Valorizzazione di scoria da forno ad arco elettrico come adsorbente per contaminanti di acque reflue

Over the past decades, the concerns regarding water contamination represented a major challenge for public agencies, society and the industrial world. Due to rapid industrialization and population growth, pollutants such as phosphorus, nitrogen and sulfur, due to being released into the environment through wastewater discharge, have significantly increased in concentration, that coupled with the absence of adequate treatments to reduce their quantity could lead to profound effects on the ecosystem. In this context, the present master's thesis work fits into a circular framework, using a slag from the steelmaking process through electric arc furnace as an adsorbent for wastewater contaminants. Specifically, the research project focused on the adsorption of phosphorus on the slag surface through a series of batch experiments, to evaluate the maximum adsorption capacity of the slag and the efficiency of the process and extending the study to other contaminants, such as nitrogen and sulfur. Several experiments were performed by varying the contaminant concentrations (from 5 mg/L to 400 mg/L) and the slag/solution ratio (from 1:10 to 1:50), to study the kinetic profile of the process. The experimental analysis showed the high capacity of slag to completely adsorb high phosphorus concentrations, with a maximum adsorption capacity of 15.05 mg/g, significantly higher than the average value defined in the literature, while nitrogen and sulfur removal was found to be less effective. The second part of the project, however, focused on regenerating the slag through phosphorus desorption in order to recover the adsorbed phosphorus for later reuse and reuse the slag for another adsorption cycle. Through the Design of Experiment approach, several experiments were carried out with organic acids at different concentrations, using different treatment times and varying the slag/solution ratio, achieving 100 % wt. recovery of adsorbed phosphorus. Some of the metals present in the slag, such as barium, nickel, vanadium and chromium, were desorbed together with phosphorus, in higher concentration than the maximum concentration allowed by the European Commission standard UNI EN 12457-2. To remove these metals, chitosan was used as an adsorbing agent, both in unmodified form and after crosslinking with pentasodium tripolyphosphate salt. Finally, compositional and structural characterization of the slag was performed by XRF, EDX, Raman and ATR analysis. In conclusion, the present master thesis work has highlighted that slag from electric arc furnace is a highly promising material for phosphorus removal from wastewater, with potential for reuse through regeneration with weak acid treatments, coupled with the use of chitosan for removal of metals brought into solution.

Nel corso degli ultimi decenni le problematiche riferite alla contaminazione delle acque hanno rappresentato un importante sfida per gli enti pubblici, la società ed il mondo industriale. A causa della rapida industrializzazione e crescita della popolazione, contaminanti quali fosforo, azoto e zolfo, rilasciati nell’ambiente attraverso lo scarico di acque reflue, hanno subito un significativo aumento di concentrazione nell’ambiente, unitamente all’assenza di adeguati trattamenti volti a ridurne la quantità. In tale contesto, il presente lavoro di tesi magistrale si inserisce in un’ottica di circolarità, utilizzando una scoria derivante dal processo di produzione dell’acciaio attraverso fornace ad arco elettrico, come adsorbente per contaminanti di acque reflue. In particolare, il progetto di ricerca si è focalizzato sull’adsorbimento di fosforo sulla superficie della scoria, tramite esperimenti batch, per valutare la massima capacità di adsorbimento della scoria e l’efficienza del processo, estendendo lo studio ad altri contaminanti, quali azoto e zolfo. Sono stati eseguiti diversi esperimenti variando le concentrazioni dei contaminanti (da 5 mg/L a 400 mg/L) ed il rapporto scoria/soluzione (da 1:10 a 1:50), per studiare il profilo cinetico del processo. L’analisi sperimentale ha evidenziato l’elevata capacità della scoria di adsorbire completamente elevate concentrazioni di fosforo, con una massima capacità di adsorbimento di 15.05 mg/g, significativamente più elevata del valore medio definito in letteratura, mentre la rimozione di azoto e zolfo si è rilevata meno efficace. La seconda parte del progetto, invece, è stata incentrata sulla rigenerazione della scoria attraverso il desorbimento del fosforo, al fine di recuperare il fosforo adsorbito per un successivo riutilizzo e riutilizzare la scoria per un altro ciclo di adsorbimento. Attraverso l’approccio di Design of Experiment sono stati eseguiti diversi esperimenti con acidi organici a diverse concentrazioni, utilizzando tempi di trattamento diversi e variando il rapporto scoria/soluzione, ottenendo un recupero del 100 %-wt. del fosforo adsorbito. Al contempo, ma alcuni metalli presenti nella scoria, come il bario, nichel, vanadio e cromo, sono stati desorbiti assieme al fosforo in concentrazione maggiore rispetto alla concentrazione massima consentita dalla norma UNI EN 12457-2 della Commissione Europea. Per rimuovere tali metalli è stato utilizzato il chitosano come agente assorbente, sia in forma non modificata sia a seguito del crosslinking con il sale tripolifosfato pentasodico. Infine, è stata eseguita una caratterizzazione composizionale e strutturale della scoria, tramite analisi XRF, EDX, Raman e ATR. In conclusione, il presente lavoro di tesi magistrale ha messo in evidenza che la scoria derivante da fornace ad arco elettrico è un materiale altamente promettente per la rimozione del fosforo da acque reflue, con potenzialità di riutilizzo attraverso la rigenerazione con deboli trattamenti acidi, accoppiato all’utilizzo di chitosano per la rimozione di metalli portati in soluzione.