2), Eisenchlorid (FeCl3) und Polyaluminiumchlorid (PAC) wurden sowohl einzeln als auch in Kombination mit Polyacrylamid (PAM) als Koagulierungshilfsmittel angewendet. Die Mischungsdesignmethodik (MDM) wurde verwendet, um die Auswirkungen von Koagulantienkombinationen auf die Wasserwiedergewinnungseffizienz und die Setzzeit zu bewerten. Die erhaltenen experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Kombination von Koagulantien die Behandlungseffizienz negativ beeinflusste. Während das hybride Koagulans, das PAC und PAM enthielt, sich als effektiv in der Koagulation-Flokulation erwies, wurde MgCl2 als der effizienteste Zusatzstoff in Abwesenheit von PAM festgestellt. Eine Entfernungseffizienz von über 93 % konnte für den chemischen Sauerstoffbedarf (COD), die Trübung und Farbstoffe bei einer Koagulantien-Dosierung von 10,0 g L−1 erreicht werden, wobei der pH-Wert eine entscheidende Rolle spielt. Eine Verschiebung des Zeta-Potentials von +0,34 auf −4,5 mV reduzierte die Setzzeit erheblich auf weniger als 5 Minuten durch Zugabe des hybriden Koagulans. Allerdings führte die Bildung mechanisch instabiler Flocken zur Freisetzung von Tinten-Nanopartikeln, 59–80 nm, in das behandelte Wasser. Unter Berücksichtigung dieser Einschränkung wird MgCl2 für die Koagulation-Flokulation von Tintenpartikeln empfohlen, um Flocken mit verbesserter mechanischer Stabilität und Widerstand gegen scherverursachte Zersetzung zu erzeugen. Der vorgeschlagene Ansatz bietet einen einfachen, kostengünstigen und umweltfreundlichen Weg zur Behandlung von Industrieabwasser, das mit Tinten-Nanopartikeln kontaminiert ist.

Die rasche Expansion der Kartonverpackungsindustrie hat zu einem erheblichen Anstieg des Verbrauchs von Druckfarben geführt (Zięba-Palus und Trzcińska, 2011), was zu stark gefärbtem Abwasser geführt hat, das mit gefährlichen Bestandteilen wie Pigmenten, Farbstoffen, Harzen, Bindemitteln und Lösungsmitteln kontaminiert ist. Die Einleitung dieser Abwässer ohne angemessene Behandlung bedroht aquatische Ökosysteme, landwirtschaftliche Systeme und die öffentliche Gesundheit aufgrund der Kontamination von Boden, Oberflächenwasser und Grundwasser (Ding et al., 2024). Daher ist die effektive Behandlung von Abwasser, das mit Druckfarben kontaminiert ist, aus umwelttechnischer Sicht ein entscheidendes Thema. Obwohl konventionelle Sanierungstechniken, einschließlich biologischer Behandlung (Zhang et al., 2003), chemischer Oxidation (Zhang et al., 2021), Adsorption (Noonpui et al., 2010), elektrochemischer Methode (Ramos et al., 2019), Membranfiltration (Zhang und Liu, 2003), photocatalytischer Zersetzung (Vitale et al., 2023) und Elektrokoagulation (Zampeta et al., 2022b), angewendet wurden, bleibt die Wirksamkeit begrenzt und erfüllt oft nicht die strengen Qualitätsstandards für Abwässer.

Coagulation-Flokkulierung wird weithin als eine einfache und kostengünstige Methode zur Behandlung von konzentriertem Abwasser aus verschiedenen Industrien, einschließlich Pharmazie, Petrochemie, Mineralverarbeitung, Metallproduktion, Gerbereien, Textilien, Lebensmittel, Zellstoff und Papier, angesehen. Dieser Prozess entfernt effektiv einen signifikanten Teil organischer und anorganischer Verunreinigungen und verringert gleichzeitig die Farbe und Trübung (Meteš et al., 2000). Der Mechanismus der Koagulation-Flokkulierung umfasst die Destabilisierung von kolloidalen Partikeln, die kleine Aggregate bilden, die anschließend während der Flokkulierung zu größeren Flocken heranwachsen. Die Effizienz des Prozesses hängt von mehreren Faktoren ab, wie: chemische Struktur des Koagulans, pH-Wert, ionische Stärke, Feststoffkonzentration und Partikelgrößenverteilung innerhalb der Suspension (Li et al., 2006). Für die effektive Entfernung von Tinten-Nanopartikeln ist oft ein hybrider Behandlungsansatz erforderlich. Die Kombination dieses Prozesses mit der Adsorption auf Zeolithpartikeln hat sich als wirksam zur Verbesserung der Entfernungseffizienz erwiesen (Metes et al., 2004). Darüber