Nanoparticles for the removal of contaminants from wastewaters

Il presente lavoro di tesi si inserisce all’interno del progetto PerFORM WATER 2030 (Platform for Integrated Operation Research and Management of Public Water towards 2030), un progetto finanziato da regione Lombardia e dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale. L’elaborato ha l’obiettivo di produrre a scala di laboratorio delle nanoparticelle di ferro zero valente incapsulate in una matrice carboniosa (ME-nFe), un materiale con proprietà riducente ed elevato potere adsorbente da applicare nella depurazione delle acque. La sintesi delle nanoparticelle è avvenuta attraverso la carbonizzazione idrotermica (HTC) a partire da biomassa microalgale coltivata nell’impianto pilota situato presso il depuratore di Bresso-Niguarda (MI). Nello specifico, le prime fasi di lavoro si sono focalizzate sulla raccolta della biomassa direttamente in impianto e sulla sua caratterizzazione in termini di composizione elementare e contenuto di polifenoli. Successivamente si è passati allo studio delle condizioni che potessero influenzare la sintesi di CE-nZVI. Sono stati testati due tipi di sale da utilizzare quale fonte di ferro (solfato di ferro ammonico e nitrato di ferro), 4 rapporti Fe/C da inserire nel reattore (0.02, 0.05, 0.1, 0.2) e 3 temperature del processo di sintesi (180°C, 200°C e 225°C). Attraverso la caratterizzazione delle nanoparticelle ottenute in termini di contenuto di ferro zero-valente e ferro totale, di area superficiale specifica e di struttura morfologica a livello nanometrico, sono stati selezionati i prototipi dalle caratteristiche migliori. Le ME-nFE sono state testate nella rimozione di cinque metalli pesanti (Zn, Cu, Ni, Cd, Cr), prima in condizioni ideali e poi in condizioni più aderenti alla realtà. I migliori risultati sono stati ottenuti con una concentrazione di 3 gL-1 di adsorbente a partire da una concentrazione iniziale di ciascun metallo pari a 1 mgL-1. In queste condizioni si sono ottenute rimozioni per Zn, Cu, Ni e Cd superiori al 96%. Il Cr non è mai stato adeguatamente rimosso nei vari esprimenti. È stata inoltre valutata, a fine trattamento, la possibilità di recupero delle CE-nZVI e di un loro riutilizzo per più cicli di rimozione. In seguito, ci si è occupati della valutazione della tossicità del sottoprodotto liquido del processo HTC, sia nei confronti di Vibrio fisherii un batterio luminescente utilizzato come indicatore in ecotossicologia sia nei confronti delle stesse microalghe. Il test Microtox è stato effettuato sul refluo tal quale, individuando una forte tossicità anche su campioni assai diluiti (EC50= 1.8% dopo 15 minuti). Il test è stato ripetuto dopo strategie di pretrattamento (precipitazione del ferro attraverso modifica del pH) ma la tossicità era comunque elevata (EC50= 6.8%). Si è quindi valutato l’adsorbimento tramite carbone attivo (testando due concentrazioni 2 e 3gL-1). Entrambe le concentrazioni sono state in grado di ridurre sensibilmente la tossicità, con il risultato migliore portato dalla dose maggiore (EC50= 60% after 15 min). Infine, è stata valutata la possibilità di coltivazione delle microalghe su una diluizione del refluo HTC, al fine di studiare eventuali loro capacità di decontaminazione e al tempo stesso capire se fosse possibile chiudere il ciclo, valorizzando il sottoprodotto e ottenendo nuova biomassa per altre sintesi di CE-nZVI. Le microalghe sono state coltivate con successo su una miscela al 20% di centrato e sottoprodotto liquido, sia in batch che in continuo, aprendo scenari interessanti per rendere il processo di produzione della nanoparticelle più sostenibile.