Аннотация

Флокулянты на основе полиакриламида обычно используются для очистки сока и удаления примесей в производстве сырого сахара. Однако возможные остатки полиакриламида в сахаре могут представлять собой канцерогенные, нейротоксичные и экологические риски. Для решения этой проблемы были предложены флокулянты на основе нанофибр лигноцеллюлозы (LCNF), полученные из жома сахарного тростника (побочный продукт переработки сахарного тростника), как устойчивый альтернативный вариант. Полиакриламид (PAM) был привит к LCNF с помощью микроволнового излучения и инициатора свободной радикальной реакции без химических веществ ((NH4)2S2O8) при оптимизированных условиях полимеризации. Флокулянт был охарактеризован с помощью различных аналитических методов, подтверждающих успешную реакцию прививки. Флокулянт достиг отличных показателей удаления мутности 99,3 %, 98,7 % и 96,9 % для галлоизита, каолина и сока сахарного тростника соответственно, при низкой дозе (5 мг/л). Он также продемонстрировал широкий диапазон флокуляции и адаптивность к pH. Тест осаждения, проведенный на соке сахарного тростника при 96 °C, показал, что 20 % коммерческий PAM и смесь PAM@LCNF достигли значительно улучшенной начальной скорости осаждения 111 мл/мин, превзойдя как PAM@LCNF, так и коммерческий PAM. Флокулянт PAM@LCNF представляет собой устойчивую, высокоэффективную альтернативу традиционным флокулянтам для очистки сока сахарного тростника, используя остатки сахарной промышленности. Более того, его флокуляционная эффективность сопоставима с другими зарегистрированными биополимерами и другими флокулянтами.

Глинистые минералы и другие мелко взвешенные частицы органической и/или неорганической природы присутствуют в значительных количествах в различных промышленных сточных водах, включая сточные воды от производства бумаги, переработки минералов, угольных хвостов, осушения осадков, обжига керамики и добычи нефти [1, 2], а также в потоках сырьевых продуктов, таких как сок сахарного тростника. Мелкие частицы остаются взвешенными в воде из-за своего малого размера, высокой электроотрицательности и образования гидратационной пленки, что в совокупности приводит к значительному электростатическому отталкиванию и стерическим препятствиям, что затрудняет естественное осаждение [3]. Утилизация этих суспензий без надлежащей обработки не только приводит к потере ценной воды и других промышленных ресурсов, но и создает значительные экологические риски, противореча принципам устойчивого развития. Поэтому удаление мелких частиц из промышленных сточных вод и потоков сырьевых продуктов остается критически важной, но сложной задачей.

Широкий спектр технологий был разработан для обработки тонко взвешенных частиц, включая физические, химические и биологические подходы. Среди них технология флокуляции выделяется как одна из самых эффективных и широко используемых технологий. Флокуляция работает, дестабилизируя эти дисперсные частицы, часто за счет добавления флокулянтов или коагулянтов, которые уменьшают энергию электростатического взаимодействия, как описано в теории Дерягуина, Ландау, Вервея и Овербека (DLVO) [4]. Этот процесс помогает агрегировать эти мелкие частицы в более крупные флоки, облегчая их отделение от воды с помощью осаждения или фильтрации. Эффективность флокуляции значительно зависит от выбора флокулянтов, которые классифицируются на два основных типа в зависимости от их химического состава: неорганические и органические флокулянты [5]. Традиционные неорганические флокулянты, такие как соли железа, соли алюминия и полиалюминиевый хлорид (PAC), умеренно токсичны и медленно разлагаются со временем. Их использование в очистке сточных вод генерирует значительное количество осажденного осадка (грязи) и остатков и очень чувствительно к изменениям pH [6]. Органические флокулянты, однако, предлагают такие преимущества, как низкие требования к дозировке, экономическая эффективность, низкая токсичность и совместимость с широким диапазоном pH [7]. Тем не менее, чтобы удовлетворить растущий спрос на эффективное разделение частиц, необходимо повысить эффективность и стабильность этих флокулянтов.