hinaus können organische Verbindungen durch integrierte Behandlungssysteme, die anaerobe-aerobe Zersetzung und Flokkulierung-Fällung umfassen, erheblich eliminiert werden (Wang et al., 2008). Elektrokoagulation hat sich als effektive Methode zur Behandlung von Abwasser mit Druckertintenpartikeln erwiesen, wodurch die Konzentration von Farbstoffverbindungen erheblich gesenkt wird (Papadopoulos et al., 2019). Der Fenton-Prozess wurde mit Koagulation zur synergistischen Behandlung von Abwasser aus der Druckindustrie kombiniert (Ma und Xia, 2009; Sayın et al., 2022). Darüber hinaus wurde die Integration physiko-chemischer Behandlung mit Nanofiltration als tragfähige Strategie zur Erleichterung des Wasseraufbereitungsprozesses untersucht (Bes-Pia et al., 2003). Unter den fortschrittlichen Sanierungsansätzen zeigte die hydrodynamische Kavitation in Verbindung mit Wasserstoffperoxid eine hohe Effektivität bei der Entfernung von Tintenpartikeln und der Reduzierung des chemischen Sauerstoffbedarfs (COD) (Zampeta et al., 2021, 2022a). Koagulantien spielen eine entscheidende Rolle bei der Rückgewinnung von industriellem Abwasser, das mit Druckertinten kontaminiert ist. Vorhydrolysierte Koagulantien, wie Polyaluminiumchlorid (PAC), Polyaluminium-Eisenchlorid (PAFCl), Polyfe(II)-sulfat (PFS) und Polyfe(III)-chlorid (PFCl), wurden weit verbreitet in der Abwasserbehandlung eingesetzt (Nandy et al., 2003; Verma et al., 2012). Die Koagulation-Flokkulierung in Anwesenheit von PAC wird als potenziell machbarer Prozess zur Entfernung von Trübung, Metallen und organischen Materialien im Vergleich zu Alaun angesehen. PAC ist eine Mischung aus Al3+ und polymeren Aluminiumkationen, einschließlich Al2(OH)24+, Al8(OH)204+, AlO4Al12(OH)24(H2O)127+ (Yang et al., 2011), wobei die letzte Verbindung die effektivste Spezies in der Koagulation-Flokkulierung ist (Gao et al., 2005). AlO4Al12(OH)24(H2O)127+ ist ein vorhydrolysiertes Koagulans mit einer hohen positiven Ladung im Vergleich zu Al3+ (Hu et al., 2006). Folglich führt die Verwendung von PAC als Koagulans zu einer besseren Leistung bei der Behandlung von Abwässern (Wang et al., 2015). Andererseits wird die Toxizität von aluminiumhaltigen Koagulantien auf die Konzentration von Al3+ zurückgeführt, die für die Organismen verfügbarer sind als polymerisierte Aluminiumverbindungen (Mortula et al., 2013). Das verbleibende Al3+ im behandelten Wasser wurde ebenfalls in einer niedrigeren Konzentration festgestellt, wenn PAC im Vergleich zu anderen aluminiumhaltigen Koagulantien eingesetzt wird (Kimura et al., 2013). Während PAC als das effizienteste Koagulans identifiziert wurde, zeigt Eisenchlorid eine begrenzte Entfernungseffizienz bei der Rückgewinnung von Abwasser, das mit Tintenpartikeln kontaminiert ist (Nandy et al., 2004). Im Gegensatz dazu verbessert die Koagulation mit PAC und Eisensulfat den Fenton-Prozess und verbessert sowohl die Farb- als auch die COD-Entfernungseffizienz (Ma und Xia, 2009). Die Effizienz der COD-Entfernung hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich pH-Wert, Koagulantendosierung, Mischzeit und -geschwindigkeit (Fendri et al., 2013; Shaheed et al., 2020). Die Zugabe von PAC zu Abwasserter führt zu einer vollständigen Farbabnahme, obwohl dieser Prozess eine verlängerte Setzzeit erfordert. Magnesiumchlorid bietet kürzere Setzzeiten im Vergleich zu Alaun und PAC (Tan et al., 2000). Darüber hinaus zeigte polymerisiertes Aluminium-Magnesiumchlorid (PAMC) eine bessere Leistung als PAC bei der Entfernung von Trübung, Farbstoffen und COD aus Druckabwässern (Yang et al., 2024). Magnetische Flockungsmittel, die durch Festkörperreaktionen synthetisiert wurden, wurden ebenfalls erfolgreich zur Behandlung von Abwasser eingesetzt, das Tinten enthält (Ding et al., 2021). Obwohl polyferrisches Chlorid nicht immer effektiv zur COD-Reduktion ist, weist poly-silikat-aluminium-ferrisches Chlorid (PSAFC) eine überlegene organische Entfernungskapazität im Vergleich zu PAC auf (Yuan et al., 2006).

