従来の水処理システムで最も広く使用されている凝集剤はアルミニウム塩と鉄塩であり、処理済み水に残留するアルミニウム塩は人体の健康を害し、残留鉄塩は水の色などに影響を与えます。ほとんどの廃水処理では、大量のヘドロやヘドロの処理困難などの二次汚染問題を克服することが困難です。したがって、アルミニウム塩と鉄塩の凝集剤に代わる環境に二次汚染を引き起こさない天然製品を探すことは、今日の持続可能な開発戦略を実行するための必要性です。天然ポリマー凝集剤は、豊富な原料源、低価格、優れた選択性、少量投与、安全で無毒性、完全な生分解性のために、多くの凝集剤の中で大きな注目を集めています。数十年の開発を経て、さまざまな特性と用途を持つ多数の天然ポリマー凝集剤が登場しており、その中でもデンプン、リグニン、キトサン、植物性接着剤が現在広く使用されています。
キトサンプロパティ
キトサンは、キチンの脱アセチル化物で、水には溶けないが酸には溶ける、白色の非晶質で半透明の薄片状の固体です。一般的に、キチンのN-アセチル基が55％以上除去されたものをキトサンと呼ぶことができます。キチンは動物や昆虫の外骨格の主成分であり、セルロースに次いで地球上で2番目に大きい天然有機化合物です。凝集剤として、キトサンは天然で無毒、分解可能です。キトサンの高分子鎖には、多くのヒドロキシル基、アミノ基、およびいくつかのN-アセチルアミノ基が分布しており、酸性溶液中で高電荷密度のカチオン性高分子電解質を形成できるほか、水素結合またはイオン結合によってネットワークのような構造を形成することもできます。分子をケージ化し、多くの有毒で有害な重金属イオンを錯体化して除去します。キトサンとその誘導体は、繊維、印刷・染色、製紙、医薬品、食品、化学工業、生物学、農業など幅広い分野で利用されており、多くの応用価値があるだけでなく、水処理においても、吸着剤、凝集剤、殺菌剤、イオン交換剤、膜製剤などとして使用することができます。キトサンは、給水用途と水処理における独自の利点により、米国環境保護庁によって飲料水用の浄化剤として承認されています。
（1）水体内の浮遊物質を除去します。天然水中では、粘土細菌などの存在により、負に帯電したコロイド系になります。長鎖カチオンポリマーであるキトサンは、電気的中和と凝集、吸着と架橋の2つの機能を果たし、浮遊物質に対して強力な凝集効果を発揮します。従来のミョウバンやポリアクリルアミドなどの凝集剤と比較して、キトサンはより優れた清澄化効果があります。RAVIDらは、キトサンpH値が5〜9の場合の単一カオリン配水池の凝集処理の効果を研究し、凝集はpH値に大きく影響され、濁度除去の有効pH値は7.0〜7.5であることを発見しました。1mg / Lの凝集剤では、濁度除去率は90％を超え、生成されたフロックは粗くて速く、総凝集沈降時間は1時間を超えません。しかし、pH値が低下または上昇すると凝集効率は低下し、キトサンはカオリン粒子と良好な重合を形成できるpH範囲が非常に狭いことを示しています。いくつかの研究では、凝集したベントナイト懸濁液をキトサンで処理した場合、適切なpH範囲が広いことが分かっています。したがって、濁水にカオリンに類似した粒子が含まれている場合は、凝集剤として適切な量のベントナイトを添加して重合を改善する必要があります。キトサン粒子について。その後、RAVIDらは、
カオリンまたは二酸化チタン懸濁液に腐植質が含まれている場合、負に帯電した腐植質が粒子表面に付着し、pH値を容易に調整できるため、キトサンによる凝集・沈殿が容易になります。キトサンは、濁度やアルカリ度が異なる天然水域においても優れた凝集特性を示しました。
（2）水域から藻類や細菌を除去する。近年、海外では、藻類や細菌などの生物コロイド系に対するキトサンの吸着・凝集に関する研究が始まっている。キトサンは、スピルリナ、オシレーター藻、クロレラ、藍藻などの淡水藻類に対して除去効果を持つ。研究によると、淡水藻類の場合、pH 7で最も効果的に除去でき、海藻類の場合はpHが低くなる。キトサンの適切な添加量は、水域の藻類の濃度に依存する。藻類の濃度が高いほど、キトサンの添加量を増やす必要があり、キトサンの添加量が増えると、凝集や沈殿が起こりやすくなる。濁度は藻類の除去度を測ることができる。pH値が7の場合、5mg/Lである。キトサン水中の濁度の90%を除去でき、藻類濃度が高いほどフロック粒子が粗くなり、沈殿性能も向上します。
顕微鏡検査の結果、凝集沈殿によって除去された藻類は凝集して付着しているだけで、無傷で活性な状態を保っていることが示されました。キトサンは水中の生物に悪影響を与えないため、他の水処理用合成凝集剤とは異なり、処理水は淡水養殖に使用することができます。キトサンによる細菌の除去メカニズムは比較的複雑です。キトサンを用いた大腸菌の凝集を研究した結果、不均衡な橋渡しメカニズムが凝集システムの主要メカニズムであり、キトサンが細胞残骸に水素結合を生成することがわかりました。別の研究では、キトサンによる大腸菌の凝集効率は、誘電体の帯電性だけでなく、その水力学的寸法にも依存することが示されました。
