Tóm tắt

Polyacrylamide-based precipitating flocculants thường được sử dụng để làm trong nước trái cây và loại bỏ tạp chất trong sản xuất đường thô. Tuy nhiên, polyacrylamide còn sót lại trong đường có thể gây ra các rủi ro ung thư, độc thần kinh và môi trường. Để giải quyết vấn đề này, các chất keo tụ dựa trên lignocellulose nanofiber (LCNF) được chiết xuất từ bã mía (một sản phẩm phụ của quá trình chế biến mía) đã được giới thiệu như một giải pháp bền vững. Polyacrylamide (PAM) đã được ghép vào LCNFs thông qua bức xạ vi sóng và một chất khởi đầu gốc không hóa học ((NH4)2S2O8), dưới điều kiện polymer hóa tối ưu. Chất keo tụ đã được đặc trưng thông qua nhiều kỹ thuật phân tích khác nhau xác nhận phản ứng ghép thành công. Chất keo tụ đạt được tỷ lệ loại bỏ độ đục xuất sắc là 99.3 %, 98.7 %, và 96.9 % cho halloysite, kaolin, và nước mía, tương ứng, ở liều thấp (5 mg/L). Nó cũng thể hiện phạm vi keo tụ rộng và khả năng thích ứng pH. Một thử nghiệm lắng được thực hiện trên nước mía ở 96 °C cho thấy rằng 20 % PAM thương mại và hỗn hợp PAM@LCNF đạt được tỷ lệ lắng ban đầu được cải thiện đáng kể là 111 mL/phút, vượt trội hơn cả PAM@LCNF và PAM thương mại. Chất keo tụ PAM@LCNF đại diện cho một giải pháp bền vững, hiệu quả cao thay thế cho các chất keo tụ thông thường, để làm trong nước mía trong khi tận dụng các sản phẩm phụ của ngành công nghiệp mía. Hơn nữa, hiệu suất keo tụ của nó có thể so sánh với các biopolymer và các chất keo tụ khác đã được báo cáo.

Khoáng sét và các hạt tinh thể khác có nguồn gốc hữu cơ và/hoặc vô cơ hiện diện với số lượng đáng kể trong các nước thải công nghiệp khác nhau, bao gồm cả từ sản xuất giấy, chế biến khoáng sản, bùn than, khử nước bùn, nung gốm và khai thác dầu [1, 2], cũng như các dòng sản phẩm thô như nước mía. Các hạt mịn vẫn lơ lửng trong nước do kích thước nhỏ, độ âm điện mạnh và sự hình thành của một lớp phim hydrat hóa, điều này dẫn đến sự đẩy tĩnh điện đáng kể và cản trở steric, làm cho việc lắng tự nhiên trở nên khó khăn [3]. Việc thải bỏ những sự lơ lửng này mà không có xử lý thích hợp không chỉ lãng phí nước quý giá và các nguồn tài nguyên công nghiệp khác mà còn gây ra những rủi ro môi trường đáng kể, trái ngược với các nguyên tắc phát triển bền vững. Do đó, việc loại bỏ các hạt mịn khỏi nước thải công nghiệp và các dòng sản phẩm thô vẫn là một nhiệm vụ quan trọng nhưng đầy thách thức.

