Zusammenfassung

Polyacrylamid-basierte ausfällende Flockungsmittel werden häufig verwendet, um Saft zu klären und Verunreinigungen in der Rohzuckerproduktion zu entfernen. Mögliche Rückstände von Polyacrylamid im Zucker können jedoch krebserregende, neurotoxische und umweltgefährdende Risiken darstellen. Um dies zu adressieren, wurden lignocellulosebasierte Nanoflockungsmittel (LCNF), die aus Zuckerrohrbagasse (einem Nebenprodukt der Zuckerrohrverarbeitung) gewonnen werden, als nachhaltige Alternative eingeführt. Polyacrylamid (PAM) wurde durch Mikrowellenbestrahlung und einen chemiefreien Radikalinitiator ((NH4)2S2O8) unter optimierten Polymerisationsbedingungen auf LCNFs graftiert. Das Flockungsmittel wurde durch verschiedene analytische Techniken charakterisiert, die die erfolgreiche Graftreaktion bestätigten. Das Flockungsmittel erreichte hervorragende Trübungseffizienz von 99,3 %, 98,7 % und 96,9 % für Halloysite, Kaolin und Zuckerrohrsaft bei niedriger Dosis (5 mg/L). Es zeigte auch ein breites Flockungsspektrum und pH-Anpassungsfähigkeit. Ein Sedimentierungstest, der bei 96 °C mit Zuckerrohrsaft durchgeführt wurde, ergab, dass die 20 % kommerzielle PAM und die PAM@LCNF-Mischung eine signifikant verbesserte anfängliche Sedimentationsrate von 111 mL/min erreichten, was sowohl die PAM@LCNF als auch die kommerzielle PAM übertraf. Das PAM@LCNF-Flockungsmittel stellt eine nachhaltige, hocheffektive Alternative zu herkömmlichen Flockungsmitteln für die Klärung von Zuckerrohrsaft dar, während es die Rückstände der Zuckerrohrindustrie nutzt. Darüber hinaus ist seine Flockungsleistung mit anderen berichteten Biopolymeren und anderen Flockungsmitteln vergleichbar.

Tonminerale und andere fein suspendierte Partikel organischer und/oder anorganischer Natur sind in erheblichen Mengen in verschiedenen industriellen Abwässern vorhanden, einschließlich derjenigen aus der Papierherstellung, der Mineralverarbeitung, den Kohlenrückständen, der Schlammdewatering, der Keramikbrennung und der Ölausbeutung [1, 2], sowie in Rohstoffströmen wie Zuckerrohrsaft. Die feinen Partikel bleiben aufgrund ihrer geringen Größe, ihrer starken Elektronegativität und der Bildung eines Hydrationsfilms in Wasser suspendiert, was zusammen zu einer erheblichen elektrostatischen Abstoßung und sterischen Behinderung führt, die das natürliche Absetzen erschwert [3]. Die Entsorgung dieser Suspensionen ohne ordnungsgemäße Behandlung verschwendet nicht nur wertvolles Wasser und andere industrielle Ressourcen, sondern birgt auch erhebliche Umweltrisiken, die den Prinzipien der nachhaltigen Entwicklung widersprechen. Daher bleibt die Entfernung feiner Partikel aus industriellen Abwässern und Rohstoffströmen eine kritische, aber herausfordernde Aufgabe.

