Uno studio di simulazione di un elettro

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 12170 (2022) Citare questo articolo

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La tecnologia a membrana con vantaggi quali consumo energetico ridotto grazie all'assenza di cambiamento di fase, volume ridotto ed elevato trasferimento di massa, elevata efficienza di separazione per soluzioni di soluzione, progettazione semplice delle membrane e facilità d'uso su scala industriale sono diverse dagli altri metodi di separazione. Esistono vari metodi come l'estrazione liquido-liquido, l'adsorbimento, la precipitazione e i processi a membrana per separare i contaminanti da una soluzione acquosa. La tecnica della membrana liquida fornisce un metodo di separazione pratico e diretto per gli ioni metallici come tecnica avanzata di estrazione con solvente. Le membrane liquide stabilizzate richiedono un minor consumo di solventi, costi inferiori e un trasferimento di massa più agevole grazie al loro spessore più sottile rispetto ad altre tecniche di membrana liquida. È stata studiata numericamente l'influenza delle proprietà elettrostatiche, derivate dal campo elettrico, sulla velocità di trasporto ionico e sul recupero dell'estrazione, nella membrana liquida supportata da foglio piatto (FSLM) e nella membrana liquida supportata da foglio elettropiano (EFSLM). Sono state prese in considerazione entrambe le modalità operative FSLM ed EFSLM, in termini di implementazione dell'elettrostatica. Attraverso l'adozione di un approccio numerico, le equazioni di Poisson-Nernst-Planck e Navier-Stokes sono state risolte in condizioni di stato non stazionario considerando diversi valori di permettività, diffusività e viscosità per la presenza di forza elettrica e agitatore, rispettivamente. Il risultato più importante di questo studio è che in condizioni simili, aumentando la tensione applicata, aumentava il recupero di estrazione. Ad esempio, in modalità EFSLM, aumentando la tensione applicata da \(10 \) a \(30 {\text{V}}\), il recupero dell'estrazione è aumentato da \(53\) a \(98\%\) . Inoltre, è stato anche osservato che la presenza di nanoparticelle ha effetti significativi sulle prestazioni del sistema SLM.

Al giorno d'oggi, con lo sviluppo della tecnologia, la quantità di acque reflue industriali scaricate nell'ambiente aumenta gradualmente. Anche a basse concentrazioni, i contaminanti presenti nelle acque reflue hanno effetti devastanti sulla salute umana e su altri organismi viventi. Gli ioni metallici sono uno degli inquinanti più tossici presenti nelle acque reflue scaricate nell'ambiente1,2,3,4,5,6,7. A causa dell’uso diffuso di metalli pesanti come il cadmio nei pigmenti, nella placcatura, nella metallurgia e nei campi agricoli (fertilizzanti e pesticidi), questo ione metallico tossico viene rilasciato nelle fonti d’acqua e le contamina8. D’altro canto, a causa della mancanza di degradabilità e tossicità, la presenza di questi metalli nelle risorse idriche è molto preoccupante per l’ecosistema. Per questo motivo, l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) ha definito \(3{\text{ ppm}}\) la concentrazione massima consentita di cadmio nell'acqua potabile9,10,11. Pertanto, è necessario sviluppare metodi efficaci ed economici per rimuovere i metalli dalle acque reflue prima dello smaltimento. Esistono vari metodi per rimuovere gli ioni metallici dalle acque reflue, come l'estrazione liquido-liquido12,13,14, l'adsorbimento15,16, lo scambio ionico17, l'elettrodialisi18,19 e i processi a membrana2,20,21,22.

Oggi, la tecnologia a membrana presenta vantaggi quali un consumo energetico ridotto grazie all’assenza di cambiamento di fase, volume ridotto ed elevato trasferimento di massa, elevata efficienza di separazione per soluzioni diluite, progettazione semplice delle membrane e facilità d’uso su scala industriale rispetto ad altri metodi23. Si distinguono gli agenti isolanti, tra cui l'uso di SLM contiene due fasi dell'accettore e del donatore grazie all'elevata efficienza di estrazione anche a basse concentrazioni, basso consumo di solvente, basso costo, trasferimento di massa più semplice grazie allo spessore più sottile rispetto a quello ricevuto da altre tecniche LM molta attenzione24.

La membrana SLM può trasmettere lo ione desiderato mediante la forza motrice della differenza di voltaggio o velocità. Finora molti ricercatori nel campo della modellistica, simulazione e sperimentazione hanno condotto numerosi studi su membrane liquide per il trattamento delle acque reflue, recupero di metalli delle terre rare25,26,27,28,29. Tehrani et al.30 hanno studiato membrane nanofluide stabilizzate per separare gli ioni gadolinio dal mezzo di soluzione di nitrato. Hanno studiato l'effetto delle nanoparticelle idrofile di TiO2 e di SiO2 idrofobiche sul sistema a membrana liquida stabilizzata. I risultati hanno mostrato che la presenza di nanoparticelle ha influenzato significativamente la diffusione del sistema SLM e hanno concluso che le nanoparticelle idrofobiche sono più desiderabili. Zaheri et al.31 hanno recuperato l'europio metallico mediante nanotubi di carbonio e trasportatori di acidi (Cyanx 272) nel sistema SLM e hanno studiato l'effetto del pH dell'alimentazione sulla qualità della separazione. Bhatluri et al.32 hanno studiato la rimozione del cadmio e del piombo da un'alimentazione acquosa mediante olio di cocco come solvente e Aliquate 336 come trasportatore. Aumentando l'EDTA nella fase ricevente, hanno aumentato il flusso di trasferimento di massa33. È stata studiata la separazione degli ioni Cd (II) e Ni (II) in un mezzo acquoso di solfato utilizzando una membrana liquida stabilizzata (SLM). È stato studiato l'effetto di vari parametri come la concentrazione dell'alimentazione, la concentrazione del trasportatore, la fase di alimentazione e il pH del recettore sul fattore di separazione e sul flusso degli ioni Cd (II) e Ni (II), concludendo che la percentuale di separazione del cadmio è molto più elevata di un nichel34. Rehman et al.35 hanno studiato il trasferimento dello zinco (II) attraverso la membrana piatta SLM con il carrier TDDA (tri-n-dodecilammina). La stechiometria delle specie estratte, cioè del complesso, è stata studiata utilizzando l'analisi della pendenza e si è scoperto che il complesso (LH)2·Zn(CL)2 è responsabile della trasmissione di Zn (II). I risultati previsti del modello matematico del trasferimento dello zinco (II) sono coerenti con i risultati sperimentali. Si è riscontrato che il flusso di Zn (II) aumenta leggermente con l'aumento del trasportatore e dell'HCL nella soluzione di alimentazione e diminuisce con un ulteriore aumento della concentrazione. Martinez et al.36 hanno studiato la separazione della miscela di ittrio-neodimio-disprosio utilizzando bis (2-etilesil) idrogeno fosfato (D2EHPA) come trasportatore mediante FSLM mediante simulazione. Nei calcoli sono stati utilizzati la selettività e un modello di infiltrazione cinetica transitoria. La distribuzione della resistenza tra fasi, pH, concentrazione dell'estrattore e concentrazione iniziale dell'alimentazione influisce notevolmente sulla selettività e sul tempo del processo e la loro corretta gestione migliora la separazione. L'instabilità della fase di membrana incide sulla vita della membrana nel tempo, provocando la scomparsa della fase organica della membrana nelle due fasi acquose. La fase diventa blu e può distruggere l'unità di separazione.