I microplastici sono emersi come uno dei contaminanti più pervasivi e difficili da gestire nei sistemi d'acqua globali. Questi frammenti di plastica minuti, tipicamente definiti come particelle più piccole di 5 millimetri, sono stati rilevati nei serbatoi d'acqua dolce, aquile di falda, zone costiere, e anche i nuclei di ghiaccio polari remoti.

I processi di trattamento delle acque tradizionali, come la filtrazione della sabbia convenzionale, la coagulazione con l'alluce e la flocculation, non sono stati progettati con microplastiche in mente. Le loro dimensioni ridotte e a bassa densità permettono a molte particelle di passare attraverso filtri e chiarificatori standard, spesso raggiungendo i tassi di rimozione inferiori al 70% per le particelle più piccole di 100 micrometri.

Comprensione di microplastiche e sedimentazione

La separazione è un'operazione fondamentale nel trattamento dell'acqua, basandosi sulla differenza di densità tra particelle e acqua per promuovere il settling sotto la gravità. La velocità di allestimento del terminale di una particella è regolata dalla legge di Stokes, che mostra che la velocità aumenta con il quadrato del diametro delle particelle e la differenza di densità.

Per superare queste limitazioni, gli approcci innovativi di sedimentazione modificano le caratteristiche delle particelle (dimensione, densità, carica superficiale) o applicano le forze esterne per accelerare e migliorare l'impostazione.

Tipi e sorgenti di microplastiche

I microplastici sono prodotti in dimensioni microscopiche per usi specifici: microperline in scrub esfolianti, pellet di plastica per stampaggio ad iniezione, e fibre di tessuti sintetici.

Sfide nella Sedimentazione Convenzionale

Il trattamento convenzionale dell'acqua utilizza la coagulazione (deliminazione a carica) e la floclazione (raggio) per formare floc più grandi e stabili. Mentre questo funziona bene per argilla e materia organica, i microplastici sono notoriamente difficili da coagulare. Molti microplastici hanno superfici idrofobiche e basse spese di superficie, resistendo al legame con coagulanti a base di metallo come l'alamo o cloruroghe ferriche.

Tecniche di sedimentazione innovative

Una nuova generazione di tecniche di sedimentazione è stata sviluppata specificamente per la messa a punto di microplastiche, che si basano su una maggiore fluttuazione, separazione magnetica, ballando, elettrocoagulazione e sull'uso di additivi bio-based, e che mirano a superare le barriere fisiche e chimiche che impediscono ai microplastici di impostare in modo naturale.

Migliorata la fluttuazione utilizzando i coagulanti del romanzo

Il miglioramento della fluttuazione va oltre il dosaggio convenzionale di alluce o di sale ferrico. L'aggiunta di coagulanti specializzati - derivati di poliacrilamide, chitosano (un biopolimero da conchiglie crostacee), poliDADMAC e flocculant a base vegetale (ad esempio, estratto di semi di Moringa oleifera, tannini) - può migliorare significativamente l'aggregazione microplastica.

I coagulanti biodegradabili sono particolarmente attraenti per ridurre al minimo l'inquinamento secondario. Il chitosano, derivato dai rifiuti della pesca, è atossico ed efficace su un ampio range di pH. I suoi gruppi di amine protonano in condizioni acide, attaccando a superfici microplastiche a carico negativo.

Fattori che influenzano la fluttuazione migliorata

  • Tipo e dose coagulante:[ I sali metallici richiedono dosi più elevate per microplastici a causa di un basso potenziale zeta; i polimeri organici sono più efficienti a dosi più basse.
  • Intensità di miscelazione:[] La rapida miscelazione inizializza la coagulazione; la fluttuazione lenta favorisce la crescita.
  • pH e resistenza ionica:[] L'assorbimento e la neutralizzazione della carica sono altamente dipendente dal pH; le condizioni ottimali variano per tipo di polimero.
  • Presenza di NOM:[ La materia organica che compone può sequestrare la domanda chimica; la pre-ozonazione può aiutare.

Sedimentazione magnetica con Nanoparticelle Funzionalizzate

Le particelle magnetiche di lana sono rivestite da un campo magnetico di particelle di ferro (Fe3O4 o γ-Fe2O3). Il materiale di base è rivestito da un chimico o da un polimero selettivo che adsorbe microplastiche. I rivestimenti comuni includono acido oleico, silice o tensioattivi cationici che migliorano il legame con le particelle di plastica carburanti.

