Abstract

The chemicals currently used for wastewater treatment are mainly based on synthetic inorganic or organic compounds. Oil-derived polyelectrolytes are used for the removal of colloidal solids from wastewater by flocculation and coagulation, for example, while activated carbon adsorbents are typically used to remove soluble impurities such as heavy metals and recalcitrance organic matter. Many of these chemicals have associated negative health impacts, and use of activated carbon has proved to be expensive. Moreover, the present synthetic chemicals are not readily biodegradable or renewable. Thus there is a high demand for “green” water chemicals which could offer a sustainable solution for achieving high-performance, cheap water purification. Water chemicals of a new type based on nano-scale particles (nanofibrils) derived from cellulose, i.e. nanocelluloses, are examined as possible bio-based chemicals for wastewater treatment. Two anionic nanocelluloses (dicarboxylic acid, DCC, and sulphonated ADAC) were tested as flocculants in the coagulation-flocculation treatment of municipal wastewater, while the flocculation performance of cationic nanocellulose (CDAC) was studied with model kaolin clay suspensions, and nanocelluloses produced from sulphonated wheat straw pulp fines (WADAC) were tested for the adsorption of lead (Pb(II)). The anionic nanocelluloses (DCC and ADAC) showed good performance in treating municipal wastewater in a combined coagulation-flocculation process with a ferric coagulant. In the case of both anionic nanocelluloses the combined treatment resulted in a lower residual turbidity and COD in a settled suspension with highly reduced total chemical consumption relative to coagulation with ferric sulphite alone. Likewise, the CDACs resulted in powerful aggregation of kaolin colloids and maintained effective flocculation performance over wide pH and temperature ranges. The capacity of the nanofibrillated and sulphonated fines cellulosics (WADAC) for the adsorption of Pb(II) was 1.2 mmol/g at pH 5, which is comparable to the capacities of commercial adsorbents.

Tiivistelmä

Jätevesien kemiallinen käsittely pohjautuu pääsääntöisesti synteettisten epäorgaanisten ja orgaanisten kemikaalien käyttöön. Öljypohjaisia polyelektrolyytteja käytetään kolloidisten partikkeleiden poistamiseen jätevesistä koaguloimalla ja flokkuloimalla, kun taas liuenneita epäpuhtauksia, kuten raskasmetalleja, poistetaan useimmiten adsorboimalla ne aktiivihiileen. Synteettiset vesikemikaalit valmistetaan uusiutumattomista luonnonvaroista ja niiden hajoaminen luonnossa voi olla hidasta, minkä lisäksi monet näistä käytetyistä synteettisistä vesikemikaaleista ovat terveydelle haitallisia. Aktiivihiilen käyttö puolestaan on kallista, johtuen sen korkeista valmistus- ja käyttökustannuksista. Uusille ”vihreille vesikemikaaleille, jotka tarjoavat ympäristöystävällisempiä, halpoja sekä tehokkaita ratkaisuja vedenpudistukseen, onkin suuri kysyntä. Tässä työssä selluloosasta valmistettuja nanokokoisia partikkeleita, eli nanoselluloosia, on tutkittu yhtenä varteenotettavana biovaihtoehtona uusiksi kemikaaleiksi jätevesien puhdistukseen. Kahden anionisen nanoselluloosan (dikarboksyyli, DCC, ja sulfonoitu, ADAC) flokkauskykyä testattiin koagulointi-flokkulointi reaktioissa kunnallisen jäteveden puhdistuksessa. Kationisen nanosellun (CDAC) flokkauskykyä tutkittiin puolestaan kaoliinisaven malliliuoksilla ja vehnän korsisellun hienoaineista nanofibrilloimalla sekä sulfonoimalla valmistetuilla (WADAC) nanoselluloosamateriaaleilla testattiin lyijyn (Pb(II)) adsorptiota vesiliuoksista. Anioniset nanoselluloosat (DCC ja ADAC) toimivat tehokkaasti kunnallisen jäteveden flokkauksessa ferri-sulfaatin kanssa yhdistetyissä koagulointiflokkulointi reaktioissa. Yhdistetyissä reaktioissa molemmat anioniset nanoselluloosat vähensivät sameutta sekä COD pitoisuutta laskeutetuissa jätevesinäytteissä huomattavasti pienemmillä kemikaalikulutuksilla paremmin kuin pelkästään ferri-sulfaatilla koaguloitaessa. Myös CDAC:t toimivat tehokkaasti flokkauksessa keräten tehokkaasti kaoliinin kolloidipartikkeleita yhteen laajalla pH- ja lämpötila-alueella. Nanofibrilloidun ja sulfonoidun vehnäsellun hienoaineen (WADAC) adsorptiokapasiteetti lyijylle Pb(II) oli 1.2 mmol/g pH:ssa 5, mikä on verrannollinen kaupallisten adsorptiomateriaalien kapasiteettiin.