초록

폴리아크릴아미드 기반 침전 플록큘런트는 주스를 정화하고 원당 생산에서 불순물을 제거하는 데 일반적으로 사용됩니다. 그러나 설탕에 남아 있을 수 있는 폴리아크릴아미드는 발암성, 신경독성 및 환경 위험을 초래할 수 있습니다. 이를 해결하기 위해 사탕수수 찌꺼기(사탕수수 가공의 부산물)에서 유래한 리그노셀룰로오스 나노섬유(LCNF) 기반 플록큘런트가 지속 가능한 대안으로 도입되었습니다. 폴리아크릴아미드(PAM)는 최적화된 중합 조건 하에 마이크로웨이브 조사 및 화학적 자유 라디칼 개시제((NH4)2S2O8)를 통해 LCNF에 접목되었습니다. 플록큘런트는 다양한 분석 기술을 통해 성공적인 접목 반응을 확인하는 특성을 보였습니다. 플록큘런트는 낮은 농도(5 mg/L)에서 할로이사이트, 카올린 및 사탕수수 주스에 대해 각각 99.3 %, 98.7 %, 96.9 %의 우수한 탁도 제거율을 달성했습니다. 또한 넓은 플록큘레이션 범위와 pH 적응성을 보여주었습니다. 96 °C에서 사탕수수 주스에 대해 실시된 침전 테스트에서 20 % 상업용 PAM과 PAM@LCNF 혼합물이 111 mL/min의 초기 침전 속도를 크게 향상시켜 PAM@LCNF 및 상업용 PAM보다 우수한 성능을 보였습니다. PAM@LCNF 플록큘런트는 사탕수수 산업 잔여물을 활용하면서 사탕수수 주스 정화를 위한 지속 가능하고 매우 효과적인 대안을 나타냅니다. 게다가, 그 플록큘레이션 성능은 다른 보고된 바이오폴리머 및 기타 플록큘런트와 비교할 수 있습니다.

점토 광물 및 기타 유기적 및/또는 무기적 성질을 가진 미세하게 부유된 입자는 제지, 광물 가공, 석탄 폐기물, 슬러지 탈수, 세라믹 소성 및 석유 개발 [1, 2]을 포함한 다양한 산업 폐수 내에서 상당한 양으로 존재하며, 사탕수수 주스와 같은 원료 제품 흐름에서도 발견됩니다. 미세 입자는 크기가 작고 강한 전기 음성도 및 수화 필름의 형성으로 인해 물에 부유 상태로 남아 있으며, 이로 인해 상당한 정전기적 반발력과 입체 장애가 발생하여 자연 침전이 어렵습니다 [3]. 이러한 부유물의 적절한 처리 없이 폐기하는 것은 귀중한 물과 기타 산업 자원을 낭비할 뿐만 아니라 상당한 환경 위험을 초래하여 지속 가능한 개발 원칙에 반합니다. 따라서 산업 폐수 및 원료 제품 흐름에서 미세 입자를 제거하는 것은 여전히 중요한 그러나 도전적인 과제로 남아 있습니다.

미세하게 분산된 입자를 처리하기 위해 물리적, 화학적 및 생물학적 접근 방식을 포함한 다양한 기술이 개발되었습니다. 이 중에서 응집 기술은 가장 효과적이고 널리 사용되는 기술 중 하나로 두드러집니다. 응집은 이러한 분산된 입자를 불안정하게 만들어, 종종 전기적 상호작용 에너지를 줄이는 응집제나 응고제를 추가함으로써 작동하며, 이는 Derjaguin, Landau, Verwey, 및 Overbeek (DLVO) 이론에 의해 설명됩니다 [4]. 이 과정은 이러한 미세 입자를 더 큰 응집체로 집합시켜 침전이나 여과를 통해 물에서 분리하는 데 도움을 줍니다. 응집의 효과는 응집제의 선택에 크게 의존하며, 이는 화학적 조성에 따라 두 가지 주요 유형으로 분류됩니다: 무기 및 유기 응집제 [5]. 전통적인 무기 응집제인 철염, 알루미늄염 및 폴리알루미늄 클로라이드(PAC)는 중간 정도의 독성을 가지며 시간이 지남에 따라 서서히 분해됩니다. 이들의 폐수 처리에서의 사용은 상당한 양의 침전 슬러지(진흙)와 잔여물을 생성하며 pH 변화에 매우 민감합니다 [6]. 그러나 유기 응집제는 낮은 투여량 요구, 비용 효율성, 낮은 독성 및 넓은 pH 범위와의 호환성과 같은 장점을 제공합니다 [7]. 그럼에도 불구하고 효율적인 입자 분리에 대한 증가하는 수요를 충족하기 위해 이러한 응집제의 효율성과 안정성을 향상시킬 필요가 있습니다.

