Al giorno d’oggi, l’inquinamento delle acque reflue industriali rimane una seria sfida ambientale per tutti, a causa dei metalli pesanti, dei composti organici e così via. rappresentano una minaccia significativa per gli ecosistemi e la salute umana. Questi inquinanti non solo causano vari problemi, ad esempio l'eutrofizzazione dell'acqua, la riduzione della biodiversità e così via, ma possono anche, attraverso il ciclo della catena alimentare, mettere in pericolo la salute umana e innescare varie malattie. L'adsorbimento, in quanto soluzione efficiente e affidabile, è diventata una chiave intelligente. Utilizza le numerose strutture dei pori e l'elevata superficie specifica di materiali come carbone attivo e biochar per assorbire efficacemente ioni di metalli pesanti, composti organici e altre sostanze tossiche e nocive per il corpo umano. Tra le varie sostanze, il carbone attivo è ampiamente utilizzato nel campo del trattamento delle acque reflue industriali perché contiene sulla sua superficie gruppi funzionali altamente vantaggiosi, che presentano un'ottima selettività e capacità di adsorbimento per diversi tipi di inquinanti. Inoltre, con il progresso della scienza e della società, sono emersi numerosi nuovi adsorbenti, che migliorano ulteriormente l’efficienza di adsorbimento e forniscono diversità. Questo studio si concentra sull’analisi delle prestazioni di adsorbimento del carbone attivo nel trattamento delle acque reflue industriali e sull’esplorazione di strategie di ottimizzazione del processo per migliorare l’efficienza e la sostenibilità.
Il meccanismo di adsorbimento del carbone attivo comprende interazioni fisiche e chimiche: la sua grande area superficiale realizza un adsorbimento fisico attraverso le forze di van der Waals. Questo adsorbimento fisico si basa principalmente sugli abbondanti siti di adsorbimento forniti dal gran numero di micropori, mesopori e macropori nella struttura porosa del carbone attivo, consentendo alle molecole inquinanti di essere adsorbite sulla superficie o all'interno dei pori del carbone attivo attraverso forze intermolecolari. Nel frattempo, i gruppi funzionali superficiali, ad esempio idrossile, carbossile e così via, possono formare legami chimici con gli inquinanti bersaglio, come legami idrogeno o altre sostanze, migliorando così la selettività e l'efficienza di adsorbimento per inquinanti specifici. I fattori chiave che influenzano le prestazioni includono la concentrazione di sostanze inquinanti, il valore del pH, la temperatura e altro. Ad esempio, in condizioni acide, i gruppi carbossilici sulla superficie del carbone attivo possono essere protonati, migliorando così l'attrazione elettrostatica e lo scambio ionico tra ioni di metalli pesanti caricati negativamente e aumentando la quantità di adsorbimento di metalli pesanti; mentre temperature più elevate possono accelerare la cinetica di adsorbimento di alcuni inquinanti organici perché l'aumento della temperatura solitamente aumenta il movimento termico molecolare, favorendo la diffusione delle molecole inquinanti nei pori del carbone attivo e accelerando il raggiungimento dell'equilibrio di adsorbimento, soprattutto per alcuni processi di adsorbimento che richiedono il superamento di una certa energia di attivazione, un opportuno aumento della temperatura può aiutare a migliorare la velocità di adsorbimento e la capacità di adsorbimento finale. Tecniche avanzate migliorano le prestazioni del trattamento delle acque reflue con carbone attivo nel controllo dell'inquinamento industriale.
Per migliorare ulteriormente i processi di trattamento delle acque reflue con carbone attivo, i ricercatori hanno esplorato molti metodi diversi, tra cui la modifica della superficie attraverso il trattamento acido/base o altri metodi per personalizzare le prestazioni di adsorbimento per inquinanti specifici; sviluppare tecnologie di rigenerazione efficienti per prolungare la durata di vita dell'adsorbente e ridurre i costi operativi; e integrazione con processi complementari per esempio coagulazione e ossidazione avanzata per trattare matrici complesse di acque reflue. È possibile esplorare non solo questi processi di trattamento, ma anche numerosi altri processi. Queste strategie di ottimizzazione non solo migliorano l’efficienza di rimozione degli inquinanti, ma apportano anche fattibilità economica ai sistemi di trattamento basati sul carbone attivo.
L'applicazione pratica di questi processi ottimizzati ha mostrato risultati promettenti in settori come la produzione chimica. Nello specifico, in termini di espansione della scala tecnica, è necessario ottimizzare il flusso del processo e progettare l'integrazione delle apparecchiature per diversi scenari di trattamento delle acque reflue, affrontando problemi quali l'elevato consumo energetico e l'ampia superficie in applicazioni su larga-scala. Allo stesso tempo, dovrebbero essere stabilite norme standardizzate di produzione e funzionamento per garantire la stabilità e l’economia della tecnologia. Nell'esplorazione del carbone bioattivo da biomassa a basso-costo, è necessario concentrarsi sullo screening e sull'utilizzo di risorse di biomassa abbondanti e a basso-costo come i rifiuti agricoli e forestali. Migliorando il processo di attivazione, è possibile migliorare l'area superficiale specifica, la struttura dei pori e i gruppi funzionali superficiali del carbone, aumentando così la sua capacità di adsorbimento per gli inquinanti dell'acqua e riducendo il costo di produzione del carbone, promuovendone l'applicazione nel trattamento delle acque reflue su larga-scala. Allo stesso tempo, attraverso l'ottimizzazione dei parametri di processo, l'efficienza della rigenerazione e la riduzione dei costi operativi, ecc. Attraverso la multi-ricerca e le scoperte tecnologiche di cui sopra, la tecnologia di trattamento delle acque reflue con carbone attivo diventerà più matura, economica ed efficiente e si prevede che svolgerà un ruolo chiave nel raggiungimento degli obiettivi globali di sostenibilità idrica, fornendo un potente supporto tecnico per affrontare la carenza idrica, controllare l'inquinamento dell'acqua, garantire la sicurezza dell'acqua potabile e promuovere il riciclaggio delle risorse idriche e lo sviluppo sostenibile dell'ambiente.