Industrial mineral suspension treatment with alkali dissolved cellulose-based flocculants

In de mijnbouwsector laat het proces van het winnen van waardevolle mineralen uit gesteente vaak een troebele slurry van water en minuscule, hardnekkige deeltjes achter. Deze fijne stofjes van mineraalstof zijn moeilijk te beheren; ze weigeren van nature naar de bodem te zinken, waardoor het water troebel blijft en het niet kan worden gerecycled voor gebruik in de fabriek. Als dit troebele water in het milieu wordt geloosd, kan het zonlicht blokkeren dat de rivierbedding bereikt en het aquatisch leven schaden. Om dit op te lossen, voegen ingenieurs traditioneel synthetische chemicaliën toe die flocculanten worden genoemd. Dit zijn lange moleculaire ketens die fungeren als een net, dat de zwevende deeltjes vangt en ze aan elkaar bindt tot grotere klonten die snel naar beneden zakken. Deze conventionele chemicaliën zijn echter gemaakt van plastics die zeer traag afbreken en geproduceerd worden met giftige ingrediënten, wat een nieuw milieuprobleem creëert terwijl men een oud probleem probeert op te lossen.

Onderzoekers aan de Aalto Universiteit in Finland hebben een ander pad verkend door over te stappen op een materiaal dat overvloedig, hernieuwbaar en gemakkelijk afbreekbaar is: cellulose. Dit is het belangrijkste structurele onderdeel van plantencelwanden, te vinden in alles van katoen tot hout. Het team onderzocht of het oplossen van cellulose in een sterke alkalische oplossing zou kunnen dienen als een groen alternatief voor synthetische flocculanten. Ze testten deze aanpak op drie verschillende soorten minerale mengsels: een laboratoriumsuspensie van talk, een stroom water die uit een dikkeringsvat overstroomt bij een mijn, en een stroom afvalwater van een flotatieproces. Hun doel was om te zien of deze plantaardige oplossing het water net zo effectief kon klaren als de synthetische opties, zonder schadelijke resten achter te laten.

De wetenschappers bereidden hun flocculanten voor door twee vormen van cellulose te nemen: één afkomstig van standaard katoenvezels (linters) en een andere die werd teruggewonnen uit weggegooide polyester-katoen textielmengsels. Ze losten deze materialen op in een natriumhydroxideoplossing, een proces dat de rigide structuur van de cellulosevezels afbreekt tot een vloeibare staat. Om te zien of ze de prestaties konden verbeteren, behandelden ze ook sommige van de cellulose met een fosfaatverbinding, een chemische modificatie die bedoeld is om te veranderen hoe de moleculen interageren met de mineraaldeeltjes. Vervolgens mengden ze deze oplossingen met de minerale suspensies en observeerden hoe snel het water helder werd.

De resultaten toonden aan dat de cellulose-gebaseerde behandelingen opmerkelijk goed werkten. In de laboratoriumtests met zuivere talk verminderde de toevoeging van de celluloseoplossing de troebelheid van het water met meer dan 99,8 procent binnen tien minuten. De met fosfaat behandelde versie van de cellulose presteerde iets beter, met name in de eerste minuut van het bezinken, wat suggereert dat de chemische modificatie de moleculen helpt om sneller grip te krijgen op de mineraaldeeltjes. Toen het team overging naar echte monsters uit een Finse mijn, waren de resultaten even veelbelovend. Voor de dikkeringsafvoer, die begon met een matig niveau van troebelheid, maakte een kleine hoeveelheid van de met fosfaat behandelde celluloseoplossing het water aanzienlijk helder, waarbij de troebelheid na slechts tien minuten met bijna 9s7,5 procent werd verminderd. Voor de veel vuilere flotatieresiduen (tailings) was een hogere dosis van de flocculant vereist, maar het slaagde er nog steeds in het water te klaren tot een niveau waarbij de troebelheid met 99,9 procent werd verminderd.

Een belangrijke ontdekking in de studie was de rol van de alkalische oplossing zelf. Omdat de cellulose is opgelost in een sterke base, verhoogt het toevoegen van de flocculant ook de pH-waarde van het water. De onderzoekers ontdekden dat deze verandering in zuurgraad, gecombineerd met de aanwezigheid van magnesiumionen die al in het water aanwezig waren, de mineraaldeeltjes hielp samen te klonteren nog voordat de cellulosevezels het overnamen. Dit suggereert dat het hele mengsel fungeert als een tweeledig instrument, waarbij het chemische milieu en de fysieke vezels samenwerken om het bezinkproces te versnellen.

Om te begrijpen hoe dit precies gebeurt, gebruikten de onderzoekers een krachtige microscoop om de bezonken vaste stoffen te onderzoeken. De beelden onthulden dat, naarmate de celluloseoplossing zich met het water mengde en vervolgens weer een vaste vorm aannam, het een fysieke brug creëerde tussen de mineraaldeeltjes. De cellulose bedekte de deeltjes niet alleen; het vormde een poreuze, webachtige structuur die de gladde mineraalschilfers in elkaar weefde en hen bond tot grotere, zwaardere klonten die snel konden zinken. Dit mechanisme van fysieke bruggenbouw lijkt de primaire manier te zijn waarop het plantaardige materiaal het water reinigt.

De studie richtte zich ook op de praktische bruikbaarheid van gerecyclede materialen. De cellulose die werd geëxtraheerd uit oude polyester-katoenen kleding presteerde net zo goed als de hoogzuivere cellulose die bij een chemische leverancier wordt gekocht. Dit geeft aan dat afgedankte textielwaren een levensvatbare bron voor deze flocculanten kunnen zijn, mits de kleine polyestervezels tijdens het proces worden weggefilterd om te voorkomen dat ze als microplastics opnieuw in het water terechtkomen. Hoewel het gebruik van de alkalische oplossing een kleine hoeveelheid zuur vereist om het water te neutraliseren, merkten de onderzoekers op dat de ruilhandel bestaat uit een verschuiving van persistente synthetische plastics naar een veilige, biologisch afbreekbare polymeer. De resulterende klonten van mineraal en cellulose zouden potentieel gebruikt kunnen worden als vulstoffen in papierproducten, waardoor een afvalstroom uit de mijnbouw wordt omgezet in een hulpbron. Het werk demonstreert dat een eenvoudige, plantaardige aanpak effectief de moeilijke taak kan aanpakken om industriële minerale wateren te klaren, wat een duurzaam alternatief biedt voor de synthetische chemicaliën die momenteel in gebruik zijn.