Proiect: POC UPB /2019

Titlul proiectului: ECO-NANOTEHNOLOGII DE DEPOLUAREA APELOR ȘI VALORIFICAREA DEȘEURILOR
Programul Operațional Competitivitate 2014-2020
Axa prioritară 1 – Cercetare, dezvoltare tehnologică și inovare (CDI) în sprijinul
competitivității economice și dezvoltării afacerilor
Acțiunea: 1.2.3. Parteneriat pentru transfer de cunoștințe

 

PREZENTAREA PROIECTULUI
Una dintre cele mai dificile probleme cu care se confruntă planeta în prezent este deteriorarea și degradarea din ce în ce mai rapidă a calității apei. Aceasta poate fi atribuită unei varietăți de factori, cum ar fi creșterea populației, efectele schimbărilor climatice asupra ciclului hidrologic, creșterea poluării și altele.

Activitățile industriale generează o mare cantitate de ape uzate, reziduuri și nămol, care pot fi clasificate ca deșeuri periculoase care necesită tratamente dificile. Deoarece cantități mici din metalele grele sunt foarte toxice, îndepărtarea acestora din apele reziduale a devenit o preocupare importantă, datorată și legislației stricte.

Pentru apele uzate au fost stabilite reglementări stricte, menite să reducă la minim expunerea mediului la substanțe chimice periculoase.Metalele grele prezente în apele uzate și efluenții industriali reprezintă o provocare majoră pentru protecția mediului. Cele mai multe elemente poluante sunt foarte solubile în apă, toxice și cancerigene. Sunt considerate metale grele următoarele elemente: cupru, argint, zinc, cadmiu, mercur, plumb, crom, fier, nichel, staniu, arsen, seleniu, molibden, cobalt, mangan și aluminiu. Acestea reprezintă amenințări grave pentru om, fauna și flora corpurilor de apă . Ele pot fi absorbite și acumulate în corpul uman și pot cauza grave efecte asupra sănătății cum ar fi cancerul, leziuni ale organelor, modificări la nivelul sistemului nervos, iar în cazuri extreme, moartea. La nivel global, se efectuează cercetări ample pentru a aborda astfel de probleme de mediu și sunt dezvoltate noi tehnologii pentru a remedia calitatea apei poluate cu substanțe organice și/sau contaminanți anorganici. Cu toate acestea, reducerea costurilor, creșterea conștientizării riscurilor și provocarea de a îmbunătăți metodele de tratare a apei subterane și a apelor uzate necesită îmbunătățiri continue și inovare.

Nanotehnologia a contribuit în mod semnificativ în ultimele decenii la schimbări in ceea ce privește metodele de tratare. S-au depus eforturi considerabile pentru a exploata potențialul nanomaterialelor utilizate pentru remedierea mediului, denumită în mod obișnuit "nanoremediere". Comparativ cu tehnicile de remediere convenționale, cum ar fi: tratamente fizico-chimice, biologice, oxidare chimică, tratamente electrochimice, schimbători de ioni, tratamente cu membrane, care sunt cunoscute a fi costisitoare, parțial eficace și consumatoare de timp, a apărut nanoremedierea ca o nouă metodă de epurare, care este mai puțin costisitoare, mai eficientă din punct de vedere ecologic, social și economic. Este cunoscut faptul că, nanotehnologiile permit tratarea mediilor contaminate cu minimizarea adăugării de substanțe chimice în procesul de curățare.

Pentru tratarea apelor reziduale industriale, metodele cele mai utilizate sunt precipitările chimice, adsorbția, schimbul de ioni, metodele de separare cu membrane și de electroremediere.
Dintre acestea, metodele de precipitare sunt cele mai economice și, prin urmare, utilizate pe scară largă. Totuși, din cauza agenților de inhibare din apele uzate, eficiența procesului de precipitare poate fi drastic redusă și acest lucru cauzează o prelucrare incompletă și producere de nămoluri cu potenţial toxic. Prin urmare, noi abordări au fost studiate pentru a dezvolta tehnici economice mai eficiente în adsorbția metalelor grele.

Adsorbtia este considerată a fi una dintre cele mai ușor de utilizat metodele de purificare și separare. Este eficientă în îndepărtarea metalelor grele din apele uzate industriale, cu avantaje specifice, costuri reduse și design simplu. Îndepărtarea poluanților cu adsorbanți proveniți din subproduse agricole sau industriale este utilizată pe scară largă pentru a elimina metalele grele din soluții apoase, datorită disponibilității lor abundente, costului redus și caracteristicilor fizico-chimice favorabile.