В процессе переработки сахара сок, извлекаемый из сахарного тростника, содержит высокие концентрации взвешенных примесей, включая мелкие частицы глины, небольшие растительные волокна, белки, коллоидные частицы и другие органические вещества. Поэтому осветление является критически важным этапом в процессе производства сахара, направленным на удаление этих примесей вместе с красителями для улучшения чистоты сока и повышения эффективности переработки [8]. Традиционно этот процесс основывается на добавлении извести, которая повышает pH сока и облегчает коагуляцию и осаждение примесей [9]. Однако, несмотря на его широкое промышленное применение, осветление известью связано с значительными проблемами, включая высокое химическое потребление, чрезмерное образование осадка и ограниченную эффективность в удалении мелких коллоидных частиц и органических веществ. Чтобы преодолеть эти ограничения, были исследованы различные современные методы осветления, особенно использование синтетических полимерных флокулянтов, таких как производные полиакриламида (ПАА) [10]. Эти флокулянты повышают эффективность флокуляции за счет нейтрализации заряда и механизмов мостикового связывания, эффективно агрегируя мелкие частицы и ускоряя осаждение. Это не только улучшает прозрачность и чистоту сока, но и увеличивает извлечение сахара, сокращает время переработки, снижает потребление энергии и повышает общую эффективность производства и прибыльность. Более того, эффективное осветление снижает нагрузку на последующие процессы, такие как фильтрация и испарение, что приводит к улучшению. Однако опасения по поводу экологической устойчивости и потенциальной токсичности синтетических флокулянтов привели к растущему интересу к натуральным и биологически основанным альтернативам.

Природные полимерные флокулянты становятся все более популярными в обработке воды и сточных вод в последние годы благодаря своей нетоксичности и биоразлагаемости. Флокулянты, полученные из природных биополимеров, предпочитаются синтетическим, чтобы предотвратить загрязнение биомассы, а также быть более устойчивыми или экологически чистыми. Флокулянты на основе биомассы стали значительной категорией среди разработанных и применяемых органических флокулянтов [11]. Эти флокулянты обычно полусинтетические, производимые путем молекулярной рекомбинации и других методов модификации с использованием отходов биомассы в качестве сырья. Они используют возобновляемые ресурсы и очень эффективны в обработке сточных вод промышленности, что соответствует концепции «Контроль загрязнения с помощью отходов». Этот подход имеет значительное практическое значение [12]. Однако продвижение флокулянтов на основе биомассы остается ключевой задачей в разделении частиц. Необходимы усилия для исследования и разработки новых сырьевых материалов, таких как целлюлоза [13], лигнин [14], хитозан [15] и их производные, которые являются устойчивыми и экологически чистыми биологическими ресурсами.

Целлюлозные наноматериалы (CNMs) стали отличным сорбентом для водных загрязнителей. В отличие от традиционных материалов, они предлагают такие преимущества, как высокая удельная поверхность, универсальная химия поверхности, экологическая стабильность и возобновляемость [16]. Традиционные адсорбенты часто демонстрируют низкую эффективность и емкость адсорбции из-за ограниченной площади поверхности или активных сайтов для адсорбции [17]. Уменьшая размер адсорбента до наноразмеров, удельная поверхность значительно увеличивается [18], а более короткие расстояния внутрипористой диффузии дополнительно улучшают производительность адсорбции. Кроме того, сильный потенциал для химической модификации поверхности [19] позволяет вводить множество активных сайтов. Будучи возобновляемыми, обильными и экологически инертными биоматериалами, CNMs представляют собой устойчивое решение с минимальным воздействием на окружающую среду. CNMs могут помочь снизить затраты и повысить производительность, оптимизируя сырьевые материалы и методы предварительной обработки. Обычно эти наноматериалы получают из очищенных источников целлюлозы, таких как целлюлозные волокна, из которых удаляются нецеллюлозные компоненты (в основном лигнин) [20]. Этот процесс часто включает сложные и опасные этапы отбеливания. Более устойчивый подход включает производство наноматериалов непосредственно из лигноцеллюлозных сырьевых материалов с использованием минимальной или отсутствующей химической обработки, что обеспечивает полное использование лигноцеллюлозы. В результате лигноцеллюлозные нанофибры (LCNFs) стали устойчивой альтернативой отбеленным CNMs.

