Industrial mineral suspension treatment with alkali dissolved cellulose-based flocculants

In der Bergbauindustrie hinterlässt der Prozess der Gewinnung wertvoller Mineralien aus Gestein oft einen trüben Schlamm aus Wasser und winzigen, hartnäckigen Partikeln. Diese feinen Sprenkel aus Mineralstaub sind schwierig zu handhaben; sie weigern sich, natürlich zu sinken, wodurch das Wasser trüb bleibt und verhindert, dass es in die Fabrik zurückgeführt werden kann. Wenn dieses trübe Wasser in die Umwelt geleitet wird, kann es das Sonnenlicht blockieren, das die Flussbetten erreicht, und das Leben im Wasser schädlich beeinflussen. Um dies zu lösen, fügen Ingenieure traditionell synthetische Chemikalien namens Flockungsmittel hinzu. Dies sind langkettige Moleküle, die wie ein Netz wirken, die schwebenden Partikel einfangen und sie zu größeren Klumpen verbinden, die schnell absinken. Diese herkömmlichen Chemikalien bestehen jedoch aus Kunststoffen, die nur sehr langsam abgebaut werden und mit toxischen Inhaltsstoffen hergestellt werden, was ein neues Umweltproblem schafft, während man versucht, ein altes zu lösen.

Forscher der Aalto-Universität in Finnland haben einen anderen Weg eingeschlagen und sich einem Material zugewandt, das reichlich vorhanden, erneuerbar und leicht abbaubar ist: Cellulose. Dies ist der Hauptstrukturbestandteil pflanzlicher Zellwände, der in allem von Baumwolle bis hin zu Holz vorkommt. Das Team untersuchte, ob das Lösen von Cellulose in einer starken alkalischen Lösung als grüne Alternative zu synthetischen Flockungsmitteln dienen könnte. Sie testeten diesen Ansatz bei drei verschiedenen Arten von Mineralgemischen: einer Labor-Suspension von Talk, einem Wasserstrom, der aus einem Verdickerbehälter überläuft, und einem Abwasserstrom aus einem Flotationsprozess. Ihr Ziel war es zu sehen, ob diese pflanzliche Lösung das Wasser so effektiv klären kann wie die synthetischen Optionen, ohne dabei schädliche Rückstände zu hinterlassen.

Die Wissenschaftler bereiteten ihre Flockungsmittel vor, indem sie zwei Formen von Cellulose verwendeten: eine, die aus Standard-Baumwolllinsen gewonnen wurde, und eine andere, die aus entsorgten Polyester-Baumwoll-Textilmischgeweben zurückgewonnen wurde. Sie lösten diese Materialien in einer Natriumhydroxidlösung auf, ein Prozess, der die starre Struktur der Cellulosefasern in einen flüssigen Zustand aufbricht. Um die Leistung zu verbessern, behandelten sie einige der Cellulose zudem mit einer Phosphatverbindung, einer chemischen Modifikation, die darauf abzielt, die Art und Weise zu verändern, wie die Moleküle mit den Mineralpartikeln interagieren. Sie mischten diese Lösungen dann mit den Mineralsuspensionen und beobachteten, wie schnell das Wasser klar wurde.

Die Ergebnisse zeigten, dass die Cellulose-basierten Behandlungen bemerkenswert gut funktionierten. In den Labortests mit reinem Talk reduzierte die Zugabe der Cellulose-Lösung die Trübung des Wassers innerhalb von zehn Minuten um mehr als 99,8 Prozent. Die phosphatbehandelte Version der Cellulose schnitt etwas besser ab, insbesondere in der ersten Minute des Absinkens, was darauf hindeutet, dass die chemische Modifikation den Molekülen half, die Mineralpartikel schneller zu greifen. Als das Team zu realen Proben aus einer finnischen Mine überging, waren die Ergebnisse gleichermaßen vielversprechend. Für den Verdicker-Überlauf, der mit einem moderaten Grad an Trübung begann, klärte eine winzige Menge der phosphatbehandelten Cellulose-Lösung das Wasser signifikant und reduzierte die Trübung nach nur zehn Minuten um nahezu 97,5 Prozent. Für die viel schmutzigeren Flotationsrückstände war eine höhere Dosis des Flockungsmittels erforderlich, aber es gelang dennoch, das Wasser so weit zu klären, dass die Trübung um 99,9 Prozent reduziert wurde.

Eine wichtige Entdeckung in der Studie war die Rolle der alkalischen Lösung selbst. Da die Cellulose in einer starken Base gelöst ist, erhöht das Hinzufügen des Flockungsmittels auch den pH-Wert des Wassers. Die Forscher fanden heraus, dass diese Veränderung des Säuregrades, kombiniert mit dem Vorhandensein von Magnesiumionen, die bereits im Wasser vorhanden waren, dazu beitrug, dass die Mineralpartikel bereits verklumpten, bevor die Cellulosefasern die Oberhand übernahmen. Dies deutet darauf hin, dass das gesamte Gemisch als zweckgebundenes Werkzeug fungiert, bei dem das chemische Milieu und die physischen Fasern zusammenwirken, um den Absinkprozess zu beschleunigen.

Um zu verstehen, wie dies tatsächlich geschieht, untersuchten die Forscher die abgesetzten Feststoffe unter einem leistungsstarken Mikroskop. Die Bilder enthüllten, dass die Cellulose, während sie sich mit dem Wasser vermischte und dann wieder zu einer festen Form regenerierte, eine physische Brücke zwischen den Mineralpartikeln schuf. Die Cellulose beschichtete die Partikel nicht nur; sie bildete eine poröse, netzartige Struktur, die die glatten Mineralplättchen verwebte und sie zu größeren, schwereren Klumpen band, die schnell absinken konnten. Dieser physikalische Brückenmechanismus scheint die primäre Art und Weise zu sein, wie das pflanzliche Material das Wasser reinigt.

Die Studie befasste sich auch mit der Praktikabilität der Verwendung recycelter Materialien. Die Cellulose, die aus alten Polyester-Baumwoll-Kleidungsstücken extrahiert wurde, schnitt genauso gut ab wie die hochreine Cellulose, die von einem chemischen Lieferanten bezogen wurde. Dies deutet darauf hin, dass Textilabfälle eine lebensfähige Quelle für diese Flockungsmittel sein könnten, vorausgesetzt, die winzigen Polyesterfasern werden während des Prozesses herausgefiltert, um zu verhindern, dass sie als Mikroplastik wieder in das Wasser gelangen. Während die Verwendung der alkalischen Lösung eine kleine Menge Säure erfordert, um das Wasser danach zu neutralisieren, merkten die Forscher an, dass der Kompromiss in einem Wechsel von der Verwendung persistenter synthetischer Kunststoffe zu einem sicheren, biologisch abbaubaren Polymer besteht. Die resultierenden Klumpen aus Mineralien und Cellulose könnten potenziell als Füllmaterialien in Papierprodukten verwendet werden, wodurch ein Bergbauabfallstrom in eine Ressource verwandelt wird. Die Arbeit zeigt, dass ein einfacher, pflanzlicher Ansatz effektiv das schwierige Problem der Klärung industrieller Mineralwässer angehen kann und somit eine nachhaltige Alternative zu den derzeit verwendeten synthetischen Chemikalien bietet.