Contributo delle nanoparticelle Fe3O4 all'imbrattamento dell'ultrafiltrazione con precoagulazione

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 13067 (2015) Citare questo articolo

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È stato utilizzato un processo di coagulazione (FeCl3)-ultrafiltrazione per trattare due diverse acque grezze con/senza la presenza di contaminanti di nanoparticelle Fe3O4. È stato scoperto che la presenza di nanoparticelle Fe3O4 nell'acqua grezza aumenta l'incrostazione della membrana sia irreversibile che reversibile. L’aumento della pressione transmembrana (TMP) è stato simile nelle prime fasi del passaggio della membrana per entrambe le acque grezze, mentre è aumentato rapidamente dopo circa 15 giorni nell’acqua grezza con nanoparticelle Fe3O4, suggerendo il coinvolgimento di effetti biologici. Una maggiore attività microbica con la presenza di nanoparticelle Fe3O4 era evidente dalle concentrazioni misurate di sostanze polimeriche extracellulari (EPS) e acido desossiribonucleico (DNA) e dalle intensità di fluorescenza. Si ipotizza che le nanoparticelle Fe3O4 si siano accumulate nello strato della torta e abbiano aumentato la crescita batterica. Associata alla crescita batterica è la produzione di EPS che migliora il legame con e tra i fiocchi coagulanti; L'EPS, insieme alle dimensioni più piccole delle particelle primarie su scala nanometrica dello strato della torta Fe3O4-CUF, ha portato alla formazione di una porosità inferiore, di uno strato della torta più resiliente e al blocco dei pori della membrana.

I sistemi a membrana di ultrafiltrazione (UF) vengono applicati sempre più nel trattamento delle acque sotterranee e superficiali grazie alla loro capacità di produrre acqua potabile di alta qualità in modo economico, in particolare per la rimozione di batteri e virus. Tuttavia, si ritiene che la presenza di materia organica naturale (NOM) in tali acque, che tipicamente comprende una miscela complessa di acidi umici e fulvici, proteine ​​e carboidrati, sia il principale responsabile dell'incrostazione della membrana1,2. Sono state dimostrate correlazioni ragionevolmente buone tra la presenza di queste sostanze organiche e il tasso di incrostazione irreversibile per le operazioni di UF a lungo termine, in particolare rispetto al contenuto di biopolimeri, come sostanze simili alle proteine ​​e ai polisaccaridi3,4. Alcuni ricercatori hanno concluso che, dopo la materia organica, l'ossido ferrico e la silice sono gli agenti contaminanti più comuni, seguiti dall'allumina e dal solfato di calcio5.

Negli ultimi anni è evidente una tendenza all’uso crescente di nanoparticelle commerciali e vi è una crescente preoccupazione per i problemi ambientali associati al fatto che vengono sintetizzate e utilizzate su larga scala, portando alla contaminazione dei corpi idrici naturali, ad esempio attraverso il rilascio di acqua- nanoparticelle dispersive modificate Fe3O46. Ad esempio, alcune nanoparticelle incorporate negli articoli di abbigliamento possono essere rilasciate nell’acqua e successivamente influenzare il funzionamento degli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP)7. Un ulteriore motivo di preoccupazione è che le nanoparticelle possono assorbire o incorporare metalli tossici e trasportare tossine a valle8. Pertanto, la rimozione di queste nanoparticelle dall’acqua contaminata è di grande importanza e la filtrazione su membrana, come processo di separazione delle particelle, è in linea di principio un metodo efficace. Tuttavia, è possibile che le nanoparticelle possano esacerbare l’incrostazione della membrana poiché le dimensioni delle nanoparticelle sono vicine a quelle dei pori della membrana di ultrafiltrazione.

Per controllare l'incrostazione della membrana e rimuovere le nanoparticelle, sono stati utilizzati molti metodi per impedire che i materiali organici e le nanoparticelle raggiungano la membrana, come lo scambio ionico (IX)9 e il rivestimento di ossido di ferro10. La coagulazione chimica “in linea” o coagulazione-flocculazione idraulica ha dimostrato di essere un modo efficace non solo per migliorare la qualità generale dell'acqua, ma anche per controllare l'incrostazione delle membrane11,12,13. L'aggiunta di cloruro di polialluminio ha avuto un impatto positivo nel ridurre le incrostazioni idraulicamente irreversibili causate da questi componenti3. Tuttavia, il processo di coagulazione produce uno strato di torta e molti studi sperimentali e operazioni pratiche hanno indicato che la formazione dello strato di torta è la causa principale dell'intasamento della membrana14,15,16. Pertanto, dovrebbero essere esplorate le caratteristiche dello strato di torta e in particolare la presenza di sostanze polimeriche extracellulari (EPS) e batteri.