Несколько исследований использовали модифицированную целлюлозу с анионными и катионными зарядами в качестве флокулянтов для разделения частиц из воды [[21], [22], [23], [24]]. Графт-кополимеризация была продемонстрирована как эффективный и простой метод модификации целлюлозы [25]. При мягких условиях целлюлоза может реагировать с мономерами, содержащими олефины, что позволяет целенаправленно модифицировать для введения желаемых функциональных групп и подготовки флокулянтов, тем самым усиливая адсорбцию и мостиковые эффекты [26]. В настоящее время широко используемыми методами инициации полимеризации являются термическая, радиационная, микроволновая и фотоинициация полимеризации [27]. В традиционном графтировании используются химические инициаторы для генерации свободнорадикальных сайтов на полимере в инертной атмосфере, где мономеры могут прикрепляться и образовывать графт-цепи. Однако этот метод страдает от низкой воспроизводимости, что делает его неподходящим для крупномасштабного коммерческого производства [28]. В отличие от этого, графтирование с помощью микроволнового излучения использует электромагнитное излучение для генерации радикалов через редокс-инициаторы, значительно снижая энергию активации при увеличении скорости реакции и энергетической эффективности [29]. В отличие от традиционного нагрева, микроволновое излучение избирательно возбуждает полярные связи, не разрушая неполярный полимерный каркас, тем самым сохраняя структурную целостность [30]. Более того, сочетание микроволнового излучения с химическими инициаторами повышает эффективность графтирования по сравнению с традиционными методами. Графтирование, инициированное микроволнами, также быстрее, экономичнее и экологичнее, с более высокими коэффициентами превращения мономеров, что делает его превосходной альтернативой для модификации целлюлозы [28]. В этом контексте Мишра и др. [31] синтезировали крахмал, графтированный полиакриламидом, в качестве флокулянта для суспензии каолина с использованием метода, основанного на микроволновом излучении. Гош и др. [32] графтировали акриламид на полисахарид из семян тамаринда с использованием подхода, основанного на микроволновом излучении, для удаления каолина из воды. Они заявили, что синтез с помощью микроволн повышает эффективность флокулянта, сохраняя жесткость каркаса полисахарида, достигая более высокого графтирования за счет синергетического сочетания разрыва кольца через свободнорадикальную инициацию и графтирование без разрыва кольца, что удлиняет полимерные цепи для улучшенного захвата загрязняющих веществ. У и др. [33] подготовили флокулянт на основе хитозана с использованием микроволновой полимеризации для кондиционирования и обезвоживания осадка. Цзен и др. [28] использовали синтез с помощью микроволн для нового биоосновного флокулянта из декстрана и хитозана для удаления каолина. Сен и др. [34] графтировали поли(2-гидроксиэтилметакрилат) на агар с помощью метода, основанного на микроволновом излучении, для очистки сточных вод. Однако, насколько нам известно, существует всего несколько отчетов о синтезе био-флокулянтов на основе LCNFs с использованием микроволнового излучения.

Данное исследование было направлено на разработку экологически чистого флокулянта, полученного из LCNF при различных условиях синтеза с использованием микроволнового нагрева. Новый катионный флокулянт на основе LCNF, названный PAM@LCNF (P@L), был разработан путем прививки катионного PAM, синтезированного из акриламида и [2-(Метакрилоилокси)этил]триметиламмоний хлорида, на LCNF. Были проанализированы термическая стабильность, кристаллическая структура, функциональные группы, плотность заряда, морфология и электронные свойства систем P@L. Были оценены флокуляционные характеристики синтезированного флокулянта, включая его эффективность и механизм обработки суспензий галлоцита, каолина и для очистки сока сахарного тростника.