당밀 처리 중 사탕수수에서 추출된 주스는 미세한 점토 입자, 작은 식물 섬유, 단백질, 콜로이드 입자 및 기타 유기 물질을 포함한 높은 농도의 부유 불순물을 포함하고 있습니다. 따라서 정화는 주스의 순도를 개선하고 처리 효율성을 높이기 위해 이러한 불순물과 색소를 제거하는 것을 목표로 하는 설탕 생산 과정에서 중요한 단계입니다 [8]. 전통적으로 이 과정은 주스의 pH를 높이고 불순물의 응집 및 침전을 촉진하는 석회 추가에 의존합니다 [9]. 그러나 광범위한 산업적 사용에도 불구하고 석회 정화만으로는 높은 화학 물질 소비, 과도한 슬러지 형성 및 미세한 콜로이드 입자와 유기 물질 제거의 제한된 효과와 같은 상당한 문제와 관련이 있습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 고급 정화 기술이 조사되었으며, 특히 폴리아크릴아미드(PAM) 유도체와 같은 합성 고분자 응집제의 사용이 주목받고 있습니다 [10]. 이러한 응집제는 전하 중화 및 브리징 메커니즘을 통해 응집 효율성을 향상시켜 미세 입자를 효과적으로 집합시키고 침전을 가속화합니다. 이는 주스의 투명도와 순도를 개선할 뿐만 아니라 설탕 회수율을 높이고 처리 시간을 단축하며 에너지 소비를 줄이고 전반적인 생산 효율성과 수익성을 향상시킵니다. 또한 효과적인 정화는 필터링 및 증발과 같은 하류 공정에 대한 부담을 줄여줍니다. 그러나 합성 응집제의 환경 지속성과 잠재적 독성에 대한 우려로 인해 자연 및 생물 기반 대안에 대한 관심이 높아지고 있습니다.

자연 고분자 응집제는 비독성과 생분해성 덕분에 최근 몇 년 동안 수처리 및 폐수 처리에서 점점 더 인기를 얻고 있습니다. 자연 생물 고분자로부터 유래한 응집제는 합성 응집제보다 선호되며, 이는 바이오매스 오염을 방지하고 더 지속 가능하거나 친환경적이기 때문입니다. 바이오매스 응집제는 개발되고 적용된 유기 응집제 내에서 중요한 범주가 되었습니다 [11]. 이러한 응집제는 일반적으로 반합성으로, 폐 바이오매스 기질을 원료로 사용하여 분자 재조합 및 기타 수정 기술을 통해 생산됩니다. 이들은 재생 가능한 자원을 활용하며 산업 폐수 처리에 매우 효과적이며, “폐기물로 오염 제어”라는 개념과 일치합니다. 이 접근 방식은 상당한 실용적 의미를 지닙니다 [12]. 그러나 바이오매스 응집제를 발전시키는 것은 입자 분리에 있어 주요 도전 과제로 남아 있습니다. 셀룰로오스 [13], 리그닌 [14], 키토산 [15] 및 그 유도체와 같은 지속 가능하고 환경 친화적인 생물학적 자원에 대한 새로운 원료를 탐색하고 개발하기 위한 노력이 필요합니다.

셀룰로오스 나노물질(CNMs)은 수질 오염물질에 대한 우수한 흡착제로 부상하였습니다. 기존의 물질과 달리, 이들은 높은 비표면적, 다목적 표면 화학, 환경적 안정성 및 재생 가능성과 같은 장점을 제공합니다 [16]. 전통적인 흡착제는 제한된 표면적이나 흡착을 위한 활성 부위로 인해 종종 낮은 흡착 효율성과 용량을 보입니다 [17]. 흡착제의 크기를 나노 규모로 줄임으로써 비표면적이 크게 증가합니다 [18], 그리고 짧은 입자 내 확산 거리는 흡착 성능을 더욱 향상시킵니다. 또한, 표면 화학적 변형의 강력한 잠재력 [19]은 수많은 활성 부위를 도입할 수 있게 합니다. 재생 가능하고 풍부하며 환경적으로 비활성인 바이오 물질인 CNMs는 최소한의 환경 영향을 미치는 지속 가능한 솔루션을 제공합니다. CNMs는 원자재 및 전처리 방법을 최적화하여 비용을 낮추고 성능을 향상시킬 수 있습니다. 일반적으로 이러한 나노물질은 셀룰로오스 섬유와 같은 정제된 셀룰로오스 원료에서 유래하며, 비셀룰로오스 성분(주로 리그닌)이 제거됩니다 [20]. 이 과정은 종종 복잡하고 위험한 표백 단계를 포함합니다. 보다 지속 가능한 접근 방식은 화학 처리를 거의 또는 전혀 사용하지 않고 리그노셀룰로오스 원료에서 직접 나노물질을 생산하여 리그노셀룰로오스를 완전히 활용하는 것입니다. 그 결과, 리그노셀룰로오스 나노섬유(LCNFs)는 표백된 CNMs에 대한 지속 가능한 대안으로 부상하였습니다.

