New eco-efficient polymers for phosphorus recovery

Abstract

In the last 50 years a considerably decline on quality of superficial natural waters, in special for aquatic environments, where the water residence time is higher (more than one year), has been witnessed. Discharge of wastewaters without appropriate treatment, leaching of fertilisers and slurry from agricultural land resulted in a massive input of nutrients to superficial waters, especially phosphorus and nitrogen. As a consequence of this nutrient enrichment, aquatic plants start to overgrow impairing the waters, a process describe as eutrophication. The eutrophication prevents the use of water for recreational proposes, increases the cost of water purification for human and animal consumption and has severe consequences for biodiversity. Therefore, the main of this thesis was to develop a new polymeric material able to remove phosphorus from eutrophic waters without any environmental contamination. Hybrid nanocomposites containing aluminium nanoparticles were prepared by sol-gel reaction in the melt in an internal mixer. Polypropylene (PP), polypropylene grafted with maleic anhydride (PP-g- MA) and poly(ethylene vinyl acetate) (EVA) were used as organic components to prepared the nanocomposites. Two different aluminium precursors, aluminium isopropoxide (Al(Pr-i-O)3) and aluminium acetylacetonate (Al(acac)3) were used to produce the aluminium nanoparticles. Several analytical techniques were used to characterize the nanocomposites produced. The results shows that aluminium precursor with short organic chain (Al(Pr-i-O)3) allow faster and extensive reactions without a post step treatment. The nanoparticles are smaller and well dispersed. Regarding to phosphorus removal efficiency, the nanocomposite based of PP was the one that exhibited better performance. Therefore, this material was also produced in a twin-screw to evaluate the scale-up production. The results in a pilot scale, where real eutrophic water was treated using this material, confirm that it is able to remove phosphorus from natural waters. Moreover, it can be used several times and the phosphorus can be recovery.

Nos últimos 50 anos tem-se assistido a uma diminuição considerável na qualidade das águas superficiais, especialmente em meios aquáticos onde o tempo de residência da água é elevado (superior a 1 ano). Descargas de águas residuais sem tratamento suficiente, lixiviação de fertilizantes e escorrências de terrenos agrícolas, têm contribuído para a introdução massiva de nutrientes, especialmente fósforo e azoto, nas águas superficiais. Como consequência deste enriquecimento, plantas aquáticas começaram a crescer descontroladamente comprometendo a qualidade das águas, um processo denominado por eutrofização. A eutrofização impede o uso dos meios aquáticos para fins lúdicos, aumenta os custos de purificação da água para consumo humano e animal e tem graves consequências para a biodiversidade. Posto isto, o objectivo da presente tese foi desenvolver um novo material polimérico capaz de captar o fósforo de águas eutrofizadas sem provocar contaminações. Para esse efeito, foram preparados por reação de sol-gel no fundido num misturador interno, vários nanocompositos contendo nanoparticulas de alumínio. Polipropileno (PP), polipropileno enxertado com anidrido maleico (PP-g-MA) e poli(etileno vinil acetato) (EVA), foram usados como componentes orgânicos na preparação dos nanocompositos. Dois precursores de alumínio, alumínio isopropoxido (Al(Pr-i- O)3) e alumínio acetilacetonato (Al(acac)3) foram usados para produzir as nanoparticulas de alumínio. Várias técnicas analíticas foram empregues para caracterizar os nanocompositos produzidos. Os resultados obtidos mostram que o precursor de alumínio com menor cadeia orgânica (Al(Pr-i- O)3) permitiu reações mais rápidas e extensas sem necessidade de tratamento posterior. As nanoparticulas geradas são pequenas e encontram-se dispersas homogeneamente. Relativamente à eficiência na remoção de fósforo, o nanocomposito baseado no PP foi o que exibiu a melhor performance. Posteriormente, este material foi produzido numa extrusora duplo fuso de modo a avaliar a sua produção a nível industrial. Resultados obtidos num estudo à escala piloto, onde água real foi tratada usando este material, confirmaram a sua eficiência na remoção de fósforo. Por ultimo, este pode ser usado consecutivamente e o fósforo recuperado.