Adsorbtia este operația de separare a unuia sau mai multor componenți dintr-o soluție, prin reținerea acestora pe suprafața unui solid numit adsorbant. Fenomenul de eliminare a adsorbitului din sistemul adsorbant-adsorbit se numește desorbție și se realizează în scopul recuperării componentului adsorbit și pentru regenerarea (reactivarea) adsorbantului. Metodele de adsorbție a substanțelor din soluții prin utilizarea adsorbanților minerali, organici sau de altă natură prevăd contactul pe o anumită perioadă de timp a componentelor sistemului adsorbant-adsorbit, până la atingerea echilibrului de adsorbție, în condiții statice sau la o agitare ușoară. Această operațiune se efectuează în scopul creării unor condiții favorabile pentru difuzia moleculelor din soluție spre particulele de adsorbant, influențând astfel și cinetica procesului de adsorbție. Procesul de adsorbție este caracterizat prin indicatorul numit „echilibru de adsorbție”, care exprimă repartiția cantitativă la echilibru a substanței adsorbite între adsorbant și soluția care conține substanța respectivă, precum și prin indicatorul „cinetica de adsorbție”, care urmărește mecanismul procesului și viteza cu care se desfășoară procesul.

Ca materiale adsorbante se utilizează o mare diversitate, în funcție de afinitatea față de substanțele ce trebuie reținute și costul acestor materiale. Este de dorit ca granulația acestor substanțe să fie cât mai mică, pentru a avea, astfel, la aceeași greutate o suprafața de contact cât mai mare (m2/g). Pentru epurarea apelor uzate se utilizează încă de foarte mult timp ca materiale adsorbante cărbunele activ, cocsul granulat, cenuși de la furnale, cărbune fosil, talaș, rumeguș, paie, diverse minerale granulate, cum sunt calcarul, dolomita și, mai nou, materiale bioadsorbante pe baza de alginat, amidon, chitosan, celuloză etc.

ETAPELE PROIECTULUI

1. Primul raport, efectuat după trei luni de activități în cadrul proiectului, a avut ca scop principal proiectarea unui stand de testare a capacității de adsorbție a metalelor grele pe materialelor bioadsorbante sub forma de sfere, iar ca suport metodologic- modelarea procesului de curgere a apei in coloana de adsorbție. Pentru modelarea procesului de curgere in coloana de adsorbție se apelează la softul COMSOL Mutiphysics, varianta 5.3 din care se alege modelul de curgerea turbulenta k-ε. Acest model de curgere are la baza următorul sistem de ecuații Navier-Stokes pentru lichide incompresibile, așa cum este cazul soluțiilor apoase (1).

Formula1

Formula2 (1)

Diagrama de curgere 2 D este redată in figura 1.

fig1
Fig. 1. Distribuția vitezelor în coloana de adsorbție

Modelul funcțional de testare a materialelor filtrante trebuie să asigure caracterizarea acestora, adică:
• Fenomenul de adsorbție la echilibru conform izotermei Lagmuir sau adsorbția statică (la temperatura constantă);
• Fenomenul de adsorbție la echilibru la pH diferit;
• Fenomenul de desorbție a metalelor;
• Cinetica fenomenelor de adsorbție sau adsorbția dinamica.
In acest scop, modelul funcțional de testare a materialelor filtrante, pe scurt standul de testare, este constituit dintr-o coloană în care se introduc materialele filtrante care sunt testate, patru pompe volumetrice cu membrană și acționare digitală, o micro suflantă, pentru furnizare de aer cald utilizat în uscarea materialului filtrant, și un tablou electric de automatizare.

Proiectul standului de testare a materialelor bioadsorbante pentru metale grele s-a făcut pentru un debit de cca. 0.016 m3/zi, ce corespunde la 0.4 dm3/h.
Standul de testare va fi utilizat în etapa a doua a proiectului.

fig2
Figura 2. Schema tehnologică a standului de testare

2. Al doilea raport, efectuat după șase luni de la demararea contractului, are ca scop realizarea standului de testare a materialelor bioadsorbante și testarea capacității de adsorbție a sistemelor pe bază de polizaharide sub formă de sfere, de tip alginat/amidon si compozit pe baza de nano-argile pentru epurarea apelor uzate. Standul de testare realizat este prezentat în figura 3.
Testările din cadrul acestei faze au avut ca scop recuperarea cuprului din apa utilizând sfere din:
-alginat de sodiu-amidon-sticla;
-alginat de sodiu-amidon-argilă de Sighișoara;
-alginat de sodiu-amidon-caolin.
In vederea validării modelului funcțional pentru testarea sistemelor filtrante sub forma de sfere s-au efectuat teste de laborator, iar rezultatele obținute au constituit date de intrare ce au stat la baza întocmirii raportului de testare sisteme filtrante în soluții apoase pe model funcțional.

fig3

Figura 3. Vederea frontală a standului de testare a materialelor filtrante

 

CONCLUZII

Activitățile din cadrul proiectului de cercetare s-au desfășurat conform graficului, iar rezultatele obținute sunt la nivelul așteptărilor.