従来の浄水処理システムでは、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すが、処理水中に残留するアルミニウム塩は人体に害を及ぼし、残留する鉄塩は水の色に影響を与えるなど、多くの問題があります。また、ほとんどの廃水処理では、大量の汚泥や汚泥処理の困難さといった二次汚染の問題を克服することが困難です。そのため、アルミニウム塩や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が、今日の持続可能な開発戦略を実行する上で必要となっています。天然ポリマー凝集剤は、豊富な原料、低価格、優れた選択性、少量投与、安全性と無毒性、そして完全な生分解性といった利点から、多くの凝集剤の中でも特に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、現在ではデンプン、リグニン、キトサン、植物性接着剤などが広く使用されています。
キトサン物件
キトサンは、白色の非晶質で半透明の薄片状の固体で、水には溶けませんが酸には溶けます。これはキチンの脱アセチル化生成物です。一般的に、キチン中のN-アセチル基が55%以上除去されたものをキトサンと呼びます。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番目に多い天然有機化合物です。凝集剤として、キトサンは天然由来で無毒かつ分解性です。キトサンの高分子鎖には、多くの水酸基、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、酸性溶液中では電荷密度の高いカチオン性高分子電解質を形成し、水素結合またはイオン結合によってネットワーク状の構造を形成することもできます。ケージ分子は、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、染色、製紙、医薬品、食品、化学工業、生物学、農業など、幅広い分野で応用価値を持つだけでなく、水処理においても吸着剤、凝集剤、殺菌剤、イオン交換体、膜製剤などとして使用できます。キトサンは、給水用途や水処理における独自の利点から、米国環境保護庁によって飲料水浄化剤として承認されています。
（１）水中の懸濁固形物を除去する。自然水では、粘土細菌などの存在により負に帯電したコロイド系となる。キトサンは長鎖カチオン性ポリマーとして、電気的中和と凝集、吸着と架橋の二重機能を発揮し、懸濁物質に対して強い凝集効果を持つ。従来の凝集剤としてミョウバンやポリアクリルアミドと比較すると、キトサンはより優れた清澄効果を持つ。RAVIDらは、キトサンのpH値が5〜9の場合の単一カオリン水分配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た。1mg/Lの凝集剤では、濁度除去率は90%を超え、生成されるフロックは粗く速く、総凝集沈降時間は1時間を超えない。しかし、pH値が減少または増加すると、凝集効率が低下し、非常に狭いpH範囲でのみキトサンがカオリン粒子と良好な重合を形成できることが示されています。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すると、適切なpH値の範囲が広いことがわかりました。したがって、濁った水にカオリンに似た粒子が含まれている場合は、適切な量のベントナイトを凝集剤として添加して、カオリンとカオリン粒子の重合を改善する必要があります。キトサン粒子上で。後にRAVIDらは、
カオリンまたは二酸化チタン懸濁液中に腐植質が存在する場合、負に帯電した腐植質が粒子の表面に付着するため、キトサンによって容易に凝集沈殿させることができます。また、腐植質はpH値の調整を容易にします。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）水域から藻類とバクテリアを除去する。近年、海外では藻類やバクテリアなどの生物コロイド系に対するキトサンの吸着・凝集作用の研究が始まっている。キトサンは、スピルリナ、オシラ藻、クロレラ、藍藻などの淡水藻類に対して除去効果がある。研究によると、淡水藻類の場合、pH7で除去が最も効果的であり、海水藻類の場合はpHが低いほど効果的である。キトサンの適切な添加量は、水中の藻類の濃度によって異なる。藻類の濃度が高いほど、添加するキトサンの量も多くなり、添加量を増やすと凝集・沈殿が速くなる傾向がある。藻類の除去は濁度で測定できる。pH値が7の場合、5mg/Lキトサン水中の濁度を90%除去することができ、藻類の濃度が高いほど、凝集粒子が粗くなり、沈殿性能が向上します。
顕微鏡観察の結果、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、依然として無傷で活性な状態であることがわかった。キトサンは水中の生物に悪影響を与えないため、処理水は淡水養殖に引き続き使用できる。これは、水処理用の他の合成凝集剤とは異なる。キトサンによる細菌の除去メカニズムは比較的複雑である。キトサンによる大腸菌の凝集を研究した結果、不均衡な架橋メカニズムが凝集システムの主なメカニズムであり、キトサンが細胞残骸上に水素結合を形成することがわかった。別の研究では、大腸菌のキトサン凝集効率は、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た。
（３）残留アルミニウムを除去し、飲料水を浄化する。アルミニウム塩やポリアルミニウム凝集剤は水道水処理工程で広く使用されているが、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る。飲料水中の残留アルミニウムは人体に深刻な危険をもたらす。キトサンにも残留水の問題はあるが、天然の無毒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さず、後続の処理工程で除去できる。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る。したがって、飲料水処理において、キトサンは他の合成有機ポリマー凝集剤では代替できない利点を持っている。
