Metalli pesanti
I metalli pesanti sono elementi chimici metallici ad alta densità e caratterizzati da potenziale capacità tossica e cancerogena già a basse concentrazioni, con conseguenti problemi alla salute dell’uomo e alla qualità degli ecosistemi. Sono descritti come elementi che hanno pesi atomici compresi tra 63,5 e 200,6 e una densità superiore a 5 g/m3 \citep*{Srivastava2008}. Sebbene alcuni metalli pesanti, come rame (Cu), zinco (Zn), manganese (Mn), ferro (Fe) e cobalto (Co), svolgono ruoli importanti nei processi biochimici all’interno del corpo umano, un'eccessiva esposizione ad essi può risultare pericolosa. Altri metalli pesanti come l'arsenico (As), il cadmio (Cd), il piombo (Pb), il mercurio (Hg) e il cromo (Cr) sono tossici anche a basse concentrazioni (parti per miliardo, ppb) perché non sono biodegradabili e possono accumularsi negli esseri viventi. In condizioni normali il corpo umano può tollerare tracce di metalli senza sviluppare gravi problemi di salute; tuttavia, l'esposizione a lungo termine ad essi può causare alti livelli di accumulo di tossine nel corpo che porta al danneggiamento dei sistemi corporei e alla morte \citep{ABDULLAH201917,IBRAHIM2022131267}.
Elevate concentrazioni di metalli pesanti sono registrate negli effluenti industriali. In particolare, le acque reflue generate dall'estrazione mineraria, dalla produzione di batterie e dalle attività metallurgiche sono una delle principali fonti di metalli pesanti nelle acque superficiali e sotterranee \citep{ABDULKAREM2021128896}. I metalli pesanti possono essere facilmente assorbiti da pesci e verdure a causa della loro elevata solubilità negli ambienti acquatici e possono accumularsi nel corpo umano per mezzo della catena alimentare \citep{Bazrafshan2015}.
Il nostro corpo ha bisogno di alcuni metalli pesanti (come manganese, ferro, cromo, rame e zinco), ma quantità eccessive di questi metalli possono risultare estremamente pericolose e dannose. I metalli possono danneggiare direttamente o indirettamente il DNA aumentando il rischio di genotossicità. Inoltre, possono causare diversi problemi di salute come anemia, disturbi renali, insufficienza del sistema nervoso, pressione sanguigna elevata, ipertensione, disturbi del linguaggio, affaticamento, disturbo del sonno, comportamento aggressivo, scarsa concentrazione, irritabilità, sbalzi d'umore, depressione, aumento delle reazioni allergiche, malattie autoimmuni, occlusione vascolare e perdita di memoria \citep{articlea,IHSANULLAH2016141}. Pertanto, al fine di proteggere l’uomo e gli ecosistemi, la rimozione dei metalli pesanti dalle acque reflue è fondamentale prima dello scarico nell'ambiente \citep{IBRAHIM2020117250,ALALI2021100147}.
Trattamento delle acque contaminate da metalli pesanti
I metodi di trattamento fisico, chimico e biologico possono essere utilizzati per la rimozione dei metalli pesanti dalle acque reflue. Tra le tecniche di trattamento implementate rientrano la precipitazione chimica, lo scambio ionico, la flocculazione, la coagulazione, l’adsorbimento, la filtrazione su membrane e l’impiego di metodi elettrochimici \citep{Bazrafshan2015}.
La precipitazione chimica è un processo efficace per la rimozione dei metalli pesanti ed è relativamente semplice ed economico. In questo processo sostanze chimiche (ad esempio, calce, idrossidi e solfuri) reagiscono con gli ioni dei metalli pesanti per formare precipitati insolubili che possono essere separati dall'acqua mediante sedimentazione o filtrazione. Sebbene ampiamente utilizzata, la precipitazione chimica ha anche alcune limitazioni: genera grandi volumi di fanghi che possono presentare problemi di disidratazione e smaltimento; può essere insufficiente per raggiungere livelli di concentrazione accettabili per lo scarico, richiedendo ulteriori post-trattamenti; può essere ostacolata dalla presenza di altre sostanze (ad esempio, cianuro e ammoniaca) che formano complessi con i metalli interferendo nella loro precipitazione. L’aggiunta di coagulanti come sali di ferro, allume e polimeri organici può migliorare la precipitazione dei metalli pesanti dalle acque reflue \citep{jr2000,FU2011407,Bolisetty2019}.
Lo scambio ionico è un metodo ampiamente utilizzato per rimuovere i metalli pesanti dalle acque reflue. Le reazioni di scambio ionico possono essere definite come l'interscambio reversibile tra ioni presenti in resine di scambio (naturali o sintetiche) e ioni in soluzione. Le resine sintetiche sono comunemente preferite in quanto rimuovono efficacemente i metalli pesanti dalla soluzione trattata. Oltre alle resine sintetiche, le zeoliti naturali (ossia minerali alluminosilicati idrati cristallizzati presenti in natura) sono state ampiamente utilizzate in virtù delle loro proprietà di adsorbimento, catalisi e scambio ionico, del loro basso costo e dell’elevata abbondanza. In particolare, la clinoptilolite è una delle zeoliti naturali più frequentemente impiegate. Lo scambio ionico presenta numerosi vantaggi come l'elevata capacità di trattamento, l'elevata efficienza di rimozione e la cinetica veloce. Tra gli svantaggi è opportuno tenere in considerazione che il processo è influenzato da pH, temperatura, concentrazione iniziale di metallo, tempo di contatto, carica ionica, presenza di altre specie ioniche, di ossidanti, di particelle, di solventi e di polimeri \citep{GODE2006330,FU2011407,Bolisetty2019,CHOI2020115167}.