Eine Vielzahl von Technologien wurde zur Behandlung von fein suspendierten Partikeln entwickelt, die physikalische, chemische und biologische Ansätze umfasst. Unter diesen sticht die Flokkulierungstechnologie als eine der effektivsten und am weitesten verbreiteten Technologien hervor. Flokkulierung funktioniert, indem sie diese dispergierten Partikel destabilisiert, oft durch die Zugabe von Flockungsmitteln oder Koagulantien, die die elektrostatistische Wechselwirkungsenergie reduzieren, wie durch die Derjaguin-, Landau-, Verwey- und Overbeek (DLVO) Theorie beschrieben [4]. Dieser Prozess hilft, diese feinen Partikel in größere Flocken zu aggregieren, was ihre Trennung von Wasser durch Sedimentation oder Filtration erleichtert. Die Effektivität der Flokkulierung hängt erheblich von der Wahl der Flockungsmittel ab, die basierend auf ihrer chemischen Zusammensetzung in zwei Haupttypen kategorisiert werden: anorganische und organische Flockungsmittel [5]. Traditionelle anorganische Flockungsmittel, wie Eisensalze, Aluminiumsalze und Polyaluminiumchlorid (PAC), sind mäßig giftig und zersetzen sich im Laufe der Zeit langsam. Ihr Einsatz in der Abwasserbehandlung erzeugt erhebliche Mengen an ausgefälltem Schlamm (Schlamm) und Rückständen und ist sehr empfindlich gegenüber pH-Variationen [6]. Organische Flockungsmittel bieten jedoch Vorteile wie niedrige Dosierungsanforderungen, Kostenwirksamkeit, geringe Toxizität und Kompatibilität mit einem breiten pH-Bereich [7]. Dennoch besteht die Notwendigkeit, die Effizienz und Stabilität dieser Flockungsmittel zu verbessern, um der wachsenden Nachfrage nach effizienter Partikeltrennung gerecht zu werden.

Während der Zuckerverarbeitung enthält der aus Zuckerrohr gewonnene Saft hohe Konzentrationen an schwebenden Verunreinigungen, einschließlich feiner Tonpartikel, kleiner Pflanzenfasern, Proteine, kolloidale Partikel und andere organische Substanzen. Daher ist die Klärung ein kritischer Schritt im Zuckerproduktionsprozess, der darauf abzielt, diese Verunreinigungen zusammen mit Farbstoffen zu entfernen, um die Reinheit des Saftes zu verbessern und die Verarbeitungseffizienz zu steigern [8]. Traditionell beruht dieser Prozess auf der Zugabe von Kalk, der den pH-Wert des Saftes erhöht und die Koagulation und Sedimentation von Verunreinigungen erleichtert [9]. Trotz seiner weit verbreiteten industriellen Anwendung ist die Kalkklärung jedoch mit erheblichen Herausforderungen verbunden, einschließlich hohem Chemikalienverbrauch, übermäßiger Schlammproduktion und begrenzter Wirksamkeit bei der Entfernung feiner kolloidaler Partikel und organischer Substanzen. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden verschiedene fortschrittliche Klärtechniken untersucht, insbesondere die Verwendung von synthetischen polymeren Flockungsmitteln wie Polyacrylamid (PAM)-Derivaten [10]. Diese Flockungsmittel verbessern die Flockungseffizienz durch Ladungsneutralisation und Brückenmechanismen, indem sie feine Partikel effektiv aggregieren und die Sedimentation beschleunigen. Dies verbessert nicht nur die Klarheit und Reinheit des Saftes, sondern erhöht auch die Zuckergewinnung, reduziert die Verarbeitungszeit, senkt den Energieverbrauch und steigert die gesamte Produktionseffizienz und Rentabilität. Darüber hinaus verringert eine effektive Klärung die Belastung der nachgelagerten Prozesse wie Filtration und Verdampfung, was zu Verbesserungen führt. Allerdings haben Bedenken hinsichtlich der Umweltpersistenz und der potenziellen Toxizität von synthetischen Flockungsmitteln zu einem wachsenden Interesse an natürlichen und biobasierten Alternativen geführt.

