Degradazione di contaminanti emergenti utilizzando sistemi ibridi dispersi in matrice 3D

Water quality is nowadays compromised by the presence of emerging contaminants in water bodies, which have only recently became an issue due to their daily use in pharmaceuticals or personal care products. The concern over the environmental safety and human health is mainly derived by the lack of effective removal methods for these substances. Traditional physical or chemical removal methods are not always able to lower the concentrations of these pollutants and sometimes can even lead to the formation of more toxic degradation by-products. Therefore, it is necessary to adopt solutions that are better performing and at the same time economical and with a low environmental impact. Considering that, two alternative approaches were evaluated in this Master Thesis project as possible processes for removing emerging contaminants from aqueous matrices: the first one is based on the use of microorganisms and the second one on the use of hydrogel. The aim of this project was to test the efficiency of these systems in removing pollutants and then evaluate their applicability in a wastewater treatment process. Regarding the use of microorganisms, several species of fungi were isolated from the microbial consortia of an activated sludge reactor in a wastewater treatment plant. For evaluating fungi removal efficiency, a solution containing four contaminants (estriol, carbamazepine, diclofenac, and ofloxacin) was used and for each analyte the residual concentrations were determined with a proper HPLC-UV method 3, 7, and 10 days after inoculation. The obtained results showed that the analytes were removed in different percentages, in particular estriol, diclofenac and ofloxacin are degraded much more than carbamazepine. Nine species of fungi have proven to be very effective in the removal of these analytes, especially for estriol which concentration was lowered more than 70%. Regarding the use of solid matrixes for the adsorption of contaminants, chitosan methacrylate hydrogel were prepared and then functionalized differently. These hydrogel have the advantage of being prepared from chitosan, which can be derived from crustacean shells so a completely eco-friendly material. The hydrogel were functionalized with different percentages of freeze-dried fungi, with laccase enzyme and with carbon black to test how much of the contaminant removal can be attributed to the adsorbent medium itself or to the functionalizing agent. The best-performing type of hydrogel were the ones functionalized with laccase, with which removal rates of more than 80% were obtained for a diclofenac solution. The residual concentration of diclofenac was quantified with HPLC-UV. The reusability of these hydrogel was also tested and it was proven that these adsorbent media are able to adsorb up to 60% of contaminant after a cycle of use. In order to also evaluate the ability to remove inorganic contaminants such as heavy metals, particularly Cr(VI) which is known to be carcinogenic, more adsorption tests were performed on a potassium dichromate solution using UV-Vis spectrophotometry for the quantification of the residual concentration. These experiments shown that all types of tested hydrogel were capable of adsorbing more than 60% of chromium in the solution.

L’inquinamento dei corpi idrici da parte di contaminanti emergenti compromette sempre più la qualità dell’acqua, soprattutto per via della mancanza di metodi di rimozione efficaci per questo tipo di sostanze che solo recentemente hanno cominciato a rappresentare un rischio concreto per via del loro uso quotidiano sotto forma di prodotti farmaceutici o di cura della persona. I metodi tradizionali di rimozione fisica o chimica non sempre sono in grado di abbattere le concentrazioni di questi inquinanti e talvolta possono addirittura portare alla formazione di sottoprodotti di degradazione più tossici. Si rende dunque necessario adottare soluzioni che siano più performanti e allo stesso tempo economiche e a basso impatto ambientale. In questa ottica, nel seguente progetto di tesi magistrale sono stati valutati due possibili approcci come processi alternativi di rimozione di contaminanti emergenti da matrici acquose, il primo basato sull’utilizzo di microrganismi e il secondo sull’utilizzo di hydrogel. L’obiettivo è quello di testare l’efficacia di questi sistemi nell’abbattimento di inquinanti per poi valutare la loro eventuale applicabilità in un contesto di depurazione di acque reflue. Per quanto riguarda l’utilizzo di microrganismi, diverse specie di funghi sono state isolate a partire dal trattamento a fanghi attivi di un impianto di depurazione di acque reflue. Per valutare l’efficacia di rimozione è stata impiegata una soluzione contenente quattro contaminanti (estriolo, carbamazepina, diclofenac e ofloxacina) per i quali sono state valutate le concentrazioni residue dopo 3, 7 e 10 giorni dall’inoculo mediante HPLC-UV. I risultati ottenuti hanno dimostrato che gli analiti vengono rimossi in percentuali diverse ed estriolo, diclofenac e ofloxacina vengono degradati molto più efficacemente della carbamazepina. Nove specie di funghi si sono dimostrati molto efficaci nella rimozione di questi analiti, in particolare la rimozione dell’estriolo è risultata superiore al 70%. Per quanto riguarda invece l’utilizzo di supporti solidi per l’adsorbimento di contaminanti, sono stati preparati degli hydrogel in chitosano metacrilato che successivamente sono stati differentemente funzionalizzati. Questi hydrogel presentano il vantaggio di essere preparati a partire dal chitosano che può essere ricavato dal guscio dei crostacei, quindi un materiale completamente eco-compatibile. Gli hydrogel sono stati funzionalizzati con diverse percentuali di fungo liofilizzato, con l’enzima laccasi e con carbon black per verificare quanto della rimozione di contaminanti sia da imputare al mezzo adsorbente in sé oppure all’agente funzionalizzante. La tipologia di hydrogel più performante è stata quella con l’aggiunta di laccasi con i quali sono stati ottenuti percentuali di rimozione di diclofenac, la cui quantificazione è stata effettuata mediante HPLC-UV, superiori all’80%. E’ stata inoltre testata la capacità di riutilizzo di questi hydrogel ed è stato provato come questi mezzi adsorbenti siano in grado di adsorbire una discreta percentuale di contaminante (fino anche al 60%) in seguito ad un ciclo d’utilizzo. Al fine di valutare anche la capacità di rimozione di contaminanti inorganici come i metalli pesanti, in particolare il Cr(VI) che è noto essere cancerogeno, sono state effettuate delle prove di adsorbimento con soluzioni di dicromato di potassio la cui concentrazione residua è stata determinata tramite spettrofotometria UV-Vis. E’ stato dimostrato come tutte le tipologie di hydrogel testato siano in grado di adsorbire quantità superiori al 60% del cromo presente in soluzione.