Một loạt các công nghệ đã được phát triển để xử lý các hạt lơ lửng mịn, bao gồm các phương pháp vật lý, hóa học và sinh học. Trong số này, công nghệ keo tụ nổi bật như một trong những công nghệ hiệu quả và được sử dụng rộng rãi nhất. Keo tụ hoạt động bằng cách làm mất ổn định các hạt phân tán này, thường thông qua việc thêm các chất keo tụ hoặc chất đông tụ làm giảm năng lượng tương tác tĩnh điện, như được mô tả bởi lý thuyết Derjaguin, Landau, Verwey và Overbeek (DLVO) [4]. Quá trình này giúp tập hợp các hạt mịn này thành các cụm lớn hơn, tạo điều kiện cho việc tách chúng khỏi nước thông qua lắng đọng hoặc lọc. Hiệu quả của keo tụ phụ thuộc đáng kể vào sự lựa chọn các chất keo tụ, được phân loại thành hai loại chính dựa trên thành phần hóa học của chúng: chất keo tụ vô cơ và hữu cơ [5]. Các chất keo tụ vô cơ truyền thống, chẳng hạn như muối sắt, muối nhôm và polyaluminum chloride (PAC), có độ độc vừa phải và phân hủy chậm theo thời gian. Việc sử dụng chúng trong xử lý nước thải tạo ra một lượng lớn bùn lắng (bùn) và cặn và rất nhạy cảm với sự biến đổi pH [6]. Tuy nhiên, các chất keo tụ hữu cơ cung cấp những lợi thế như yêu cầu liều lượng thấp, hiệu quả chi phí, độ độc thấp và khả năng tương thích với một dải pH rộng [7]. Tuy nhiên, để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về việc tách hạt hiệu quả, cần phải nâng cao hiệu quả và độ ổn định của các chất keo tụ này.

Trong quá trình chế biến đường, nước ép chiết xuất từ mía chứa nồng độ cao các tạp chất lơ lửng, bao gồm các hạt đất sét mịn, sợi thực vật nhỏ, protein, hạt keo và các chất hữu cơ khác. Do đó, việc làm trong là một bước quan trọng trong quy trình sản xuất đường, nhằm loại bỏ những tạp chất này cùng với các chất tạo màu để cải thiện độ tinh khiết của nước ép và nâng cao hiệu quả chế biến [8]. Truyền thống, quá trình này dựa vào việc bổ sung vôi, làm tăng pH của nước ép và tạo điều kiện cho sự đông tụ và lắng đọng của các tạp chất [9]. Tuy nhiên, mặc dù được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, việc làm trong bằng vôi một mình gặp phải nhiều thách thức đáng kể, bao gồm tiêu thụ hóa chất cao, hình thành bùn quá mức và hiệu quả hạn chế trong việc loại bỏ các hạt keo mịn và các chất hữu cơ. Để khắc phục những hạn chế này, nhiều kỹ thuật làm trong tiên tiến đã được nghiên cứu, đặc biệt là việc sử dụng các chất keo tổng hợp như các dẫn xuất polyacrylamide (PAM) [10]. Những chất keo này nâng cao hiệu quả đông tụ thông qua cơ chế trung hòa điện tích và cầu nối, hiệu quả trong việc tập hợp các hạt mịn và tăng tốc độ lắng đọng. Điều này không chỉ cải thiện độ trong và độ tinh khiết của nước ép mà còn tăng cường thu hồi đường, giảm thời gian chế biến, giảm tiêu thụ năng lượng và nâng cao hiệu quả sản xuất tổng thể và lợi nhuận. Hơn nữa, việc làm trong hiệu quả giảm bớt gánh nặng cho các quy trình hạ nguồn như lọc và bay hơi, dẫn đến cải thiện. Tuy nhiên, những lo ngại về sự tồn tại môi trường và khả năng độc hại tiềm tàng của các chất keo tổng hợp đã dẫn đến sự quan tâm ngày càng tăng đối với các lựa chọn tự nhiên và dựa trên sinh học.

