Chitosan-Abwasserbehandlung

In konventionellen Wasseraufbereitungsanlagen werden hauptsächlich Aluminium- und Eisensalze als Flockungsmittel eingesetzt. Die im aufbereiteten Wasser verbleibenden Aluminiumsalze können die menschliche Gesundheit gefährden, und die Eisenrückstände können die Wasserfarbe beeinflussen. In der Abwasserbehandlung ist es zudem schwierig, Probleme der Sekundärverschmutzung, wie große Schlammmengen und deren Entsorgung, zu bewältigen. Daher ist die Suche nach natürlichen Produkten, die keine Sekundärverschmutzung verursachen und Aluminium- und Eisensalze als Flockungsmittel ersetzen können, für die Umsetzung nachhaltiger Entwicklungsstrategien unerlässlich. Natürliche Polymerflockungsmittel haben aufgrund ihrer reichlich vorhandenen Rohstoffe, ihres niedrigen Preises, ihrer guten Selektivität, der geringen Dosierung, ihrer Sicherheit und Ungiftigkeit sowie ihrer vollständigen biologischen Abbaubarkeit viel Aufmerksamkeit erregt. Nach jahrzehntelanger Entwicklung ist eine Vielzahl natürlicher Polymerflockungsmittel mit unterschiedlichen Eigenschaften und Anwendungsgebieten entstanden. Stärke, Lignin, Chitosan und Pflanzenleim werden derzeit häufig eingesetzt.

ChitosanEigenschaften

Chitosan ist ein weißes, amorphes, durchscheinendes, flockiges Feststoffpulver, das in Wasser unlöslich, aber in Säure löslich ist und durch Deacetylierung von Chitin entsteht. Im Allgemeinen spricht man von Chitosan, wenn mehr als 55 % der N-Acetylgruppen im Chitin entfernt wurden. Chitin ist Hauptbestandteil der Exoskelette von Tieren und Insekten und nach Cellulose die zweithäufigste natürliche organische Verbindung der Erde. Als Flockungsmittel ist Chitosan natürlich, ungiftig und biologisch abbaubar. Die Makromolekülkette von Chitosan weist zahlreiche Hydroxyl-, Amino- und N-Acetylaminogruppen auf, die in sauren Lösungen kationische Polyelektrolyte mit hoher Ladungsdichte bilden und über Wasserstoffbrückenbindungen oder Ionenbindungen netzartige Strukturen ausbilden können. Dadurch werden viele toxische und schädliche Schwermetallionen komplexiert und eliminiert. Chitosan und seine Derivate finden vielfältige Anwendung, nicht nur in der Textil-, Druck- und Färbeindustrie, der Papierherstellung, der Medizin, der Lebensmittel-, Chemie-, Biologie- und Landwirtschaft sowie vielen anderen Bereichen, sondern auch in der Wasseraufbereitung. Dort werden sie als Adsorptionsmittel, Flockungsmittel, Fungizide, Ionenaustauscher, Membranpräparate usw. eingesetzt. Aufgrund seiner einzigartigen Vorteile in der Wasserversorgung und -aufbereitung ist Chitosan von der US-Umweltschutzbehörde (EPA) als Trinkwasserreinigungsmittel zugelassen.

