Industrial mineral suspension treatment with alkali dissolved cellulose-based flocculants

Nell'industria mineraria, il processo di estrazione di minerali preziosi dalla roccia spesso lascia dietro di sé un fango torbido composto da acqua e particelle minuscole e ostinate. Questi granelli fini di polvere minerale sono difficili da gestire; si rifiutano di depositarsi naturalmente, mantenendo l'acqua torbida e impedendo che venga riciclata nuovamente nella fabbrica. Se quest'acqua torbida viene rilasciata nell'ambiente, può bloccare la luce solare che raggiunge i letti dei fiumi e danneggiare la vita acquatica. Per risolvere questo problema, gli ingegneri tradizionalmente aggiungono prodotti chimici sintetici chiamati flocculanti. Questi sono molecole a catena lunga che agiscono come una rete, catturando le particelle sospese e legandole insieme in grossi grumi che affondano rapidamente. Tuttavia, questi prodotti chimici convenzionali sono realizzati con plastiche che si degradano molto lentamente e sono prodotti utilizzando ingredienti tossici, creando un nuovo problema ambientale mentre si cerca di risolverne uno vecchio.

I ricercatori dell'Università Aalto in Finlandia hanno esplorato una strada diversa, rivolgendosi a un materiale che è abbondante, rinnovabile e si decompone facilmente: la cellulosa. Questa è la componente strutturale principale delle pareti cellulari delle piante, presente in tutto, dal cotone al legno. Il team ha indagato se sciogliere la cellulosa in una forte soluzione alcalina potesse servire come alternativa ecologica ai flocculanti sintetici. Hanno testato questo approccio su tre diversi tipi di miscele minerali: una sospensione di talco di laboratorio, un flusso di acqua che trabocca da un serbatoio di decantazione in una miniera e un flusso di acque reflue da un processo di flottazione. Il loro obiettivo era vedere se questa soluzione a base vegetale potesse chiarificare l'acqua in modo altrettanto efficace rispetto alle opzioni sintetiche, senza lasciare residui nocivi.

Gli scienziati hanno preparato i loro flocculanti utilizzando due forme di cellulosa: una derivata dai comuni linter di cotone e un'altra recuperata da scarti di tessuti misti poliestere-cotone. Hanno sciolto questi materiali in una soluzione di idrossido di sodio, un processo che scompone la struttura rigida delle fibre di cellulosa in uno stato liquido. Per vedere se potevano migliorarne le prestazioni, hanno anche trattato parte della cellulosa con un composto di fosfato, una modifica chimica intesa a cambiare il modo in cui le molecole interagiscono con le particelle minerali. Hanno poi mescolato queste soluzioni con le sospensioni minerali e osservato quanto velocemente l'acqua si chiarificasse.

I risultati hanno mostrato che i trattamenti a base di cellulosa hanno funzionato sorprendentemente bene. Nei test di laboratorio con talco puro, l'aggiunta della soluzione di cellulosa ha ridotto la torbidità dell'acqua di oltre il 99,8 percento entro dieci minuti. La versione di cellulosa trattata con fosfato ha performato leggermente meglio, in particolare nel primo minuto di sedimentazione, suggerendo che la modifica chimica abbia aiutato le molecole ad aggrapparsi alle particelle minerali più rapidamente. Quando il team è passato a campioni reali provenienti da una miniera finlandese, i risultati sono stati altrettanto promettenti. Per l'acqua in eccesso del decantatore, che partiva con un livello di torbidità moderato, una piccola quantità di soluzione di cellulosa trattata con fosfato ha chiarificato significamente l'acqua, riducendo la torbidità di quasi il 97,5 percento dopo soli dieci minuti. Per i residi di flottazione molto più sporchi, era necessaria una dose maggiore di flocculante, ma è riuscito comunque a chiarificare l'acqua a un livello in cui la torbidità è stata ridotta del 99,9 percento.

Una scoperta chiave nello studio è stato il ruolo della soluzione alcalina stessa. Poiché la cellulosa è sciolta in una base forte, l'aggiunta del flocculante aumenta anche il pH dell'acqua. I ricercatori hanno scoperto che questo cambiamento di acidità, combinato con la presenza di ioni magnesio già presenti nell'acqua, ha aiutato le particelle minerali ad aggregarsi anche prima che le fibre di cellulosa prendessero il sopravvento. Ciò suggerisce che l'intera miscela agisca come uno strumento a duplice scopo, dove l'ambiente chimico e le fibre fisiche lavorano insieme per accelerare il processo di sedimentazione.

Per capire come ciò avvenga realmente, i ricercatori hanno utilizzato un potente microscopio per esaminare i solidi depositati. Le immagini hanno rivelato che, man mano che la soluzione di cellulosa si mescolava con l'acqua e poi si rigenerava in una forma solida, creava un ponte fisico tra le particelle minerali. La cellulosa non si limitava a rivestire le particelle; formava una struttura porosa, simile a una ragnatela, che intrecciava le scaglie minerali lisce, legandole in grumi più grandi e pesanti che potevano affondare rapidamente. Questo meccanismo di ponte fisico sembra essere il modo principale in cui il materiale a base vegetale purifica l'acqua.

Lo studio ha affrontato anche la praticità dell'uso di materiali riciclati. La cellulosa estratta da vecchi abiti in poliestere-cotone ha performato altrettanto bene della cellulosa ad alta purezza acquistata da un fornitore chimico. Ciò indica che i tessuti di scarto potrebbero essere una fonte vitale per questi flocculanti, a condizione che le minuscole fibre di poliestere vengano filtrate durante il processo per evitare che rientrino nell'acqua come microplastiche. Sebbene l'uso della soluzione alcalina richieda una piccola quantità di acido per neutralizzare l'acqua successivamente, i ricercatori hanno osservato che il compromesso consiste nel passaggio dall'uso di plastiche sintetiche persistenti a un polimero sicuro e biodegradabile. I grumi risultanti di minerale e cellulosa potrebbero potenzialmente essere utilizzati come materiali di riempimento in prodotti cartacei, trasformando un flusso di rifiuti minerari in una risorsa. Il lavoro dimostra che un approccio semplice, a base vegetale, può affrontare efficacemente il difficile problema di chiarificare le acque minerali industriali, offrendo un'alternare sostenibile ai prodotti chimici sintetici attualmente in uso.