Các chất keo tụ polymer tự nhiên đã trở nên ngày càng phổ biến trong việc xử lý nước và nước thải trong những năm gần đây do tính không độc hại và khả năng phân hủy sinh học của chúng. Các chất keo tụ có nguồn gốc từ các biopolymer tự nhiên được ưa chuộng hơn so với các chất tổng hợp để ngăn ngừa ô nhiễm sinh khối cũng như bền vững hơn hoặc thân thiện với môi trường. Các chất keo tụ sinh khối đã trở thành một danh mục quan trọng trong các chất keo tụ hữu cơ đã phát triển và được áp dụng [11]. Những chất keo tụ này thường là bán tổng hợp, được sản xuất bằng cách tái tổ hợp phân tử và các kỹ thuật biến đổi khác sử dụng các chất nền sinh khối thải làm nguyên liệu thô. Chúng tận dụng các nguồn tài nguyên tái tạo và rất hiệu quả trong việc xử lý nước thải công nghiệp, phù hợp với khái niệm “Kiểm soát ô nhiễm với chất thải.” Cách tiếp cận này có ý nghĩa thực tiễn đáng kể [12]. Tuy nhiên, việc phát triển các chất keo tụ sinh khối vẫn là một thách thức chính trong việc tách hạt. Cần có nỗ lực để khám phá và phát triển các nguyên liệu thô mới, chẳng hạn như cellulose [13], lignin [14], chitosan [15], và các dẫn xuất của chúng, là những nguồn tài nguyên sinh học bền vững và thân thiện với môi trường.

Vật liệu nano cellulose (CNMs) đã nổi lên như một chất hấp thụ tuyệt vời cho các chất ô nhiễm trong nước. Khác với các vật liệu thông thường, chúng mang lại những lợi thế như diện tích bề mặt riêng cao, hóa học bề mặt đa dạng, ổn định môi trường và khả năng tái tạo [16]. Các chất hấp thụ truyền thống thường thể hiện hiệu suất và khả năng hấp thụ thấp do diện tích bề mặt hoặc các vị trí hoạt động hạn chế cho việc hấp thụ [17]. Bằng cách giảm kích thước chất hấp thụ xuống quy mô nano, diện tích bề mặt riêng tăng lên đáng kể [18], và khoảng cách khuếch tán trong hạt ngắn hơn càng nâng cao hiệu suất hấp thụ. Thêm vào đó, tiềm năng mạnh mẽ cho việc sửa đổi hóa học bề mặt [19] cho phép giới thiệu nhiều vị trí hoạt động. Là những vật liệu sinh học tái tạo, phong phú và không gây hại cho môi trường, CNMs mang đến một giải pháp bền vững với tác động môi trường tối thiểu. CNMs có thể giúp giảm chi phí và nâng cao hiệu suất bằng cách tối ưu hóa nguyên liệu thô và các phương pháp tiền xử lý. Thông thường, những vật liệu nano này được chiết xuất từ các nguồn cellulose tinh khiết, chẳng hạn như sợi cellulose, nơi các thành phần không phải cellulose (chủ yếu là lignin) được loại bỏ [20]. Quy trình này thường liên quan đến các bước tẩy trắng phức tạp và nguy hiểm. Một phương pháp bền vững hơn liên quan đến việc sản xuất vật liệu nano trực tiếp từ nguyên liệu thô lignocellulosic bằng cách sử dụng ít hoặc không có xử lý hóa học, đảm bảo việc sử dụng đầy đủ lignocellulose. Kết quả là, sợi nano lignocellulose (LCNFs) đã nổi lên như một sự thay thế bền vững cho CNMs đã được tẩy trắng.