Anwendung vonChitosanin der Wasseraufbereitung

(1) Entfernung von Schwebstoffen im Gewässer. In natürlichem Wasser entsteht aufgrund des Vorhandenseins von Tonbakterien etc. ein negativ geladenes Kolloidsystem. Als langkettiges kationisches Polymer kann Chitosan die Doppelfunktion der elektrischen Neutralisation und Koagulation sowie der Adsorption und Brückenbildung erfüllen und hat eine starke Koagulationswirkung auf Schwebstoffe. Im Vergleich zu den traditionellen Flockungsmitteln Alaun und Polyacrylamid weist Chitosan eine bessere Klärwirkung auf. RAVID et al. untersuchten die Wirkung der Flockungsbehandlung von Kaolin-Wasser bei einem Chitosan-pH-Wert von 5-9 und stellten fest, dass die Flockung stark vom pH-Wert beeinflusst wird. Der optimale pH-Wert für die Trübungsentfernung liegt bei 7,0-7,5. Bei einer Flockungsmittelkonzentration von 1 mg/L übersteigt die Trübungsentfernungsrate 90 %, die Flocken sind grob und bilden sich schnell. Die gesamte Flockungssedimentationszeit beträgt maximal 1 Stunde. Bei sinkendem oder steigendem pH-Wert nimmt die Flockungseffizienz ab, was darauf hindeutet, dass Chitosan nur in einem sehr engen pH-Bereich eine gute Polymerisation mit Kaolinpartikeln eingehen kann. Einige Studien haben gezeigt, dass der geeignete pH-Bereich bei der Behandlung von flockulierter Bentonitsuspension mit Chitosan breit ist. Daher ist es bei trübem Wasser mit kaolinähnlichen Partikeln notwendig, eine geeignete Menge Bentonit als Koagulans zuzusetzen, um die Polymerisation zu verbessern.Chitosanauf den Partikeln. Später stellten Ravid et al. fest, dass

Enthält die Kaolin- oder Titandioxidsuspension Humus, lässt sich dieser leicht mit Chitosan ausflocken und ausfällen, da der negativ geladene Humus an der Partikeloberfläche anhaftet und die pH-Wert-Einstellung erleichtert. Chitosan zeigte auch in natürlichen Gewässern mit unterschiedlicher Trübung und Alkalinität hervorragende Flockungseigenschaften.

(2) Algen und Bakterien aus dem Gewässer entfernen. In den letzten Jahren haben Forscher im Ausland begonnen, die Adsorption und Flockung von Chitosan an biologischen Kolloidsystemen wie Algen und Bakterien zu untersuchen. Chitosan entfernt Süßwasseralgen wie Spirulina, Oscillator-Algen, Chlorella und Blaualgen. Studien haben gezeigt, dass die Entfernung von Süßwasseralgen bei einem pH-Wert von 7 am effektivsten ist; für Meeresalgen ist ein niedrigerer pH-Wert erforderlich. Die geeignete Chitosan-Dosierung hängt von der Algenkonzentration im Gewässer ab. Je höher die Algenkonzentration, desto mehr Chitosan muss zugegeben werden, und eine höhere Dosierung führt tendenziell zu einer schnelleren Flockung und Ausfällung. Die Trübung kann als Maß für die Algenentfernung dienen. Bei einem pH-Wert von 7 beträgt die empfohlene Konzentration 5 mg/L.Chitosankann 90% der Trübung im Wasser entfernen, und je höher die Algenkonzentration, desto gröber die Flockenpartikel und desto besser die Sedimentationsleistung.

Die mikroskopische Untersuchung zeigte, dass die durch Flockung und Sedimentation entfernten Algen lediglich aggregiert und verklebt waren und sich weiterhin in einem intakten und aktiven Zustand befanden. Da Chitosan keine negativen Auswirkungen auf die im Wasser vorkommenden Organismen hat, kann das behandelte Wasser – anders als bei anderen synthetischen Flockungsmitteln zur Wasseraufbereitung – weiterhin für die Süßwasseraquakultur verwendet werden. Der Mechanismus der Entfernung von Bakterien durch Chitosan ist relativ komplex. Untersuchungen zur Flockung von Escherichia coli mit Chitosan ergaben, dass der Mechanismus der unausgeglichenen Wasserstoffbrückenbindung der Hauptmechanismus des Flockungssystems ist und Chitosan Wasserstoffbrückenbindungen an Zelltrümmern ausbildet. Eine weitere Studie zeigte, dass die Effizienz der Chitosan-Flockung von E. coli nicht nur von der Aufladbarkeit des Dielektrikums, sondern auch von dessen hydraulischer Dimension abhängt.