Polyacrylamid (PAM), ein wasserlösliches synthetisches Polyelektrolyt, zeigt eine hohe Affinität zur Bindung mit suspendierten Partikeln. Aufgrund der nicht-ionischen, anionischen und kationischen Formen von PAM verbessert dieses Material erheblich das Flokulationspotenzial in der Abwasserbehandlung (Harif et al., 2023). Besonders anionisches PAM reduziert die Setzzeit, wenn es als Koagulierungshilfsmittel verwendet wird (Zampeta et al., 2022c). Die Kombination von PAC und kationischem PAM zeigte eine effektive Rolle bei der Entfernung von Farbstoffen aus dem Abwasser der Kartonindustrie (Nath und Pande, 2020). Die Hauptanwendung von PAM in der Abwasserbehandlung besteht darin, die koagulierten Partikel in Anwesenheit von anorganischen Koagulanten wie PAC zu verbinden (Nan et al., 2016). Polyacrylamid mit entgegengesetzter Ladung zu den suspendierten Partikeln wird stark adsorbiert, um die elektrische Abstoßung zu reduzieren (Zhu et al., 2018; Habibi et al., 2024). Bei einem nicht-ionischen Polyacrylamid oder PAM mit derselben Ladung wie die Partikel erfolgt die Adsorption durch die Wasserstoffbrücken der einzelnen Polymerketten, wodurch molekulare Brücken zwischen den benachbarten Partikeln gebildet werden (Peiris et al., 2010). Die exponierten Amidgruppen von nicht-ionischem PAM bieten hervorragende Bedingungen für die Wechselwirkung mit Partikeln. Alternative Ansätze, wie die Kombination von Chitosan und Tannin, zeigten eine signifikante Wirksamkeit bei der Entfernung von Tinte aus den Abwässern (Roussy et al., 2005). Darüber hinaus zeigen die aus Holzschliff gewonnenen Flokulanten eine überlegene Leistung im Koagulations-Flokulationsprozess im Vergleich zu PAC in Kombination mit PAM (Guo et al., 2021). Während anorganische Koagulanten häufig aufgrund ihrer geringen Kosten und einfachen Anwendung verwendet werden, haben organische polymerische Flokulanten aufgrund ihrer außergewöhnlichen Behandlungseffizienz zunehmend Interesse geweckt. Infolgedessen haben sich biologisch abbaubare Biopolymere als nachhaltige Alternative herausgebildet (Lee et al., 2014). Die Leistung von Bio-Flokulanten bei der Entfernung organischer Schadstoffe aus dem Abwasser hängt von Mechanismen wie Adsorption, Ladungsneutralisation und chemischen Reaktionen ab (Li et al., 2020). Anorganisch-organische Hybridkoagulanten zeigen ebenfalls eine hohe Effizienz bei der Entfernung von Trübung (Abujazar et al., 2022). Allerdings ist der aus der konventionellen Abwasserbehandlung erzeugte Schlamm oft toxisch und nicht biologisch abbaubar, was erhebliche Umweltgefahren darstellt. Im Vergleich dazu bieten pflanzenbasierte Koagulanten eine nachhaltige Alternative aufgrund ihrer Biodegradierbarkeit, Ungiftigkeit und Kostenwirksamkeit (Owodunni und Ismail, 2021). Obwohl mehrere Studien die Behandlung von Abwasser, das mit Drucktinten kontaminiert ist, durch den Koagulations-Flokulationsprozess berichteten, besteht das Ziel der aktuellen Studie darin, einen geeigneten Hybridkoagulanten zu identifizieren, der Magnesiumchlorid (MgCl2), Eisen(III)-chlorid (FeCl3) und Polyaluminiumchlorid (PAC) enthält, um die Wasserwiedergewinnungseffizienz zu maximieren und die Setzzeit zu minimieren. Der Schwerpunkt der Studie liegt darauf, die mechanische Stabilität der Flokkel unter den starken Scherkräften zu verbessern, um die Freisetzung von Tinten-Nanopartikeln zu verhindern, was von der vorherigen Forschung abweicht. Diese anorganischen Materialien wurden ausgewählt, um einen effektiven Hybridkoagulanten in Abwesenheit und Anwesenheit von PAM zu erreichen, was entscheidend für die Kontrolle der mechanischen Stabilität ist. Darüber hinaus wurde untersucht, um systematisch die Wechselwirkungen zwischen Koagulanten zu verstehen, um die Behandlung von industriellem Abwasser, das von der Druckeinheit abgeleitet wird, durch Mischdesignmethodik (MDM) und Reaktionsoberflächenmethode (RSM) zu erleichtern. Die Ergebnisse bieten wertvolle Einblicke in die Entwicklung einer einfachen, kostengünstigen und umweltfreundlichen Methode zur maximalen Entfernung von COD, Trübung und Farbstoffen durch Bestimmung der geeigneten Betriebsbedingungen, einschließlich Koagulantendosierung und pH-Wert.