Nhiều nghiên cứu đã sử dụng cellulose biến đổi với cả điện tích âm và điện tích dương như là chất keo tụ trong việc tách hạt ra khỏi nước [[21], [22], [23], [24]]. Phương pháp đồng polymer hóa ghép đã được chứng minh là một phương pháp hiệu quả và đơn giản để biến đổi cellulose [25]. Dưới điều kiện nhẹ, cellulose có thể phản ứng với các monome chứa olefin, cho phép biến đổi có mục tiêu để giới thiệu các nhóm chức mong muốn và chuẩn bị các chất keo tụ, từ đó tăng cường hiệu ứng hấp phụ và cầu nối [26]. Hiện tại, các phương pháp khởi đầu polymer hóa được sử dụng rộng rãi bao gồm nhiệt, bức xạ, vi sóng và khởi đầu bằng ánh sáng [27]. Trong ghép truyền thống, các chất khởi đầu hóa học được sử dụng để tạo ra các vị trí gốc tự do trên polymer trong một bầu khí quyển trơ, nơi các monome có thể gắn vào và hình thành các chuỗi ghép. Tuy nhiên, phương pháp này gặp phải vấn đề về khả năng tái sản xuất thấp, khiến nó không phù hợp cho sản xuất thương mại quy mô lớn [28]. Ngược lại, ghép hỗ trợ bằng vi sóng sử dụng bức xạ điện từ để tạo ra các gốc tự do thông qua các chất khởi đầu redox, giảm đáng kể năng lượng kích hoạt trong khi tăng tốc độ phản ứng và hiệu suất năng lượng [29]. Không giống như gia nhiệt truyền thống, bức xạ vi sóng kích thích chọn lọc các liên kết phân cực mà không phá vỡ xương sống polymer không phân cực, từ đó bảo tồn tính toàn vẹn cấu trúc [30]. Hơn nữa, sự kết hợp giữa bức xạ vi sóng với các chất khởi đầu hóa học nâng cao hiệu quả ghép so với các phương pháp truyền thống. Ghép khởi đầu bằng vi sóng cũng nhanh hơn, tiết kiệm hơn và thân thiện với môi trường, với tỷ lệ chuyển đổi monome cao hơn, khiến nó trở thành một lựa chọn vượt trội để biến đổi cellulose [28]. Trong bối cảnh này, Mishra et al. [31] đã tổng hợp tinh bột polyacrylamide-ghép như một chất keo tụ cho huyền phù kaolin bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng. Ghosh et al. [32] đã ghép acrylamide vào polysaccharide hạt me bằng cách sử dụng phương pháp hỗ trợ vi sóng để loại bỏ kaolin khỏi nước. Họ cho biết rằng tổng hợp bằng vi sóng nâng cao hiệu quả chất keo tụ bằng cách bảo tồn độ cứng của xương sống polysaccharide, đạt được ghép cao hơn thông qua sự kết hợp đồng bộ giữa mở vòng thông qua khởi đầu gốc tự do và ghép mà không mở vòng, điều này kéo dài các chuỗi polymer để cải thiện khả năng bắt giữ chất ô nhiễm. Wu et al. [33] đã chuẩn bị một chất keo tụ dựa trên chitosan bằng cách sử dụng polymer hóa hỗ trợ vi sóng cho việc điều chỉnh và tách nước bùn. Zeng et al. [28] đã sử dụng tổng hợp hỗ trợ vi sóng cho chất keo tụ sinh học mới từ dextran và chitosan để loại bỏ kaolin. Sen et al. [34] đã ghép poly(2-hydroxyethylmethacrylate) vào agar bằng phương pháp hỗ trợ vi sóng cho xử lý nước thải. Tuy nhiên, theo như chúng tôi biết, có rất ít báo cáo về tổng hợp chất keo tụ sinh học hỗ trợ vi sóng dựa trên LCNFs.

Nghiên cứu này nhằm phát triển một chất keo tụ thân thiện với môi trường được chiết xuất từ LCNFs dưới các điều kiện tổng hợp khác nhau bằng cách sử dụng nhiệt độ hỗ trợ vi sóng. Chất keo tụ mới dựa trên LCNF mang tên PAM@LCNF (P@L) được phát triển bằng cách ghép nối PAM cation, tổng hợp từ acrylamide và [2-(Methacryloyloxy)ethyl] trimethylammonium chloride, lên LCNFs. Độ ổn định nhiệt, cấu trúc tinh thể, nhóm chức, mật độ điện tích, hình thái và các thuộc tính điện tử của hệ thống P@L đã được phân tích. Hiệu suất keo tụ của chất keo tụ được tổng hợp, bao gồm hiệu quả và cơ chế của nó trong việc xử lý huyền phù halloysite, kaolin, và để làm trong nước mía.