要約

ポリアクリルアミドベースの沈殿フロック剤は、ジュースを明確にし、原料糖の生産における不純物を除去するために一般的に使用されています。しかし、糖中に残留する可能性のあるポリアクリルアミドは、発癌性、神経毒性、環境リスクを引き起こす可能性があります。これに対処するために、サトウキビのバガス（サトウキビ加工の副産物）から派生したリグノセルロースナノファイバー（LCNF）ベースのフロック剤が持続可能な代替品として導入されました。ポリアクリルアミド（PAM）は、最適化された重合条件下で、マイクロ波照射と化学的なフリーラジカル開始剤（(NH4)2S2O8）を通じてLCNFにグラフトされました。フロック剤は、成功したグラフト反応を確認するためにさまざまな分析技術を通じて特性評価されました。このフロック剤は、低用量（5 mg/L）でホロイサイト、カオリン、サトウキビジュースに対してそれぞれ99.3%、98.7%、96.9%の優れた濁度除去率を達成しました。また、広範なフロック形成範囲とpH適応性も示しました。96°Cでサトウキビジュースに対して実施された沈降試験では、20%の商業PAMとPAM@LCNFブレンドが、PAM@LCNFおよび商業PAMの両方を上回る111 mL/minの著しく向上した初期沈降速度を達成しました。PAM@LCNFフロック剤は、サトウキビジュースの明確化のための持続可能で非常に効果的な代替品を表しており、サトウキビ産業の残渣を利用しています。さらに、そのフロック形成性能は、他の報告されたバイポリマーや他のフロック剤と比較可能です。

粘土鉱物やその他の有機および/または無機性の微細懸濁粒子は、製紙、鉱物処理、石炭残渣、スラッジ脱水、セラミック焼成、石油採掘[1, 2]などのさまざまな工業排水中に重要な量で存在し、サトウキビジュースなどの原料流にも含まれています。微細粒子は、その小さなサイズ、強い電気陰性、そして水和膜の形成により水中に懸濁したまま残り、これらが相まって重要な静電反発と立体障害を引き起こし、自然沈降を困難にしています[3]。これらの懸濁物を適切な処理なしに廃棄することは、貴重な水やその他の工業資源を浪費するだけでなく、持続可能な開発の原則に反して重大な環境リスクをもたらします。したがって、工業廃水や原料流から微細粒子を除去することは、依然として重要でありながら困難な課題です。

微細懸濁粒子を処理するために、物理的、化学的、生物的アプローチを含む幅広い技術が開発されてきました。その中でも、フロック形成技術は最も効果的で広く使用されている技術の一つとして際立っています。フロック形成は、これらの分散粒子を不安定化させることによって機能し、しばしばフロック剤や凝集剤を追加することで静電相互作用エネルギーを減少させます。これは、Derjaguin、Landau、Verwey、Overbeek（DLVO）理論によって説明されています[4]。このプロセスは、これらの微細粒子をより大きなフロックに集約し、沈殿またはろ過を通じて水からの分離を促進します。フロック形成の効果は、フロック剤の選択に大きく依存し、化学組成に基づいて無機フロック剤と有機フロック剤の2つの主要なタイプに分類されます[5]。鉄塩、アルミニウム塩、ポリアルミニウム塩（PAC）などの伝統的な無機フロック剤は、中程度の毒性を持ち、時間とともにゆっくりと分解します。これらの使用は、廃水処理において相当量の沈殿したスラッジ（泥）や残留物を生成し、pH変動に非常に敏感です[6]。一方、有機フロック剤は、低用量要件、コスト効果、低毒性、広範なpH範囲との互換性などの利点を提供します[7]。それにもかかわらず、効率的な粒子分離に対する需要の高まりに応えるためには、これらのフロック剤の効率と安定性を向上させる必要があります。

砂糖の加工中、サトウキビから抽出されたジュースには、微細な粘土粒子、小さな植物繊維、タンパク質、コロイド粒子、その他の有機物を含む高濃度の浮遊不純物が含まれています。したがって、澄明化は砂糖生産プロセスにおいて重要なステップであり、ジュースの純度を向上させ、処理効率を高めるために、これらの不純物と着色料を除去することを目的としています[8]。従来、このプロセスは石灰の添加に依存しており、これによりジュースのpHが上昇し、不純物の凝集と沈殿が促進されます[9]。しかし、広く産業で使用されているにもかかわらず、石灰による澄明化は、高い化学薬品消費、過剰なスラッジ形成、微細なコロイド粒子や有機物の除去における限られた効果など、重大な課題に関連しています。これらの制限を克服するために、さまざまな高度な澄明化技術が調査されており、特にポリアクリルアミド（PAM）誘導体などの合成高分子フロック剤の使用が注目されています[10]。これらのフロック剤は、電荷中和および架橋メカニズムを通じてフロック形成効率を向上させ、微細な粒子を効果的に集約し、沈殿を加速します。これにより、ジュースの透明度と純度が向上するだけでなく、砂糖回収が増加し、処理時間が短縮され、エネルギー消費が低下し、全体的な生産効率と収益性が向上します。さらに、効果的な澄明化は、ろ過や蒸発などの下流プロセスへの負担を軽減し、改善につながります。しかし、合成フロック剤の環境持続性や潜在的な毒性に関する懸念から、自然およびバイオベースの代替品への関心が高まっています。

