Funktionaliseret chitosan som et biobaseret flokkuleringsmiddel til behandling af komplekst spildevand

Forskere ved Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB har udviklet et biobaseret og funktionaliseret flokkuleringsmiddel til effektivt at behandle komplekst spildevand. Ydermere fjernes giftige phenoler fra vandet af enzymet laccase i en chitosanmatrix. Det funktionaliserede og nedbrydelige flokkuleringsmiddel LaChiPur vil blive præsenteret for første gang ved IFAT i München, der afholdes 13.-17. maj 2024.

Gennem flokkulering fjernes de fineste faste urenheder under spildevandsrensning og vandbehandling. Flokkuleringsmidler får suspenderede faste stoffer til at agglomerere til større flokke, som synker til bunds eller kan filtreres - vandet bliver klart igen.

Uorganiske metalsalte, såsom jern- eller aluminiumsulfater og -chlorider, bruges ofte til at fjerne humusstoffer i drikkevandsbehandling, til at behandle procesvand under papirproduktion eller til at udfælde fosfor i kommunale spildevandsrensningsanlæg. I nogle tilfælde er polymerflokkuleringsmidler, syntetiske polymerer fremstillet af fossile ressourcer, desuden inkluderet.

Den åbenlyse ulempe ved konventionelle metoder:På grund af de tilsatte kemikalier eller polymerer kan det resulterende slam ikke genbruges og skal bortskaffes med store omkostninger.

Det er grunden til, at forskere ved Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB vendte sig mod naturlig og fuldstændig bionedbrydelig chitosan. Dette opnås fra fornyeligt kitin, som er indeholdt som en strukturel komponent i skallerne på krebsdyr, skaller og skind fra insekter og i svampe, hvilket gør kitin til en af ​​de mest almindelige naturlige polymerer på jorden - kun næst efter plantebaseret cellulose.

Ny teknologi med naturlige biobaserede råvarer

Chitosan-baserede vandbehandlingskemikalier er allerede tilgængelige til rensning af svømmebassiner og damme. Fraunhofer-forskere tager imidlertid denne tilgang et skridt videre ved yderligere at funktionalisere chitosan med enzymet laccase. Enzymet findes i forskellige planter, svampe og bakterier.

I naturen er laccaser involveret i både at forbinde aromatiske monomerer til dannelse af lignin og i dets fjernelse. På grund af deres evne til at oxidere phenoler og andre phenoliske stoffer er de i høj efterspørgsel til forskellige industrielle anvendelser, hvad enten det er under fjernelse af giftige phenoler i frugtjuice, affarvning af tekstilspildevand eller fjernelse af forurenende stoffer i vand og jord.

"Vores idé var, at laccase - bundet til chitosan som en matrix - også kunne være velegnet til komplekst spildevand, som dem, der genereres under produktionen af ​​vin eller olivenolie," siger Dr. Thomas Hahn, som har forskning hos Fraunhofer IGB omfatter rensning af chitin fra en lang række affaldsstrømme og dets efterfølgende omdannelse til chitosan.

Efter druehøsten når de kommunale spildevandsrensningsanlæg hurtigt deres grænser, når tre til fire gange den normale mængde spildevand når de overvejende små spildevandsrensningsanlæg i landdistrikterne i vindyrkningsområder.

"Fenolerne i spildevandet har en giftig effekt på bakterierne i beluftningstanken. Som følge heraf skal beluftningen øges, hvilket øger spildevandsrensningsanlæggets energikrav markant," siger Marc Beckett, ekspert i vandhåndtering. og vandbehandling på IGB.

I olivenoliemøller opbevares spildevand fra vask og olieudvinding ofte store opsamlingsdamme, hvor vandet fordamper med tiden og efterlader et slam, der er giftigt for flora og fauna.

Idéen blev til et toårigt Fraunhofer-forskningsprojekt. IGB-teamet samarbejdede med Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research IAP i Potsdam, som arbejdede på funktionalisering af chitosan med laccase.

For at kunne teste effekten af ​​chitosan funktionaliseret med laccase ved hjælp af ægte spildevand, etablerede forskere ved IGB først den tilsvarende metode og analyser. "En af udfordringerne var at bringe den polymere chitosan i opløsning, så den kunne doseres som et flokkuleringsmiddel og udvikle dens virkning ved at binde polyfenoler og tanniner," husker Hahn.

"Da et let surt miljø er ideelt for laccase, opnåede vi straks meget lovende resultater for det typiske spildevand fra vin- eller olivenolieproduktion," siger kemikeren.

Fenoliske stoffer fjernes også

"Vores teknologi opnår en flokkuleringsydelse for komplekst agroindustrielt spildevand, der kan sammenlignes med konventionelt anvendte koaguleringsmidler indeholdende metalsalte eller syntetiske polymerflokkuleringsmidler. LaChiPur, som vi kalder vores funktionaliserede produkt, er dog fuldstændig biobaseret og derfor biologisk nedbrydeligt," opsummerer vi. Beckett, biolog og miljøforsker.

Kombinationen med laccase viste sig at være en reel fordel med dette spildevand, da det funktionaliserede chitosan kan bruges som flokkuleringsmiddel, og samtidig oxiderer og polymeriserer phenoler.

Lokal produktion og forskellige applikationer

Yderligere fordele ved den nye miljøvenlige teknologi:Råvaren kitin produceres lokalt i store mængder som affald i fødevare- eller bioteknologiindustrien. Dette sikrer økonomisk produktion og forsyningssikkerhed – uden afhængighed af sammenflettede internationale forsyningskæder. Hvis det nedbrydelige slam, der produceres efter flokkulering, fermenteres i rensningsanlæg, kan det endda øge biogasudbyttet markant.

"Takket være vores tværfaglige ekspertise kan vi nu undersøge spildevand og procesvand produceret i industrivirksomheder i vores laboratorium for at se, hvordan vandet behandlet med LaChiPur renses," siger Hahn og Beckett.

Baseret på de første lovende resultater ønsker forskerne også at optimere deres teknologi yderligere med små og mellemstore virksomheder, der sælger eller fremstiller flokkuleringsmidler, overføre det til en større skala og bringe det i industriel anvendelse.

"LaChiPur er desuden velegnet som filtermateriale og har bundfældningsegenskaber. Vi søger også at videreudvikle vores produkt til anvendelse i fosforudfældning. På grund af dets egenskaber er det også af interesse til rensning af tekstilspildevand eller til brug i drikkevand. vandbehandling," er IGB-forskerne overbeviste.

Fra den 13.-17. maj 2024 vil de præsentere LaChiPur på Fraunhofer Water Systems Alliances (SysWasser) fælles stand i hal B2, stand 338 på IFAT i München.

Leveret af Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB