Applicazione di reti neurali artificiali e modelli di adsorbimento dinamico per prevedere l'estrazione di sostanze umiche dal percolato dei rifiuti solidi urbani

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12421 (2023) Citare questo articolo

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La gestione sostenibile del percolato di rifiuti solidi urbani (MSWL) richiede un cambiamento di paradigma dalla rimozione dei contaminanti al recupero efficace delle risorse e alla riduzione simultanea dei contaminanti. In questo studio, due tipi di sostanze umiche, l'acido fulvico (FA) e l'acido umico (HA) sono stati estratti dai MSWL. L'HA è stato estratto utilizzando una soluzione di HCl e NaOH, seguito da FA utilizzando un letto di colonna con operazioni diversificate come portata, concentrazione in ingresso e altezza del letto. Inoltre, questo lavoro mira a valutare l'efficienza della Rete Neurale Artificiale (ANN) e dei modelli di adsorbimento dinamico nella previsione dell'FA. Con una portata di 0,3 mL/min, un'altezza del letto di 15,5 cm e una concentrazione in ingresso di 4,27 g/mL, la capacità massima di FA è stata ottenuta a 23,03 mg/g. L'analisi FTIR in HA e FA ha rivelato diversi gruppi funzionali contenenti ossigeno tra cui carbossilico, fenolico, alifatico e chetone. L'elevato valore del coefficiente di correlazione (R2) e un valore inferiore dell'errore quadratico medio (MSE) sono stati ottenuti utilizzando l'ANN, indicando la capacità superiore dell'ANN di prevedere la capacità di adsorbimento rispetto alla modellazione tradizionale.

Il percolato prodotto nella discarica per rifiuti solidi urbani (RSU) è un sottoprodotto della decomposizione dei rifiuti biodegradabili1. Ogni anno le discariche di rifiuti solidi urbani (RSU) producono centinaia di migliaia di metri cubi di percolati ad alto contenuto organico2. Attualmente, il movimento verso un’economia circolare si concentra sul riutilizzo di materiali precedentemente considerati rifiuti in risorse preziose3.

Il recupero efficace dei prodotti a valore aggiunto da MSWL richiede l'utilizzo di tecnologie efficienti4. Il trattamento convenzionale dei MSWL è spesso complicato, con conseguenti conseguenze ambientali negative e costi di applicazione delle norme5. MSWL può rappresentare una potenziale risorsa per il recupero di prodotti ad alto valore aggiunto6,7. Tra le numerose sostanze che possono essere recuperate in modo efficiente dai RSU, la sostanza umica (HS) è la più significativa grazie alle sue azioni multidirezionali e alle ampie applicazioni8,9,10.

HS è una combinazione di acidi polimerici, aromatici e alifatici prodotti dalla decomposizione microbica di rifiuti animali e vegetali. In base alla solubilità degli HS in acqua a vari valori di pH, possono essere suddivisi operativamente in tre parti: acido fulvico (FA), acido umico (HA) e umine (Hu)11,12,13. Grazie alla loro struttura e capacità, gli HS migliorano il condizionamento del suolo, lo sviluppo delle radici, l'assorbimento dei nutrienti e la crescita delle piante14. Recentemente, è stato riconosciuto che queste sostanze agiscono sugli inquinanti organici (antibiotici, erbicidi, fungicidi e altri composti fenolici) e sui metalli pesanti15,16,17. Pertanto, è necessario trovare modi per estrarre HS con alta efficienza. Sono state sviluppate numerose tecniche di estrazione per l'HS, compreso l'adsorbimento di resina non ionica o ionica, il filtraggio su membrana, ecc.18,19. Le tecniche di adsorbimento della resina sono uno degli approcci più popolari per l’estrazione degli acidi grassi per la loro semplicità, facilità di progettazione, convenienza e basso consumo energetico.

L'FA può essere estratto mediante adsorbimento con resina, raccomandato dalla International Humic Substances Society, in diversi gruppi chimici in base alla sua idrofobicità. La resina più comunemente utilizzata è Suplite DAX-8 (precedentemente nota come XAD-8). Diversi studi hanno utilizzato la resina DAX-8 per estrarre FA da MSWL. Baccot et al.20 Estratto HS da MSWL come ammendanti organici per migliorare la struttura del suolo. Procedure simili sono state impiegate anche per estrarre HA, FA e altri materiali organici utilizzando colonne DAX-821.

Gli esperimenti di adsorbimento dinamico possono prevedere e modellare le curve di break-through (BTC). Possono anche essere facilmente ampliati per l’uso nell’industria, rendendoli un ponte tra esperimenti su scala di laboratorio e applicazioni nel mondo reale. Inoltre, poiché possono gestire molte soluzioni, sono più accurati nell'identificazione dei parametri di progettazione negli usi pratici22,23. Sono emersi diversi modelli matematici tradizionali per i BTC a letto fisso, tra cui i modelli Thomas, Yoon-Nelson e Bed Depth Service Time (BDST)24. Questi modelli prevedono un'efficienza di adsorbimento realistica senza bisogno di una configurazione sperimentale. Inoltre, forniscono informazioni pratiche sulla progettazione delle colonne25. Tuttavia, mancano informazioni sull’applicazione di questi modelli nell’estrazione di AF da MSWL utilizzando un letto fisso.