La sedimentazione magnetica offre diversi vantaggi: la lavorazione rapida (minuti invece di ore), l'elevata efficienza di rimozione del 95% per le particelle come 1 μm, e la produzione di fango chimico minimale perché le particelle magnetiche possono essere rigenerate e riutilizzate dopo la disorpzione di microplastiche.

Flocculation a sfera con microsand o Dense Media

La fluttuazione a balaste accelera la sedimentazione aggiungendo un materiale granulare ad alta densità (ad esempio, microsand, magnetite o vetro macinato) che agisce come un nucleo ponderato per i flocs. Le particelle di zavorra, tipicamente 50-150 μm di diametro, sono incorporate nella struttura floc più recente durante la flocculation. Poiché la densità di zavorra è alta (2.6 g/cm3 per la sabbia), i floc di velocità che raggiungono i floc più veloci sono piccoli

In microplastica-targeted floccuulation, un coagulante e un polimero sono dosati, seguita da iniezione di microsabbia. I flocs crescono intorno ai grani di sabbia, incorporando microplastici. Dopo rapida messa in posa (3-8 m/h), il microsand viene recuperato dal fango utilizzando idrocicloni e riciclati.

Elettrocoagulazione per la rimozione di microplastici

L'elettrocoagulazione (CE) utilizza una corrente diretta applicata agli elettrodi sacrificali (alluminio o ferro) per rilasciare ioni metallici coagulanti in situ. Il processo produce anche bolle di gas idrogeno che possono aiutare la flottazione, ma con un passo di fluttuazione, gli idrossidi metallici formano dei floc pesanti che si stabiliscono.

I parametri — densità corrente, distanza elettrodo, pH e tempo di trattamento — devono essere ottimizzati per i parametri di pH 6,5 e 5 mA/cm2 per 15 minuti, gli elettrodi in alluminio rimossi 97% dei microplastici in polietilene da acque reflue sintetiche.

Additivi basati su bio e Flocculanti naturali

I Tannins, estratti da cortecce e foglie di albero, sono anionica o cationici a seconda della modifica, e possono complessi con microplastici. Amido cationico (quaternizzato), carbossile cellulosa e gomma xantana hanno anche dimostrato la promessa.

Vantaggi dei metodi di sedimentazione innovativi

Rispetto alla filtrazione a membrana (MF, UF) o all'ossidazione avanzata, le tecniche di sedimentazione innovative offrono vantaggi distinti, soprattutto per il trattamento a grande volume in cui i costi energetici e chimici sono critici.

  • Cost-efficacia:[[] L'energia per sistemi magnetici o ballati è generalmente inferiore a processi a membrana ad alta pressione. Le dosi chimiche per il galleggiamento sono moderate, e molti coagulanti sono a buon mercato o fonte di rifiuti (chitosan).
  • Efficienza energetica:[] Le pompe a bassa testa e le bobine magnetiche consumano meno energia delle pompe a membrana o dei reattori UV.
  • Ingombro chimico prodotto:[] La sedimentazione magnetica utilizza principalmente particelle magnetiche che possono essere riutilizzate, minimizzando lo sludge. L'elettrocoagulazione elimina il trasporto e lo stoccaggio di sostanze chimiche fuori luogo.
  • Alta efficienza di rimozione per una gamma di dimensioni ampie: ⁇ ⁇ ⁇ strung> Mentre le membrane possono raggiungere il 99,9%, sono inclini a fallire da microplastiche. La sedimentazione migliorata può rimuovere le particelle fino a <5 μm con una corretta ottimizzazione.
  • Situazione di retrofitting:[ I sistemi a balsamo e magnetico possono essere installati nei bacini esistenti senza grandi opere civili, riducendo le spese di capitale.

Sfide e limitazioni

Nessun metodo unico è un proiettile d'argento universale.

Scalabilità e produttività

La separazione magnetica con HGMS funziona bene per piccoli flussi (scala pilota fino a 10 m3/h). Per gli impianti di trattamento municipale (ad esempio 100.000 m3/d), la dimensione della matrice magnetica diventa proibitiva, e la necessità di una pulizia frequente riduce la disponibilità.

Gestione dei fanghi

Nelle piante convenzionali, il fango viene spesso digerito o deumidito e discaricato. I microplastici in fanghi possono persistere e contaminare il suolo; l'incenerimento è ad alta intensità di energia. I fanghi magnetici possono essere trasformati per recuperare le particelle magnetiche e concentrare microplastiche per lo smaltimento, ma che aggiunge passi.