(3) Entfernung von Restaluminium und Reinigung von Trinkwasser. Aluminiumsalze und Polyaluminium-Flockungsmittel werden häufig in der Trinkwasseraufbereitung eingesetzt. Die Verwendung von Aluminiumsalz-Flockungsmitteln kann jedoch zu einem erhöhten Aluminiumgehalt im Trinkwasser führen. Restaluminium im Trinkwasser stellt ein ernsthaftes Gesundheitsrisiko dar. Obwohl auch Chitosan Rückstände im Wasser hinterlassen kann, ist dies aufgrund seiner natürlichen, ungiftigen und alkalischen Natur als Aminopolysaccharid nicht schädlich für den menschlichen Körper und kann in nachfolgenden Aufbereitungsprozessen entfernt werden. Darüber hinaus kann die kombinierte Anwendung von Chitosan mit anorganischen Flockungsmitteln wie Polyaluminiumchlorid den Gehalt an Restaluminium reduzieren. Daher bietet Chitosan in der Trinkwasseraufbereitung Vorteile, die andere synthetische organische Polymerflockungsmittel nicht ersetzen können.

Anwendung von Chitosan in der Abwasserbehandlung

(1) Metallionen entfernen. Die Molekülkette vonChitosanChitosan und seine Derivate enthalten zahlreiche Amino- und Hydroxylgruppen und wirken daher chelatbildend auf viele Metallionen. Es kann Schwermetallionen in Lösung effektiv adsorbieren oder binden. Catherine A. Eiden und andere Studien haben gezeigt, dass die Adsorptionskapazität von Chitosan für Pb²⁺ und Cr³⁺ (bezogen auf Chitosan) 0,2 mmol/g bzw. 0,25 mmol/g beträgt und somit eine hohe Adsorptionskapazität aufweist. Zhang Ting'an et al. verwendeten deacetyliertes Chitosan zur Kupferentfernung durch Flockung. Die Ergebnisse zeigten, dass bei einem pH-Wert von 8,0 und einer Kupferionenkonzentration in der Wasserprobe unter 100 mg/L die Kupferentfernungsrate über 99 % lag. Selbst bei einer Konzentration von 400 mg/L entsprach die Kupferionenkonzentration in der Restflüssigkeit noch den nationalen Abwassereinleitungsnormen. Ein weiteres Experiment bewies, dass bei einem pH-Wert von 5,0 und einer Adsorptionszeit von 2 Stunden die Entfernungsrate von Chitosan zu Ni2+ in der Adsorptionschemikalie Nickelplattierungsabfallflüssigkeit 72,25% erreichen konnte.

(2) Behandlung von proteinreichem Abwasser, wie z. B. Lebensmittelabwasser. Bei der Lebensmittelverarbeitung fallen Abwässer mit einem hohen Gehalt an Schwebstoffen an. Das Chitosanmolekül enthält Amid-, Amino- und Hydroxylgruppen. Durch die Protonierung der Aminogruppe wirkt es als kationisches Polyelektrolyt, das nicht nur Schwermetalle chelatisiert, sondern auch negativ geladene Feinstpartikel im Wasser effektiv ausflockt und adsorbiert. Chitin und Chitosan können über Wasserstoffbrückenbindungen Komplexe mit Proteinen, Aminosäuren, Fettsäuren usw. bilden. Fang Zhimin et al. verwendetenChitosanAluminiumsulfat, Eisen(III)-sulfat und Polypropylenphthalamid werden als Flockungsmittel zur Proteinrückgewinnung aus Abwässern der Fischverarbeitung eingesetzt. Es lassen sich hohe Proteinrückgewinnungsraten und eine gute Lichtdurchlässigkeit des Abwassers erzielen. Da Chitosan selbst ungiftig ist und keine Sekundärverschmutzung verursacht, kann es zur Rückgewinnung wertvoller Substanzen wie Protein und Stärke aus Abwässern von Lebensmittelverarbeitungsbetrieben für die Weiterverarbeitung und Wiederverwendung, beispielsweise als Tierfutterzusatz, genutzt werden.

