Résumé

Les floculants précipitants à base de polyacrylamide sont couramment utilisés pour clarifier le jus et éliminer les impuretés dans la production de sucre brut. Cependant, un résidu possible de polyacrylamide dans le sucre peut poser des risques cancérigènes, neurotoxiques et environnementaux. Pour y remédier, des floculants à base de nanofibres lignocellulosiques (LCNF) dérivés de la bagasse de canne à sucre (un sous-produit du traitement de la canne à sucre) ont été introduits comme alternative durable. Le polyacrylamide (PAM) a été greffé sur les LCNF par irradiation micro-ondes et un initiateur radicalaire sans produits chimiques ((NH4)2S2O8), dans des conditions de polymérisation optimisées. Le floculant a été caractérisé par diverses techniques analytiques confirmant la réaction de greffage réussie. Le floculant a atteint d'excellents taux d'élimination de la turbidité de 99,3 %, 98,7 % et 96,9 % pour l'halloysite, le kaolin et le jus de canne à sucre, respectivement, à faible dose (5 mg/L). Il a également démontré une large gamme de floculation et une adaptabilité au pH. Un test de décantation réalisé sur le jus de canne à sucre à 96 °C a révélé que le mélange de 20 % de PAM commercial et de PAM@LCNF a atteint un taux de décantation initial significativement amélioré de 111 mL/min, surpassant à la fois le PAM@LCNF et le PAM commercial. Le floculant PAM@LCNF représente une alternative durable et hautement efficace aux floculants conventionnels, pour la clarification du jus de canne à sucre tout en utilisant les résidus de l'industrie de la canne à sucre. De plus, ses performances de floculation sont comparables à d'autres biopolymères et floculants rapportés.

Les minéraux argileux et d'autres particules finement suspendues d'origine organique et/ou inorganique sont présents en quantités significatives dans divers effluents industriels, y compris ceux provenant de la fabrication de papier, du traitement des minéraux, des résidus de charbon, du déshydratation des boues, de la cuisson des céramiques et de l'exploitation pétrolière [1, 2], ainsi que dans des flux de produits bruts tels que le jus de canne à sucre. Les particules fines restent en suspension dans l'eau en raison de leur petite taille, de leur forte électronégativité et de la formation d'un film d'hydratation, qui ensemble entraînent une répulsion électrostatique significative et un encombrement stérique, rendant le dépôt naturel difficile [3]. L'élimination de ces suspensions sans traitement approprié non seulement gaspille de l'eau précieuse et d'autres ressources industrielles, mais pose également des risques environnementaux significatifs, contredisant les principes du développement durable. Par conséquent, l'élimination des particules fines des eaux usées industrielles et des flux de produits bruts reste une tâche critique mais difficile.

Une large gamme de technologies a été développée pour traiter les particules finement suspendues, englobant des approches physiques, chimiques et biologiques. Parmi celles-ci, la technologie de floculation se distingue comme l'une des technologies les plus efficaces et les plus largement utilisées. La floculation fonctionne en déstabilisant ces particules dispersées, souvent par l'ajout de floculants ou de coagulants qui réduisent l'énergie d'interaction électrostatique, comme le décrit la théorie de Derjaguin, Landau, Verwey et Overbeek (DLVO) [4]. Ce processus aide à agréger ces fines particules en flocs plus gros, facilitant leur séparation de l'eau par sédimentation ou filtration. L'efficacité de la floculation dépend considérablement du choix des floculants, qui sont classés en deux types principaux en fonction de leur composition chimique : floculants inorganiques et floculants organiques [5]. Les floculants inorganiques traditionnels, tels que les sels de fer, les sels d'aluminium et le chlorure polyaluminium (PAC), sont modérément toxiques et se dégradent lentement au fil du temps. Leur utilisation dans le traitement des eaux usées génère des quantités substantielles de boues précipitées (boue) et de résidus et est très sensible aux variations de pH [6]. Les floculants organiques, cependant, offrent des avantages tels que des exigences de dosage faibles, un rapport coût-efficacité, une faible toxicité et une compatibilité avec une large plage de pH [7]. Néanmoins, pour répondre à la demande croissante de séparation efficace des particules, il est nécessaire d'améliorer l'efficacité et la stabilité de ces floculants.