여러 연구에서 물에서 입자를 분리하기 위한 플록큘런트로 음이온 및 양이온 전하가 있는 수정된 셀룰로오스를 활용했습니다 [[21], [22], [23], [24]]. 그라프트 공중합은 셀룰로오스를 수정하는 효과적이고 간단한 방법으로 입증되었습니다 [25]. 온화한 조건에서 셀룰로오스는 올레핀 함유 단량체와 반응할 수 있어 원하는 기능 그룹을 도입하고 플록큘런트를 준비하는 표적 수정을 가능하게 하여 흡착 및 브리징 효과를 향상시킵니다 [26]. 현재 널리 사용되는 중합 개시 방법에는 열, 방사선, 마이크로파 및 광 개시 중합이 포함됩니다 [27]. 기존의 그라프팅에서는 화학 개시제를 사용하여 불활성 분위기에서 폴리머에 자유 라디칼 사이트를 생성하고, 단량체가 부착되어 그라프트 체인을 형성할 수 있습니다. 그러나 이 방법은 재현성이 낮아 대규모 상업 생산에 적합하지 않습니다 [28]. 반면, 마이크로파 보조 그라프팅은 전자기 방사선을 사용하여 산화환원 개시제를 통해 라디칼을 생성하여 활성화 에너지를 크게 줄이고 반응 속도와 에너지 효율성을 높입니다 [29]. 기존의 가열과 달리 마이크로파 방사선은 비극성 폴리머 백본을 파괴하지 않고 극성 결합을 선택적으로 여기시켜 구조적 무결성을 유지합니다 [30]. 또한, 마이크로파 방사선과 화학 개시제의 조합은 기존 방법에 비해 그라프팅 효율성을 향상시킵니다. 마이크로파 개시 그라프팅은 또한 더 빠르고 경제적이며 환경 친화적이며, 단량체 전환율이 높아 셀룰로오스를 수정하는 우수한 대안이 됩니다 [28]. 이러한 맥락에서 Mishra et al. [31]는 마이크로파 보조 방법을 사용하여 카올린 현탁액을 위한 플록큘런트로 폴리아크릴아마이드-그라프트 전분을 합성했습니다. Ghosh et al. [32]는 마이크로파 보조 접근 방식을 사용하여 타마린드 커널 다당류에 아크릴아마이드를 그라프트하여 물에서 카올린을 제거했습니다. 그들은 마이크로파 합성이 다당류 백본의 강성을 유지하여 플록큘런트 효율성을 향상시키고, 자유 라디칼 개시를 통한 고리 열림과 고리 열림 없이 그라프팅의 시너지 조합을 통해 더 높은 그라프팅을 달성하여 오염물질 포획을 개선하기 위해 폴리머 체인을 연장한다고 언급했습니다. Wu et al. [33]는 슬러지 조절 및 탈수용을 위해 마이크로파 보조 중합을 사용하여 키토산 기반 플록큘런트를 준비했습니다. Zeng et al. [28]는 카올린 제거를 위해 덱스트란과 키토산에서 새로운 바이오 기반 플록큘런트를 위한 마이크로파 보조 합성을 사용했습니다. Sen et al. [34]는 폐수 처리를 위해 마이크로파 보조 방법으로 한천에 폴리(2-하이드록시에틸메타크릴레이트)를 그라프트했습니다. 그러나 우리가 아는 한, LCNFs를 기반으로 한 바이오 플록큘런트의 마이크로파 보조 합성에 대한 보고는 거의 없습니다.

이 연구는 마이크로웨이브 보조 가열을 사용하여 다양한 합성 조건에서 LCNF에서 유래한 친환경 응집제를 개발하는 것을 목표로 하였습니다. 아크릴아미드와 [2-(메타크릴로일옥시) 에틸] 트리메틸암모늄 염으로 합성된 양이온 PAM을 LCNF에 접목시켜 개발된 새로운 양이온 LCNF 기반 응집제는 PAM@LCNF (P@L)로 명명되었습니다. P@L 시스템의 열적 안정성, 결정 구조, 기능 그룹, 전하 밀도, 형태 및 전자적 특성이 분석되었습니다. 합성된 응집제의 응집 성능, 즉 할로이사이트, 카올린 현탁액 처리 및 사탕수수 주스 정화에서의 효과 및 메커니즘이 포함됩니다.