Resumen

Los floculantes precipitantes a base de poliacrilamida se utilizan comúnmente para clarificar el jugo y eliminar impurezas en la producción de azúcar crudo. Sin embargo, el posible residuo de poliacrilamida en el azúcar puede representar riesgos carcinogénicos, neurotóxicos y ambientales. Para abordar esto, se introdujeron floculantes a base de nanofibras de lignocelulosa (LCNF) derivados de la bagazo de caña de azúcar (un subproducto del procesamiento de caña de azúcar) como una alternativa sostenible. La poliacrilamida (PAM) se injertó en las LCNF a través de irradiación por microondas y un iniciador radical químico libre ((NH4)2S2O8), bajo condiciones de polimerización optimizadas. El floculante se caracterizó a través de varias técnicas analíticas que confirmaron la exitosa reacción de injerto. El floculante logró excelentes tasas de eliminación de turbidez del 99.3 %, 98.7 % y 96.9 % para halloysita, caolín y jugo de caña de azúcar, respectivamente, a baja dosis (5 mg/L). También demostró un amplio rango de floculación y adaptabilidad al pH. Una prueba de sedimentación realizada en jugo de caña de azúcar a 96 °C reveló que la mezcla de 20 % de PAM comercial y PAM@LCNF logró una tasa de sedimentación inicial significativamente mejorada de 111 mL/min, superando tanto al PAM@LCNF como al PAM comercial. El floculante PAM@LCNF representa una alternativa sostenible y altamente efectiva a los floculantes convencionales, para la clarificación del jugo de caña de azúcar mientras utiliza residuos de la industria de la caña de azúcar. Además, su rendimiento de floculación es comparable al de otros biopolímeros y otros floculantes reportados.

Los minerales de arcilla y otras partículas finamente suspendidas de naturaleza orgánica y/o inorgánica están presentes en cantidades significativas dentro de varios efluentes industriales, incluidos los de la fabricación de papel, el procesamiento de minerales, los relaves de carbón, el deshidratado de lodos, la cocción de cerámica y la explotación de petróleo [1, 2], así como en corrientes de productos crudos como el jugo de caña de azúcar. Las partículas finas permanecen suspendidas en el agua debido a su pequeño tamaño, fuerte electronegatividad y la formación de una película de hidratación, que en conjunto resultan en una repulsión electrostática significativa y una hindrance estérica, lo que dificulta el asentamiento natural [3]. La eliminación de estas suspensiones sin un tratamiento adecuado no solo desperdicia agua valiosa y otros recursos industriales, sino que también plantea riesgos ambientales significativos, contradiciendo los principios del desarrollo sostenible. Por lo tanto, la eliminación de partículas finas de las aguas residuales industriales y de las corrientes de productos crudos sigue siendo una tarea crítica pero desafiante.

Se ha desarrollado una amplia gama de tecnologías para tratar partículas finamente suspendidas, que abarcan enfoques físicos, químicos y biológicos. Entre estas, la tecnología de floculación se destaca como una de las más efectivas y ampliamente utilizadas. La floculación funciona desestabilizando estas partículas dispersas, a menudo a través de la adición de floculantes o coagulantes que reducen la energía de interacción electrostática, como se describe en la teoría de Derjaguin, Landau, Verwey y Overbeek (DLVO) [4]. Este proceso ayuda a agregar estas partículas finas en flóculos más grandes, facilitando su separación del agua a través de sedimentación o filtración. La efectividad de la floculación depende significativamente de la elección de floculantes, que se clasifican en dos tipos principales según su composición química: floculantes inorgánicos y orgánicos [5]. Los floculantes inorgánicos tradicionales, como las sales de hierro, las sales de aluminio y el cloruro de polialuminio (PAC), son moderadamente tóxicos y se degradan lentamente con el tiempo. Su uso en el tratamiento de aguas residuales genera cantidades sustanciales de lodo precipitado (barro) y residuos y es altamente sensible a las variaciones de pH [6]. Sin embargo, los floculantes orgánicos ofrecen ventajas como requisitos de dosificación bajos, rentabilidad, baja toxicidad y compatibilidad con un amplio rango de pH [7]. No obstante, para satisfacer la creciente demanda de separación eficiente de partículas, es necesario mejorar la eficiencia y estabilidad de estos floculantes.

