l'ambiente. È considerato una potenziale risorsa a causa del suo alto contenuto di ferro e molti studi sono stati dedicati alla sua conversione in risorse per un utilizzo secondario. Ye et al.9 hanno utilizzato la pirolisi per convertire i fanghi di Fenton in biochar a base di fanghi magnetici, che è stato utilizzato come catalizzatore per attivare il perossido di idrogeno per la rimozione del blu di metilene dalle acque reflue, e questo studio ha scoperto che la capacità catalitica del catalizzatore preparato potrebbe essere mantenuto all'88,13% ed è stato in grado di degradare il 98,56% di 100 mg/l di blu di metilene entro 3 minuti, il che si è rivelato conveniente, buono e molto rispettoso dell'ambiente. Tong et al.10 hanno utilizzato i fanghi di Fenton per sintetizzare il carbonio dell'idrogeno ammidico mediante un metodo idrotermale a una fase e lo hanno utilizzato per adsorbire Pb2+ e hanno scoperto che la sua capacità di adsorbimento poteva raggiungere 359,83 mg/L con buoni risultati. Questo studio fornisce un modo per utilizzare le risorse delle ceneri volanti e dei fanghi Fenton. La sintesi convenzionale del carbone attivo utilizza materie prime ricche di carbonio per la carbonizzazione anaerobica, mentre i compositi mesoporosi drogati con azoto basati su rifiuti solidi utilizzano carbonio riscaldato ripetutamente per rigenerare composti di ferro e composti contenenti carbonio11. I costi elevati e i rischi ambientali limitano lo sviluppo dei metodi convenzionali. I compositi mesoporosi drogati con azoto sono diventati uno dei punti caldi della ricerca per il trattamento delle acque reflue contenenti cromo grazie al loro basso costo e ai vantaggi ambientali. Inoltre, i fanghi di Fenton hanno un elevato contenuto di ferro e possono fornire una fonte di ferro per la preparazione di compositi mesoporosi drogati con azoto11,12,13,14, mentre le ceneri volanti utilizzate hanno un elevato contenuto di carbonio e possono fornire una fonte di carbonio per la preparazione di il materiale; pertanto, è teoricamente possibile utilizzare i fanghi di Fenton e le ceneri volanti per preparare compositi mesoporosi drogati con azoto.