天然高分子フロック剤は、その無毒性と生分解性のため、近年、水および廃水処理においてますます人気が高まっています。天然バイオポリマー由来のフロック剤は、合成のものよりも好まれ、バイオマスの汚染を防ぎ、より持続可能または環境に優しいとされています。バイオマスフロック剤は、開発され適用された有機フロック剤の中で重要なカテゴリーとなっています[11]。これらのフロック剤は通常、半合成であり、廃棄バイオマス基材を原料として分子再結合やその他の改良技術によって生産されます。再生可能資源を活用し、産業廃水の処理に非常に効果的であり、「廃棄物による汚染制御」という概念に沿っています。このアプローチは、実際的な意義を持っています[12]。しかし、バイオマスフロック剤の進展は、粒子分離における重要な課題のままです。セルロース[13]、リグニン[14]、キトサン[15]、およびそれらの誘導体など、持続可能で環境に優しい生物資源としての新しい原材料を探求し、開発する努力が必要です。

セルロース系ナノ材料（CNMs）は、水の汚染物質に対する優れた吸着剤として登場しました。従来の材料とは異なり、高い比表面積、多様な表面化学、環境安定性、再生可能性などの利点を提供します[16]。従来の吸着剤は、限られた表面積や吸着のための活性部位のために、しばしば低い吸着効率と容量を示します[17]。吸着剤のサイズをナノスケールに縮小することにより、比表面積は大幅に増加し[18]、短い粒子内拡散距離が吸着性能をさらに向上させます。さらに、表面化学修飾の強い可能性[19]により、多くの活性部位を導入することができます。再生可能で豊富、かつ環境に無害なバイオマテリアルとして、CNMsは最小限の環境影響で持続可能な解決策を提供します。CNMsは、原材料と前処理方法を最適化することにより、コストを削減し、性能を向上させるのに役立ちます。通常、これらのナノ材料は、セルロース繊維などの精製されたセルロース源から得られ、非セルロース成分（主にリグニン）が除去されます[20]。このプロセスは、しばしば複雑で危険な漂白工程を含みます。より持続可能なアプローチは、化学処理をほとんどまたはまったく使用せずに、リグノセルロース原材料から直接ナノ材料を生産することを含み、リグノセルロースの完全な利用を確保します。その結果、リグノセルロースナノファイバー（LCNFs）は、漂白されたCNMsの持続可能な代替品として登場しました。

いくつかの研究では、粒子を水から分離するためのフロック剤として、陰イオンおよび陽イオンの両方の電荷を持つ修飾セルロースが利用されています [[21], [22], [23], [24]]。グラフト共重合は、セルロースを修飾するための効果的で簡単な方法であることが示されています [25]。穏やかな条件下で、セルロースはオレフィンを含むモノマーと反応し、目的の官能基を導入してフロック剤を準備するためのターゲット修飾を可能にし、吸着および架橋効果を強化します [26]。現在、広く使用されている重合開始方法には、熱、放射線、マイクロ波、および光開始重合が含まれます [27]。従来のグラフトでは、化学開始剤を使用して不活性雰囲気中でポリマー上にフリーラジカルサイトを生成し、モノマーが付着してグラフト鎖を形成します。しかし、この方法は再現性が低く、大規模商業生産には不向きです [28]。対照的に、マイクロ波支援グラフトは、酸化還元開始剤を介してラジカルを生成するために電磁放射を使用し、活性化エネルギーを大幅に削減しながら反応速度とエネルギー効率を向上させます [29]。従来の加熱とは異なり、マイクロ波放射は非極性ポリマーの骨格を破壊することなく極性結合を選択的に励起し、構造的完全性を保持します [30]。さらに、マイクロ波放射と化学開始剤の組み合わせは、従来の方法と比較してグラフト効率を向上させます。マイクロ波開始グラフトは、より迅速で経済的かつ環境に優しく、モノマー変換率が高いため、セルロースを修飾するための優れた代替手段となります [28]。この文脈において、Mishra et al. [31] は、マイクロ波支援法を使用してカオリン懸濁液のフロック剤としてポリアクリルアミドグラフトデンプンを合成しました。Ghosh et al. [32] は、カオリンを水から除去するために、マイクロ波支援アプローチを使用してタマリンド種子多糖にアクリルアミドをグラフトしました。彼らは、マイクロ波合成が多糖の骨格の剛性を保持することによってフロック剤の効率を高め、フリーラジカル開始による環状開裂と環状開裂なしのグラフトの相乗的な組み合わせを通じてより高いグラフトを達成し、汚染物質捕捉のためにポリマー鎖を延長することを述べました。Wu et al. [33] は、スラッジの調整と脱水のためにマイクロ波支援重合を使用してキトサンベースのフロック剤を調製しました。Zeng et al. [28] は、カオリン除去のためにデキストランとキトサンから新しいバイオベースのフロック剤をマイクロ波支援合成を使用して作成しました。Sen et al. [34] は、廃水処理のためにアガーにポリ(2-ヒドロキシエチルメタクリレート)をマイクロ波支援法でグラフトしました。しかし、私たちの知る限り、LCNFに基づくバイオフロック剤のマイクロ波支援合成に関する報告はほとんどありません。

この研究は、マイクロ波加熱を使用してさまざまな合成条件下でLCNFから派生した環境に優しいフロック剤を開発することを目的としました。新しいカチオン性LCNFベースのフロック剤、PAM@LCNF（P@L）と名付けられたものは、アクリルアミドと[2-(メタクリロイルオキシ)エチル]トリメチルアンモニウム塩化物から合成されたカチオン性PAMをLCNFにグラフトすることによって開発されました。P@Lシステムの熱安定性、結晶構造、官能基、電荷密度、形態、および電子特性が分析されました。合成されたフロック剤のフロック性能、特にホロイサイト、カオリン懸濁液の処理における効果とメカニズム、ならびにサトウキビジュースの澄明化に関するものが評価されました。