Durante el procesamiento del azúcar, el jugo extraído de la caña de azúcar contiene altas concentraciones de impurezas suspendidas, incluyendo partículas finas de arcilla, pequeñas fibras vegetales, proteínas, partículas coloidales y otras sustancias orgánicas. Por lo tanto, la clarificación es un paso crítico en el proceso de producción de azúcar, con el objetivo de eliminar estas impurezas junto con colorantes para mejorar la pureza del jugo y aumentar la eficiencia del procesamiento [8]. Tradicionalmente, este proceso se basa en la adición de cal, que eleva el pH del jugo y facilita la coagulación y sedimentación de impurezas [9]. Sin embargo, a pesar de su uso industrial generalizado, la clarificación con cal sola está asociada con desafíos significativos, incluyendo un alto consumo químico, formación excesiva de lodos y una efectividad limitada en la eliminación de partículas coloidales finas y sustancias orgánicas. Para superar estas limitaciones, se han investigado diversas técnicas avanzadas de clarificación, particularmente el uso de floculantes poliméricos sintéticos como los derivados de poliacrilamida (PAM) [10]. Estos floculantes mejoran la eficiencia de floculación a través de mecanismos de neutralización de carga y puentes, agregando efectivamente partículas finas y acelerando la sedimentación. Esto no solo mejora la claridad y pureza del jugo, sino que también aumenta la recuperación de azúcar, reduce el tiempo de procesamiento, disminuye el consumo de energía y mejora la eficiencia y rentabilidad general de la producción. Además, una clarificación efectiva reduce la carga en los procesos posteriores, como la filtración y la evaporación, lo que lleva a una mejora. Sin embargo, las preocupaciones sobre la persistencia ambiental y la posible toxicidad de los floculantes sintéticos han llevado a un creciente interés en alternativas naturales y biobasadas.

Los floculantes poliméricos naturales se han vuelto cada vez más populares en el tratamiento de agua y aguas residuales en los últimos años debido a su no toxicidad y biodegradabilidad. Los floculantes derivados de biopolímeros naturales son preferidos sobre los sintéticos para prevenir la contaminación de biomasa, así como por ser más sostenibles o ecológicos. Los floculantes de biomasa se han convertido en una categoría significativa dentro de los floculantes orgánicos desarrollados y aplicados [11]. Estos floculantes son típicamente semisintéticos, producidos por recombinación molecular y otras técnicas de modificación utilizando sustratos de biomasa de desecho como materias primas. Aprovechan recursos renovables y son altamente efectivos en el tratamiento de aguas residuales industriales, alineándose con el concepto de “Control de la Contaminación con Desechos.” Este enfoque tiene una importancia práctica sustancial [12]. Sin embargo, avanzar en los floculantes de biomasa sigue siendo un desafío clave en la separación de partículas. Se necesitan esfuerzos para explorar y desarrollar nuevos materiales primas, como celulosa [13], lignina [14], quitosano [15], y sus derivados, que son recursos biológicos sostenibles y respetuosos con el medio ambiente.

Los nanomateriales celulósicos (CNMs) han surgido como un excelente sorbente para contaminantes del agua. A diferencia de los materiales convencionales, ofrecen ventajas como una alta área de superficie específica, química de superficie versátil, estabilidad ambiental y renovabilidad [16]. Los adsorbentes tradicionales a menudo exhiben baja eficiencia y capacidad de adsorción debido a su área de superficie limitada o sitios activos para la adsorción [17]. Al reducir el tamaño del adsorbente a la escala nanométrica, el área de superficie específica aumenta significativamente [18], y distancias de difusión intrapartícula más cortas mejoran aún más el rendimiento de adsorción. Además, el fuerte potencial para la modificación química de la superficie [19] permite la introducción de numerosos sitios activos. Como biomateriales renovables, abundantes e inertes desde el punto de vista ambiental, los CNMs presentan una solución sostenible con un impacto ambiental mínimo. Los CNMs pueden ayudar a reducir costos y mejorar el rendimiento al optimizar las materias primas y los métodos de pretratamiento. Típicamente, estos nanomateriales se derivan de fuentes de celulosa purificada, como fibras de celulosa, donde se eliminan los componentes no celulósicos (principalmente lignina) [20]. Este proceso a menudo implica pasos de blanqueo complejos y peligrosos. Un enfoque más sostenible implica producir nanomateriales directamente de materias primas lignocelulósicas utilizando poco o ningún tratamiento químico, asegurando la plena utilización de la lignocelulosa. Como resultado, las nanofibras lignocelulósicas (LCNFs) han surgido como una alternativa sostenible a los CNMs blanqueados.