Natürliche polymerische Flockungsmittel sind in den letzten Jahren aufgrund ihrer Ungiftigkeit und biologischen Abbaubarkeit zunehmend beliebt geworden in der Wasser- und Abwasserbehandlung. Flockungsmittel, die aus natürlichen Biopolymeren gewonnen werden, werden synthetischen vorgezogen, um Biomassekontamination zu verhindern und um nachhaltiger oder umweltfreundlicher zu sein. Biomasse-Flockungsmittel sind eine bedeutende Kategorie innerhalb der entwickelten und angewandten organischen Flockungsmittel [11]. Diese Flockungsmittel sind typischerweise halbsynthetisch, hergestellt durch molekulare Rekombination und andere Modifikationstechniken unter Verwendung von Abfallbiomasse-Substraten als Rohmaterialien. Sie nutzen erneuerbare Ressourcen und sind äußerst effektiv bei der Behandlung von industriellem Abwasser, was mit dem Konzept der „Verschmutzungskontrolle mit Abfall“ übereinstimmt. Dieser Ansatz hat erhebliche praktische Bedeutung [12]. Die Weiterentwicklung von Biomasse-Flockungsmitteln bleibt jedoch eine zentrale Herausforderung bei der Partikeltrennung. Es sind Anstrengungen erforderlich, um neue Rohmaterialien zu erkunden und zu entwickeln, wie Cellulose [13], Lignin [14], Chitosan [15] und deren Derivate, die nachhaltige und umweltfreundliche biologische Ressourcen sind.

Cellulose-Nanomaterialien (CNMs) haben sich als hervorragendes Sorbens für Wasserverunreinigungen erwiesen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Materialien bieten sie Vorteile wie eine hohe spezifische Oberfläche, vielseitige Oberflächenchemie, Umweltstabilität und Erneuerbarkeit [16]. Traditionelle Adsorbentien weisen oft eine geringe Adsorptionseffizienz und -kapazität auf, da ihre Oberfläche oder aktiven Stellen für die Adsorption begrenzt sind [17]. Durch die Reduzierung der Adsorbentiengröße auf die Nanoskala erhöht sich die spezifische Oberfläche erheblich [18], und kürzere intrapartikuläre Diffusionsdistanzen verbessern die Adsorptionsleistung weiter. Darüber hinaus ermöglicht das starke Potenzial für chemische Oberflächenmodifikationen [19] die Einführung zahlreicher aktiver Stellen. Als erneuerbare, reichlich vorhandene und umweltneutralen Biomaterialien bieten CNMs eine nachhaltige Lösung mit minimalen Umweltauswirkungen. CNMs können helfen, Kosten zu senken und die Leistung zu verbessern, indem sie Rohstoffe und Vorbehandlungsverfahren optimieren. Typischerweise stammen diese Nanomaterialien aus gereinigten Zellulosequellen, wie Zellulosefasern, bei denen nicht-zellulosische Komponenten (hauptsächlich Lignin) entfernt werden [20]. Dieser Prozess umfasst oft komplexe und gefährliche Bleichschritte. Ein nachhaltigerer Ansatz besteht darin, Nanomaterialien direkt aus lignocellulosehaltigen Rohstoffen mit wenig oder keiner chemischen Behandlung herzustellen, um die vollständige Nutzung von Lignocellulose sicherzustellen. Infolgedessen haben sich lignocellulosehaltige Nanofasern (LCNFs) als nachhaltige Alternative zu gebleichten CNMs herausgebildet.