(3) Behandlung von Abwässern aus der Druck- und Färbereiindustrie. Abwässer aus der Druck- und Färbereiindustrie fallen bei der Vorbehandlung, dem Färben, Bedrucken und der Veredelung von Baumwolle, Wolle, Chemiefasern und anderen Textilprodukten an. Sie enthalten üblicherweise Salze, organische Tenside und Farbstoffe und weisen komplexe Zusammensetzungen, hohe Farbsättigung und einen hohen CSB-Wert auf. Aufgrund ihrer antioxidativen und biologischen Abbaubarkeit sind sie äußerst schädlich für die menschliche Gesundheit und die Umwelt. Chitosan enthält Amino- und Hydroxylgruppen und besitzt eine starke Adsorptionswirkung auf Farbstoffe. Diese Adsorption erfolgt durch physikalische, chemische und Ionenaustausch-Adsorption, hauptsächlich über Wasserstoffbrückenbindungen, elektrostatische Anziehung, Ionenaustausch, Van-der-Waals-Kräfte und hydrophobe Wechselwirkungen. Die Molekülstruktur von Chitosan enthält zudem zahlreiche primäre Aminogruppen, die durch Koordinationsbindungen einen hervorragenden Polymer-Chelatbildner bilden. Dieser agglutiniert Farbstoffe im Abwasser, ist ungiftig und verursacht keine Sekundärverschmutzung.

(4) Anwendung bei der Schlammentwässerung. Derzeit wird in den meisten städtischen Kläranlagen kationisches Polyacrylamid zur Schlammbehandlung eingesetzt. In der Praxis hat sich gezeigt, dass dieses Mittel eine gute Flockungswirkung erzielt und die Schlammentwässerung erleichtert. Allerdings sind seine Rückstände, insbesondere Acrylamidmonomer, stark krebserregend. Daher ist die Suche nach Alternativen von großer Bedeutung. Chitosan ist ein wirksames Schlammkonditionierungsmittel, das die Bildung von Bakterienmizellen im Belebtschlamm fördert. Diese können negativ geladene Schwebstoffe und organische Substanzen in der Lösung agglomerieren und so die Reinigungsleistung des Belebtschlammverfahrens verbessern. Studien haben gezeigt, dass das Polyaluminiumchlorid/Chitosan-Kompositflockungsmittel nicht nur eine deutliche Wirkung bei der Schlammkonditionierung aufweist, sondern im Vergleich zur Verwendung von PAC oder Chitosan allein auch den spezifischen Schlammwiderstand zuerst senkt und eine höhere Filtrationsrate ermöglicht. Es wirkt schnell und ist ein besseres Konditionierungsmittel. Darüber hinaus wurden drei Arten von Carboxymethylchitosan (N-Carboxymethylchitosan, N,O-Carboxymethylchitosan und O-Carboxymethylchitosan) als Flockungsmittel verwendet. Die Entwässerungsleistung des Schlamms wurde getestet, und es zeigte sich, dass die gebildeten Flocken fest und nicht leicht zu zerbrechen waren, was darauf hindeutet, dass die Wirkung des Flockungsmittels auf die Schlammentwässerung deutlich besser war als die von herkömmlichen Flockungsmitteln.

ChitosanChitosan und seine Derivate sind ressourcenreich, natürlich, ungiftig, biologisch abbaubar und weisen vielfältige Eigenschaften auf. Sie eignen sich als umweltfreundliche Wasseraufbereitungsmittel. Sein Rohstoff, Chitin, ist die zweithäufigste natürliche organische Verbindung der Erde. Daher hat die Entwicklung von Chitosan in der Wasseraufbereitung in den letzten Jahren deutlich an Dynamik gewonnen. Als natürliches Polymer, das Abfall in Wertstoffe verwandelt, findet Chitosan bereits in vielen Bereichen Anwendung. Die Leistungsfähigkeit und der Einsatz heimischer Produkte weisen jedoch im Vergleich zu anderen Industrieländern noch Defizite auf. Mit der Vertiefung der Forschung zu Chitosan und seinen Derivaten, insbesondere zu modifiziertem Chitosan mit hervorragenden Syntheseeigenschaften, steigt sein Anwendungspotenzial stetig. Die Erforschung der Anwendungstechnologie von Chitosan in der Wasseraufbereitung und die Entwicklung umweltfreundlicher Produkte aus Chitosanderivaten mit einem breiteren Anwendungsspektrum eröffnen ein sehr großes Marktpotenzial und vielversprechende Anwendungsperspektiven.

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