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。キトサンキトサンと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+ および Cr3+ に対する吸着容量 (キトサン単位) はそれぞれ 0.2 mmol/g および 0.25 mmol/g に達し、強力な吸着能力があることが示されています。Zhang Ting'an らは、脱アセチル化キトサンを使用して凝集により銅を除去しました。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% 以上であることが示されました。質量濃度が 400 mg/L の場合、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、吸着時間が2時間の場合、吸着化学ニッケルめっき廃液中のNi2+に対するキトサンの除去率は72.25%に達することが証明された。
（２）食品廃水などの高タンパク質含有廃水の処理。食品加工中、多量の懸濁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、ヒドロキシル基を含む。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の役割を示し、重金属に対するキレート効果だけでなく、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によって複合体を形成することができる。方志民らは、キトサンキトサンは、凝集剤として硫酸アルミニウム、硫酸第二鉄、ポリプロピレンフタラミドなどを用いて、海産物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の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発生しないため、食品加工工場からの廃水中のタンパク質やデンプンなどの有用物質をリサイクルし、動物飼料への添加など、加工・再利用に利用できます。
（３）染色廃水の処理。染色廃水とは、綿、羊毛、化学繊維など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、染料などを含み、複雑な成分、高い彩度、高いCODを有し、抗酸化性および抗生分解性の方向に発展するため、人体および環境に極めて有害です。キトサンはアミノ基とヒドロキシル基を含み、染料に対して強い吸着効果を有します。これには、物理吸着、化学吸着、イオン交換吸着が含まれ、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の効果によるものです。同時に、キトサンの分子構造には多数の第一級アミノ基が含まれており、配位結合を介して優れたポリマー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、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、都市下水処理場の大部分は、汚泥処理にカチオン性ポリアクリルアミドを使用しています。この薬剤は凝集効果が高く、汚泥の脱水が容易であることが実証されていますが、その残留物、特にアクリルアミドモノマーは強力な発がん性物質です。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す。キトサンは優れた汚泥調整剤であり、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懸濁物質や有機物を凝集させ、活性汚泥処理の効率を向上させます。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、汚泥調整に明らかな効果があるだけでなく、単一のPACまたはキトサンを使用した場合と比較して、汚泥比抵抗が最初に最低値に達し、濾過速度が速く、より優れた調整剤であることが示されています。さらに、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）を凝集剤として用いて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、壊れにくいことがわかり、この凝集剤の汚泥脱水効果は通常の凝集剤よりも著しく優れていることが示された。
キトサンキトサンとその誘導体は資源が豊富で、天然由来で無毒、生分解性があり、同時に様々な特性を備えています。これらは環境に優しい水処理剤です。原料であるキチンは、地球上で2番目に多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に成長の勢いを見せています。廃棄物を宝に変える天然ポリマーとして、キトサンは当初多くの分野で応用されていましたが、国内製品の性能と応用は、他の先進国と比較してまだ一定のギャップがあります。キトサンとその誘導体、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。水処理におけるキトサンの応用技術を探求し、より広い応用範囲を持つ環境に優しいキトサン誘導体製品を開発することは、非常に大きな市場価値と応用の見通しを持つでしょう。
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投稿日時：2022年8月9日