Mehrere Studien haben modifizierte Cellulose mit sowohl anionischen als auch kationischen Ladungen als Flockungsmittel zur Partikeltrennung aus Wasser verwendet [[21], [22], [23], [24]]. Die Graft-Copolymerisation hat sich als effektive und unkomplizierte Methode zur Modifizierung von Cellulose erwiesen [25]. Unter milden Bedingungen kann Cellulose mit olefinhaltigen Monomeren reagieren, was eine gezielte Modifikation ermöglicht, um gewünschte funktionelle Gruppen einzuführen und Flockungsmittel vorzubereiten, wodurch die Adsorptions- und Brückeneffekte verbessert werden [26]. Derzeit umfassen weit verbreitete Methoden zur Polymerisationsinitiierung thermische, Strahlungs-, Mikrowellen- und photo-initierte Polymerisation [27]. Bei der herkömmlichen Verzweigung werden chemische Initiatoren verwendet, um freie Radikalseiten auf dem Polymer in einer inert Atmosphäre zu erzeugen, wo Monomere anhaften und Verzweigungsketten bilden können. Diese Methode leidet jedoch unter geringer Reproduzierbarkeit, was sie für die großtechnische kommerzielle Produktion ungeeignet macht [28]. Im Gegensatz dazu verwendet die mikrowellenunterstützte Verzweigung elektromagnetische Strahlung, um Radikale über Redox-Initiatoren zu erzeugen, wodurch die Aktivierungsenergie erheblich reduziert und die Reaktionsgeschwindigkeit sowie die Energieeffizienz erhöht werden [29]. Im Gegensatz zur herkömmlichen Erwärmung regt die Mikrowellenstrahlung selektiv polare Bindungen an, ohne das unpolare Polymergerüst zu brechen, wodurch die strukturelle Integrität erhalten bleibt [30]. Darüber hinaus verbessert die Kombination von Mikrowellenstrahlung mit chemischen Initiatoren die Verzweigungseffizienz im Vergleich zu herkömmlichen Methoden. Mikrowellen-initierte Verzweigung ist auch schneller, wirtschaftlicher und umweltfreundlicher, mit höheren Monomerumwandlungsraten, was sie zu einer überlegenen Alternative zur Modifizierung von Cellulose macht [28]. In diesem Zusammenhang synthetisierten Mishra et al. [31] polyacrylamid-verzweigten Stärke als Flockungsmittel für Kaolinsuspensionen unter Verwendung einer mikrowellenunterstützten Methode. Ghosh et al. [32] verästelten Acrylamid an Tamarindenkern-Polysaccharid unter Verwendung eines mikrowellenunterstützten Ansatzes zur Entfernung von Kaolin aus Wasser. Sie gaben an, dass die Mikrowellensynthese die Effizienz des Flockungsmittels erhöht, indem die Steifigkeit des Polysaccharidgerüsts erhalten bleibt, was eine höhere Verzweigung durch eine synergistische Kombination von Ringöffnung über freie Radikalinitiierung und Verzweigung ohne Ringöffnung erreicht, wodurch die Polymerketten verlängert werden, um die Kontaminantenaufnahme zu verbessern. Wu et al. [33] bereiteten ein chitosanbasiertes Flockungsmittel unter Verwendung von mikrowellenunterstützter Polymerisation zur Schlammbehandlung und -entwässerung vor. Zeng et al. [28] verwendeten mikrowellenunterstützte Synthese für das neuartige biobasierte Flockungsmittel aus Dextrin und Chitosan zur Entfernung von Kaolin. Sen et al. [34] verästelten poly(2-hydroxyethylmethacrylat) an Agar durch mikrowellenunterstützte Methode zur Abwasserbehandlung. Soweit wir wissen, gibt es jedoch nur wenige Berichte über die mikrowellenunterstützte Synthese von Bio-Flockungsmitteln auf Basis von LCNFs.

Diese Studie hatte zum Ziel, ein umweltfreundliches Flockungsmittel zu entwickeln, das aus den LCNFs unter verschiedenen Synthesebedingungen unter Verwendung von mikrowellenunterstützter Erwärmung gewonnen wird. Das neue kationische LCNF-basierte Flockungsmittel, genannt PAM@LCNF (P@L), wurde durch das Verknüpfen von kationischem PAM, das aus Acrylamid und [2-(Methacryloyloxy)ethyl]trimethylammoniumchlorid synthetisiert wurde, mit LCNFs entwickelt. Die thermische Stabilität, die Kristallstruktur, die funktionellen Gruppen, die Ladungsdichte, die Morphologie und die elektronischen Eigenschaften der P@L-Systeme wurden analysiert. Die Flockungsleistung des synthetisierten Flockungsmittels, einschließlich seiner Wirksamkeit und seines Mechanismus bei der Behandlung von Halloysite-, Kaolin-Schwebungen und zur Klärung von Zuckerrohrsaft.