（3）残留アルミニウムを除去し、飲料水を浄化します。水道水処理工程では、アルミニウム塩やポリアルミニウム凝集剤が広く使用されていますが、アルミニウム塩凝集剤の使用は、飲料水中のアルミニウム含有量の増加につながる可能性があります。飲料水中の残留アルミニウムは、人体への深刻な危害となります。キトサンにも残留水の問題がありますが、天然の無毒なアルカリ性アミノ多糖類であるため、残留物は人体に害を及ぼすことはなく、後続の処理工程で除去できます。さらに、キトサンとポリ塩化アルミニウムなどの無機凝集剤を併用することで、残留アルミニウム含有量を低減できます。そのため、飲料水処理において、キトサンは他の合成有機高分子凝集剤では代替できない利点を持っています。
廃水処理におけるキトサンの応用
（１）金属イオンを除去する。キトサンその誘導体は、多数のアミノ基とヒドロキシル基を含んでいるため、多くの金属イオンに対してキレート効果があり、溶液中の重金属イオンを効果的に吸着または捕捉することができます。 Catherine A. Eidenらの研究によると、キトサンのPb2+とCr3+（キトサン単位）に対する吸着容量はそれぞれ0.2 mmol / gと0.25 mmol / gに達し、強力な吸着容量を持っています。 Zhang Ting'anらは、脱アセチルキトサンを使用して、凝集によって銅を除去しました。 その結果、pH値が8.0で、水サンプル中の銅イオンの質量濃度が100 mg / L未満の場合、銅の除去率は99％を超えました。 質量濃度は400 mg / Lで、残留液中の銅イオンの質量濃度は依然として国の廃水排出基準を満たしています。別の実験では、pH=5.0、吸着時間2時間のとき、吸着化学ニッケルめっき廃液中のキトサンのNi2+への除去率は72.25%に達することが証明されました。
（2）食品廃水などの高タンパク質廃水の処理。食品加工の過程では、多量の浮遊物質を含む廃水が排出される。キトサン分子はアミド基、アミノ基、水酸基を有し、アミノ基のプロトン化によりカチオン性高分子電解質として作用し、重金属に対するキレート効果を発揮するだけでなく、水中の負に帯電した微粒子を効果的に凝集・吸着することができる。キチンとキトサンは、タンパク質、アミノ酸、脂肪酸などと水素結合して複合体を形成することができる。Fang Zhiminらは、キチンとキトサンを混合したキチンを用いて ...キトサン硫酸アルミニウム、硫酸鉄（III）、ポリプロピレンフタルアミドを凝集剤として用い、水産加工廃水からタンパク質を回収します。高いタンパク質回収率と排水光透過率が得られます。キトサン自体は無毒で二次汚染もないため、食品加工工場の廃水に含まれるタンパク質やデンプンなどの有用物質をリサイクルし、飼料添加物として動物飼料として再利用することができます。
（3）捺染廃水の処理。捺染廃水とは、綿、毛、化学繊維等の繊維製品の前処理、染色、プリント、仕上げ工程で排出される廃水を指します。通常、塩類、有機界面活性剤、染料などが含まれており、成分が複雑で、彩度が高く、CODも高く、抗酸化、抗生分解の方向に発展し、人体や環境に極めて有害です。キトサンはアミノ基と水酸基を含み、染料に対して強力な吸着効果を有します。吸着効果は、主に水素結合、静電引力、イオン交換、ファンデルワールス力、疎水性相互作用などによる物理吸着、化学吸着、イオン交換吸着などです。同時に、キトサンの分子構造には多数の一級アミノ基が含まれており、配位結合を介して優れた高分子キレート剤を形成し、廃水中の染料を凝集させることができます。また、無毒で二次汚染を引き起こしません。
（4）汚泥脱水への応用。現在、ほとんどの都市下水処理場では、カチオン性ポリアクリルアミドを用いて汚泥を処理している。実践では、この薬剤は凝集効果が良好で、汚泥を脱水しやすいことがわかっているが、その残留物、特にアクリルアミドモノマーは強力な発癌物質である。したがって、その代替品を探すことは非常に意義のある作業である。キトサンは優れた汚泥改良剤であり、活性汚泥細菌ミセルの形成を助け、溶液中の負に帯電した浮遊物と有機物を凝集させ、活性汚泥プロセスの処理効率を向上させる。研究によると、ポリ塩化アルミニウム/キトサン複合凝集剤は、汚泥改良に明らかな効果があるだけでなく、PACまたはキトサン単独の使用と比較して、汚泥の比抵抗が最初に低点に達し、濾過速度が高く、迅速で優れた改良剤である。また、凝集剤として3種類のカルボキシメチルキトサン（N-カルボキシメチルキトサン、N、O-カルボキシメチルキトサン、O-カルボキシメチルキトサン）を使用し、汚泥の脱水性能を試験したところ、形成されたフロックは強くて壊れにくいことがわかり、凝集剤の汚泥脱水に対する効果は普通の凝集剤よりも大幅に優れていることがわかりました。
キトサンキトサン及びその誘導体は、資源が豊富で、天然、無毒、分解性であり、同時に様々な特性を備えているため、グリーンな水処理剤です。その原料であるキチンは、地球上で2番目に大きい天然有機化合物です。そのため、近年、水処理におけるキトサンの開発は明らかな成長の勢いを持っています。廃棄物を宝物に変える天然ポリマーとして、キトサンはもともと多くの分野に応用されていますが、国産品の性能と応用は他の先進国と比べてまだ一定の格差があります。キトサン及びその誘導体、特に優れた合成特性を持つ改質キトサンの研究が深まるにつれて、その応用価値はますます高まっています。キトサンの水処理への応用技術を探求し、より広い応用範囲を持つキトサン誘導体の環境に優しい製品を開発することは、非常に広い市場価値と応用展望を持つでしょう。
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投稿日時: 2022年8月9日