Nanoparticella Tossicità e Fato Ambientale

L'uso di nanoparticelle ingegnerizzate (Fe3O4, nZVI) solleva preoccupazioni circa l'accesso all'acqua trattata. Mentre la maggior parte degli studi mostrano la tossicità di ossido di ferro basso, gli effetti di esposizione cronica sono sconosciuti. Le particelle magnetiche stesse possono diventare inquinanti se non completamente recuperati.

Interferenza da NOM e Co-Contaminanti

La materia organica naturale può competere per i siti di legame di particelle coagulanti o magnetici, riducendo l'efficienza di rimozione. La pre-sediazione o la pre-ozonazione a ossidazione parziale NOM può aiutare ma aggiunge i costi. Metalli pesanti o farmaci che adsorbiscono a microplastici potrebbero essere co-rimossa, benefica in un senso, ma la tossicità degli aumenti di fango.

Studi sui casi e applicazioni reali

Diversi progetti pilota e dimostrativi illustrano la fattibilità della sedimentazione innovativa.

Flocculation a balasata in una pianta svedese

Nel 2022, un impianto di trattamento delle acque municipali a Malmö, Svezia ha testato un sistema Actiflo Carbo potenziato con carbone attivo in polvere per la rimozione della microplastica. La pianta ha trattato 60 m3/h di effluente secondario. Con il cloruro ferrico (20 mg/L) e il polimero anionica (1 mg/L) più microsabbia, la rimozione delle fibre di polietilene ha superato il 90%, e il totale ridotto il consumo di energia 87% di sgrafato (±1 mm).

Pilota di sedimentazione magnetica in Giappone

L'Osaka Municipal Waterworks Bureau ha collaborato con un'università per testare la sedimentazione magnetica sull'acqua grezzo del fiume Yodo contenente microplastiche provenienti da runoff urbano. Le nanoparticelle Fe3O4 (0.3 g/L) rivestite con acido oleico sono state iniettate in un flusso di 10 m3/h.

Elettrocoagulazione in acque reflue tessili (India)

Un mulino tessile a Tiruppur, India, ha installato un'unità di elettrocoagulazione da 200 m3/d per rimuovere coloranti e microfibra da effluente. Utilizzando elettrodi di alluminio a 15 A, 30 V, ritenzione di 5 minuti, rimozione di fibre di poliestere (10–100 μm) ha raggiunto il 91%. Il fango contenente idrossidi metallici e fibre è stato inviato ad un forno di cemento per la co-elaborazione di elettrodo.

Le direzioni di ricerca future

Per colmare il divario tra le innovazioni di laboratorio e l'adozione su larga scala, gli sforzi di ricerca si concentrano su:

  • Sistemi ibridi:[] Combinando la carcassa con i supporti magnetici o ballati per ottenere la sinergia. Ad esempio, la fluttuazione per formare piccoli aggregati seguiti dalla cattura magnetica accelera ulteriormente l'installazione.
  • Ottimizzazione automatica:[ Modelli di apprendimento automatico che regolano la dose chimica, la miscelazione e la resistenza del campo magnetico in tempo reale sulla concentrazione e la composizione microplastica influenti.
  • Nanoparticella design:[] Creazione di particelle magnetiche con rivestimenti selettivi per polimeri specifici (ad esempio idrofobico per PE, cationico per PET) per migliorare il recupero.
  • Valutazione del ciclo di vita:[] Studi completi che confrontano le impronte energetiche, chimiche e ambientali di ogni metodo sul treno di trattamento completo, incluso lo smaltimento dei fanghi.
  • Monitoraggio in-situ:[] Sviluppo di sensori che possono misurare continuamente la concentrazione e la distribuzione delle dimensioni microplastiche per convalidare le prestazioni di rimozione.

Conclusioni

L'inquinamento delle acque in microplastiche richiede soluzioni innovative, pratiche e convenienti, mentre non si risolverà un approccio di sedimentazione, la suite di fluttuazioni potenziate, sedimentazione magnetica, fluttuazione delle ballate, elettrocoagulazione e raffinazioni bio-flocculant fornisce un robusto kit di strumenti.

Per ulteriori informazioni, consultare il ]Riepilogo dell'OMS sulle microplastiche nell'acqua potabile[[], la ricerca della Commissione europea sulla mitigazione delle microplastiche[, e Ricerca EPA sulle microplastiche].