Lors du traitement du sucre, le jus extrait de la canne à sucre contient de fortes concentrations d'impuretés en suspension, y compris de fines particules d'argile, de petites fibres végétales, des protéines, des particules colloïdales et d'autres substances organiques. Par conséquent, la clarification est une étape critique dans le processus de production de sucre, visant à éliminer ces impuretés ainsi que les colorants pour améliorer la pureté du jus et augmenter l'efficacité du traitement [8]. Traditionnellement, ce processus repose sur l'ajout de chaux, qui élève le pH du jus et facilite la coagulation et la sédimentation des impuretés [9]. Cependant, malgré son utilisation industrielle répandue, la clarification à la chaux seule est associée à des défis significatifs, notamment une consommation chimique élevée, une formation excessive de boues et une efficacité limitée dans l'élimination des fines particules colloïdales et des substances organiques. Pour surmonter ces limitations, diverses techniques de clarification avancées ont été étudiées, en particulier l'utilisation de floculants polymériques synthétiques tels que les dérivés de polyacrylamide (PAM) [10]. Ces floculants améliorent l'efficacité de la floculation grâce à des mécanismes de neutralisation de charge et de pontage, agrégeant efficacement les fines particules et accélérant la sédimentation. Cela améliore non seulement la clarté et la pureté du jus, mais augmente également le rendement en sucre, réduit le temps de traitement, diminue la consommation d'énergie et améliore l'efficacité et la rentabilité globales de la production. De plus, une clarification efficace réduit la charge sur les processus en aval tels que la filtration et l'évaporation, conduisant à une amélioration. Cependant, les préoccupations concernant la persistance environnementale et la toxicité potentielle des floculants synthétiques ont conduit à un intérêt croissant pour des alternatives naturelles et biosourcées.

Les floculants polymériques naturels sont devenus de plus en plus populaires dans le traitement de l'eau et des eaux usées ces dernières années en raison de leur non-toxicité et de leur biodégradabilité. Les floculants dérivés de biopolymères naturels sont préférés aux synthétiques pour éviter la contamination de la biomasse ainsi que pour être plus durables ou écologiques. Les floculants à base de biomasse sont devenus une catégorie significative parmi les floculants organiques développés et appliqués [11]. Ces floculants sont généralement semi-synthétiques, produits par recombinaison moléculaire et d'autres techniques de modification utilisant des substrats de biomasse déchets comme matières premières. Ils tirent parti des ressources renouvelables et sont très efficaces dans le traitement des eaux usées industrielles, en accord avec le concept de « Contrôle de la Pollution avec les Déchets ». Cette approche a une signification pratique substantielle [12]. Cependant, l'avancement des floculants à base de biomasse reste un défi clé dans la séparation des particules. Des efforts sont nécessaires pour explorer et développer de nouvelles matières premières, telles que la cellulose [13], la lignine [14], le chitosan [15], et leurs dérivés, qui sont des ressources biologiques durables et respectueuses de l'environnement.

Les nanomatériaux cellulosiques (CNMs) ont émergé comme un excellent sorbant pour les contaminants de l'eau. Contrairement aux matériaux conventionnels, ils offrent des avantages tels qu'une grande surface spécifique, une chimie de surface polyvalente, une stabilité environnementale et une renouvelabilité [16]. Les adsorbants traditionnels présentent souvent une faible efficacité et capacité d'adsorption en raison de leur surface ou de leurs sites actifs limités pour l'adsorption [17]. En réduisant la taille de l'adsorbant à l'échelle nanométrique, la surface spécifique augmente considérablement [18], et des distances de diffusion intraparticulaire plus courtes améliorent encore la performance d'adsorption. De plus, le fort potentiel de modification chimique de surface [19] permet l'introduction de nombreux sites actifs. En tant que biomatériaux renouvelables, abondants et inertes sur le plan environnemental, les CNMs présentent une solution durable avec un impact environnemental minimal. Les CNMs peuvent aider à réduire les coûts et à améliorer les performances en optimisant les matières premières et les méthodes de prétraitement. En général, ces nanomatériaux sont dérivés de sources de cellulose purifiée, telles que les fibres de cellulose, où les composants non cellulosiques (principalement la lignine) sont éliminés [20]. Ce processus implique souvent des étapes de blanchiment complexes et dangereuses. Une approche plus durable consiste à produire des nanomatériaux directement à partir de matières premières lignocellulosiques en utilisant peu ou pas de traitement chimique, garantissant l'utilisation complète de la lignocellulose. En conséquence, les nanofibres lignocellulosiques (LCNFs) ont émergé comme une alternative durable aux CNMs blanchis.