L'adsorbimento è un metodo fisico-chimico comunemente implementato per la rimozione di metalli pesanti dalle acque reflue. Si basa principalmente sul trasferimento di massa tra la fase liquida e la fase solida “adsorbente” \citep{ansarpour2017}. L'adsorbimento è un metodo impiegato per rimuovere i metalli pesanti in virtù dell'elevata efficienza di rimozione, della possibilità di rigenerazione dei materiali adsorbenti e della flessibilità nella progettazione e nel funzionamento \citep{Bolisetty2019}. Tuttavia, il suo costo e la sua efficienza di rimozione possono essere limitati dalla scelta dell'adsorbente \citep{ALALI2021100147}. Il carbone attivo, suddiviso in carbone attivo in polvere (PAC) e carbone attivo granulare (GAC), è l’adsorbente più utilizzato nel trattamento delle acque per la rimozione di inquinanti organici e inorganici disciolti in esse \citep{RIZZO2020136312}. Diversi studi si sono focalizzati sull’impiego di adsorbenti a basso costo come sottoprodotti agricoli e rifiuti solidi industriali, in conformità con i principi dell’economia circolare e dello sviluppo sostenibile \citep{BADESCU2018288,KATHA2021186}.
Il trattamento elettrochimico (EC) è un metodo flessibile e potente per il trattamento delle acque reflue \citep{HUNSOM2005610}; questo processo utilizza l'elettricità per far passare una corrente elettrica attraverso una soluzione metallica contenente una piastra catodica e un anodo. Esempi di EC sono elettrodeposizione, elettrocoagulazione, elettro-flottazione ed elettro-ossidazione \citep{articleb}. Tra i principali vantaggi dei processi elettrochimici rientrano la richiesta di attrezzature semplici, la relativa facilità di applicazione e il breve tempo di ritenzione necessario (variabile nel range 5-120 minuti) \citep{ALALI2021100147}. Tuttavia, l’utilizzo di tali processi per il trattamento delle acque reflue è limitato in quanto comporta costi di investimento e di esercizio relativamente elevati \citep*{FU2011407}. L'elettrocoagulazione è un processo elettrochimico che utilizza corrente elettrica ed elettrodi metallici sacrificali al posto di costosi reagenti chimici per rimuovere efficacemente da una soluzione diversi contaminanti, come solidi sospesi, metalli pesanti e sostanze organiche \citep{unknown}. I contaminanti presenti nelle acque reflue sono mantenuti in soluzione da cariche elettriche. Nel processo di elettrocoagulazione queste particelle vengono neutralizzate da ioni aventi carica elettrica opposta, si destabilizzano e precipitano in una forma stabile \citep{Bazrafshan2015}. L'elettrocoagulazione non solo si traduce in una maggiore efficienza di rimozione, ma può anche essere più economica rispetto alla convenzionale coagulazione chimica. Ad esempio, il consumo di energia dovuto all'aggiunta di un campo elettrico nello studio condotto da \citet{ALALI2021100147} è risultato essere di 0,89 kWh/m3 e, sulla base di quanto riportato nello studio condotto da \citet{LINARESHERNANDEZ2007240}, ciò comporterebbe un costo operativo 3,2 volte inferiore rispetto alla coagulazione chimica.
La scelta della tecnica più adatta per il trattamento delle acque reflue contaminate da metalli pesanti dipende dalla concentrazione iniziale di metallo, dalle prestazioni complessive rispetto ad altre tecnologie, dalla flessibilità e affidabilità dell'impianto, dall'impatto ambientale e dai fattori economici, come l'investimento di capitale e i costi operativi \citep{KURNIAWAN200683}. \citet{Bolisetty2019} sostengono che attualmente non esiste una singola tecnologia che possa rappresentare una soluzione universale alla rimozione dei metalli dalle acque a causa delle differenti condizioni riscontrabili. Infatti, gli autori sostengono che gli ottimi risultati ottenuti in diversi studi sono validi solo in condizioni ideali (in termini di pH, concentrazioni di contaminanti e altri parametri operativi). Dunque, tali sistemi potrebbero essere suscettibili di sostanziali riduzioni delle efficienze di rimozione se applicati in contesti differenti. Tuttavia, affermano che la combinazione di più tecnologie può risultare un’ottima strategia per garantire un buon trattamento in condizioni che si discostano da quelle ideali.
La combinazione di adsorbimento e processi elettrochimici ha fornito risultati interessanti in termini di rimozione dei metalli pesanti \citep{ALALI2021100147}.
Sistema ibrido integrato EC-AD
La combinazione di processi elettrochimici e adsorbimento costituisce un sistema elettrochimico modificato, detto sistema ibrido integrato EC-AD, introdotto da \citet{LINARESHERNANDEZ2007240} con l'obiettivo di incrementare la rimozione degli inquinanti. In particolare, gli autori registrarono una significativa rimozione del COD, del colore e della torbidità. Successivamente altri studi si sono concentrati sulla rimozione del cromo (Cr), dei coloranti e del manganese (Mn) utilizzando principalmente carbone attivo (AC) come adsorbente.