Varios estudios han utilizado celulosa modificada con cargas aniónicas y catiónicas como floculantes en la separación de partículas del agua [[21], [22], [23], [24]]. La copolimerización por injerto ha demostrado ser un método efectivo y sencillo para modificar la celulosa [25]. En condiciones suaves, la celulosa puede reaccionar con monómeros que contienen olefinas, permitiendo una modificación dirigida para introducir grupos funcionales deseados y preparar floculantes, mejorando así los efectos de adsorción y puenteo [26]. Actualmente, los métodos de iniciación de polimerización ampliamente utilizados incluyen polimerización térmica, por radiación, microondas y foto-iniciación [27]. En el injerto convencional, se utilizan iniciadores químicos para generar sitios de radicales libres en el polímero en una atmósfera inerte, donde los monómeros pueden unirse y formar cadenas de injerto. Sin embargo, este método sufre de baja reproducibilidad, lo que lo hace inadecuado para la producción comercial a gran escala [28]. En contraste, el injerto asistido por microondas utiliza radiación electromagnética para generar radicales a través de iniciadores redox, reduciendo significativamente la energía de activación mientras aumenta la tasa de reacción y la eficiencia energética [29]. A diferencia del calentamiento convencional, la radiación de microondas excita selectivamente enlaces polares sin romper la estructura no polar del polímero, preservando así la integridad estructural [30]. Además, la combinación de radiación de microondas con iniciadores químicos mejora la eficiencia del injerto en comparación con los métodos convencionales. El injerto iniciado por microondas también es más rápido, más económico y respetuoso con el medio ambiente, con tasas de conversión de monómeros más altas, lo que lo convierte en una alternativa superior para modificar la celulosa [28]. En este contexto, Mishra et al. [31] sintetizaron almidón injertado con poliacrilamida como floculante para la suspensión de caolín utilizando un método asistido por microondas. Ghosh et al. [32] injertaron acrilamida a polisacárido de semilla de tamarindo utilizando un enfoque asistido por microondas para la eliminación de caolín del agua. Ellos afirmaron que la síntesis por microondas mejora la eficiencia del floculante al preservar la rigidez de la estructura del polisacárido, logrando un mayor injerto a través de una combinación sinérgica de apertura de anillo mediante iniciación de radicales libres y injerto sin apertura de anillo, lo que extiende las cadenas del polímero para una mejor captura de contaminantes. Wu et al. [33] prepararon un floculante a base de quitosano utilizando polimerización asistida por microondas para el acondicionamiento y deshidratación de lodos. Zeng et al. [28] utilizaron síntesis asistida por microondas para el novedoso floculante bio-basado a partir de dextrano y quitosano para la eliminación de caolín. Sen et al. [34] injertaron poli(2-hidroxietilmetacrilato) a agar mediante un método asistido por microondas para el tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, hasta donde sabemos, hay pocos informes sobre la síntesis asistida por microondas de bio-floculantes basados en LCNFs.

Este estudio tuvo como objetivo desarrollar un floculante ecológico derivado de los LCNFs bajo diversas condiciones de síntesis utilizando calentamiento asistido por microondas. El nuevo floculante catiónico a base de LCNF, denominado PAM@LCNF (P@L), se desarrolló mediante el injerto de PAM catiónico, sintetizado a partir de acrilamida y [2-(Metacrilato de etilo) trimetilamonio cloruro], sobre LCNFs. Se analizaron la estabilidad térmica, la estructura cristalina, los grupos funcionales, la densidad de carga, la morfología y las propiedades electrónicas de los sistemas P@L. Se evaluó el rendimiento de floculación del floculante sintetizado, incluida su efectividad y mecanismo en el tratamiento de suspensiones de haloisita, caolín y para la clarificación del jugo de caña de azúcar.