Plusieurs études ont utilisé de la cellulose modifiée avec des charges anioniques et cationiques comme floculants dans la séparation des particules de l'eau [[21], [22], [23], [24]]. La copolymérisation par greffage a été démontrée comme une méthode efficace et simple pour modifier la cellulose [25]. Dans des conditions douces, la cellulose peut réagir avec des monomères contenant des oléfines, permettant une modification ciblée pour introduire des groupes fonctionnels souhaités et préparer des floculants, améliorant ainsi les effets d'adsorption et de pontage [26]. Actuellement, les méthodes d'initiation de polymérisation largement utilisées incluent la polymérisation thermique, par radiation, par micro-ondes et par photo-initiation [27]. Dans le greffage conventionnel, des initiateurs chimiques sont utilisés pour générer des sites de radicaux libres sur le polymère dans une atmosphère inerte, où les monomères peuvent se fixer et former des chaînes greffées. Cependant, cette méthode souffre d'une faible reproductibilité, la rendant inadaptée à la production commerciale à grande échelle [28]. En revanche, le greffage assisté par micro-ondes utilise des radiations électromagnétiques pour générer des radicaux via des initiateurs redox, réduisant considérablement l'énergie d'activation tout en augmentant la vitesse de réaction et l'efficacité énergétique [29]. Contrairement au chauffage conventionnel, les radiations micro-ondes excitent sélectivement les liaisons polaires sans rompre l'ossature polymère non polaire, préservant ainsi l'intégrité structurelle [30]. De plus, la combinaison de la radiation micro-ondes avec des initiateurs chimiques améliore l'efficacité du greffage par rapport aux méthodes conventionnelles. Le greffage initié par micro-ondes est également plus rapide, plus économique et respectueux de l'environnement, avec des taux de conversion des monomères plus élevés, ce qui en fait une alternative supérieure pour modifier la cellulose [28]. Dans ce contexte, Mishra et al. [31] ont synthétisé de l'amidon greffé polyacrylamide comme floculant pour la suspension de kaolin en utilisant une méthode assistée par micro-ondes. Ghosh et al. [32] ont greffé de l'acrylamide sur le polysaccharide de noyau de tamarin en utilisant une approche assistée par micro-ondes pour l'élimination du kaolin de l'eau. Ils ont déclaré que la synthèse par micro-ondes améliore l'efficacité du floculant en préservant la rigidité de l'ossature du polysaccharide, atteignant un greffage plus élevé grâce à une combinaison synergique d'ouverture de cycle via une initiation par radicaux libres et de greffage sans ouverture de cycle, ce qui prolonge les chaînes polymères pour une meilleure capture des contaminants. Wu et al. [33] ont préparé un floculant à base de chitosane en utilisant une polymérisation assistée par micro-ondes pour le conditionnement et le déshydratation des boues. Zeng et al. [28] ont utilisé la synthèse assistée par micro-ondes pour le nouveau floculant bio-sourcé à partir de dextran et de chitosane pour l'élimination du kaolin. Sen et al. [34] ont greffé du poly(2-hydroxyéthylméthacrylate) sur de l'agar par méthode assistée par micro-ondes pour le traitement des eaux usées. Cependant, à notre connaissance, il existe peu de rapports sur la synthèse assistée par micro-ondes de bio-floculants à base de LCNFs.

Cette étude visait à développer un floculant écologique dérivé des LCNF dans diverses conditions de synthèse utilisant un chauffage assisté par micro-ondes. Le nouveau floculant cationique à base de LCNF, nommé PAM@LCNF (P@L), a été développé en greffant du PAM cationique, synthétisé à partir d'acrylamide et de [2-(Méthacryloyloxy)éthyl] triméthylammonium chlorure, sur des LCNF. La stabilité thermique, la structure cristalline, les groupes fonctionnels, la densité de charge, la morphologie et les propriétés électroniques des systèmes P@L ont été analysées. La performance de floculation du floculant synthétisé, y compris son efficacité et son mécanisme dans le traitement des suspensions d'halloysite, de kaolin et pour la clarification du jus de canne à sucre.