مقدمة
تعتمد الفكرة وراء استخدام GAC
كمرشح
للمواد البيولوجية على مساميتها وخصائص سطحها. يمكن للجزيئات من الفيروسات إلى الجزيئات الكبيرة إلى الكائنات متعددة الخلايا أن تكون محاصرة بواسطة GAC. لكن استخدام GAC مع الجزيئات البيولوجية المدعومة عليه يمكن أن يزيل الملوثات التقليدية. يمكن تجميد الفيروسات عن طريق GAC ومزيج معدني.
إضافة فلتر الكربون: ترشيح بسيط
لقد وجد الباحثون أن هناك علاقة قوية بين البروتينات (الجزيئات الكبيرة نسبيا) وزيادة كمية المسام ذات الحجم الكبير ، أي. بالضبط ما توفره GAC. يشير هذا التأثير لتوزيع حجم المسام على GAC البيولوجي إلى أن الامتزاز عبر السطح بأكمله ديناميكي ، مما يفتح الأبواب أمام كميات مختلفة من وقت الإقامة ، مما يؤدي إلى تباين في التحلل البيولوجي (1). يعتبر التحلل البيولوجي تاريخيا أقل أهمية مثل الامتزاز في ترشيح GAC للجزيئات الحيوية. المسام كبيرة الحجم لها أقطار بين 0.2 و 10 ميكرومتر.
تتضمن أمثلة مسارات الترشيح التقليدية مع GAC البيولوجي تلك التي تحتوي على البرومات. يتأكسد البرومات إلى بروميد بواسطة GAC. تعد إزالة البرومات أمرا بالغ الأهمية لضمان أن الماء جيد بما يكفي للتعبير البيولوجي (2). الإزالة التقليدية باستخدام بيروكسيد الهيدروجين ليست مسارا جذابا. في مسار معالجة المياه، تعد أنواع البكتيريا Polaromonas و Hydrogenophaga هي البكتيريا السائدة التي تم العثور عليها والتي تمت تصفيتها بواسطة مرشحات الكربون المنشط الحبيبية (3) - من بين العديد من الأنواع الأخرى - مما يشير إلى إمكانية تطبيق GAC على نطاق واسع كمرشح لإزالة البكتيريا. تتم مناقشة مشاكل استعمار البكتيريا في GAC بعد الترشيح لاحقا.
تشمل أنواع الجزيئات الحيوية الأخرى الفيروسات. في وقت مبكر من 1970s ، كان البحث يمضي قدما في امتزاز فيروس شلل الأطفال على الكربون المنشط (4). هذا مهم بشكل خاص لأن أحد طرق انتشار فيروس شلل الأطفال هو عن طريق الماء. إذا تم ترشيح المياه بسهولة من فيروس شلل الأطفال ، فلن ينتشر. إن تقليل درجة الحموضة في محلول النفايات أو المياه الراكدة إلى حمضية معتدلة من 2.5 إلى 4.5 يجعل GAC مادة ماصة أفضل أداء. عن طريق طحن GAC إلى حجم مسام يبلغ حوالي 10 ميكرومتر ، تتم إزالة الفيروسات والبكتيريا بسهولة أكبر من المحلول المائي المخزن. تعني ميزة حجم الجسيمات الأصغر ل GAC أن هناك قوة تنافر كهربائي أصغر بين الفيروس والسطح ، وهذا جنبا إلى جنب مع سطح فيروس أكثر كارها للماء (الكربون المنشط هو أيضا كاره للماء) يعني ترشيحا أفضل (5).
تم التحقيق في الاختلاف في أوضاع التنشيط - المنشط بالبخار أو المنشط كيميائيا - على GAC من أجل التحلل البيولوجي للكربون العضوي المذاب (DOC). أظهر التجريب فرقا ضئيلا أو معدوما بين الأوضاع. كما تم فحص الأوزون ، وهو طريقة معالجة مسبقة شائعة ل GAC ، ووجد أنه ليس له أي تأثير (6).
هناك مجموعة واسعة من الإجراءات لإزالة المواد البكتيرية من مرشحات GAC، والعديد منها مشابه(7). وغني عن القول أن مرشحات GAC أكثر من قادرة على مقاومة أي منها.
كما هو الحال دائما مع ترشيح GAC ، فإن الهدف هو إزالة أكبر قدر ممكن من المواد. يسهل ترشيح GAC العمليات الميكروبية التي تكون هي نفسها قادرة على إزالة الكربون العضوي القابل للتحلل - والمواد الأخرى - من المياه السطحية أو المياه الراكدة التي قد تكون أو ربما لم تتم معالجتها بالأوزون. تضمن العملية الشاملة الاستقرار البيولوجي للمياه.
أظهرت الأبحاث أن عمليات نشر GAC على المدى الطويل لتنقية المياه يمكن أن تستفيد من الحفاظ على غشاء حيوي على سطح الكربون المنشط. إن الوصول إلى توازن بيئي بشأن الكربون المنشط بيولوجيا يجعل المرشح أكثر فعالية ومرونة، مما يوفر إمكانية الحفاظ على سلامة الغشاء الحيوي الرقيق(8)، في الواقع، يمكن إطالة عمر المرشحات الحيوية GAC بهذه الطريقة. يمكن ضمان الحفاظ على مثل هذا الغشاء الحيوي الرقيق الصحي من خلال درجة حموضة مرتفعة قليلا وانخفاض محتوى الأكسجين المذاب ، مما يضمن عدم تشكل البكتيريا الخيطية الزائدة.
بناء على هذه الفكرة ، نظرت الأبحاث في تأثير عمق سرير المرشح ل GAC البيولوجي على فعالية المرشح الإجمالية ، مع مسارات الترشيح الأطول المسؤولة عن تنوع أكبر في الأنواع البكتيرية من خلال الجزء الأكبر. وقد وجد أن الأداء العام لا يرتبط بالوجود المرتفع لمثل هذه البكتيريا ، على عكس ما هو متوقع (9). يقترح الباحثون أن الوظيفة المتزايدة (أي أداء الترشيح المحسن) هي نتيجة لتوزيع أكثر توازنا للمواد البيولوجية.
مثل هذا السلوك مفيد. الامتزاز الحيوي لأنواع Cr (VI) بواسطة ثلاثة بكتيريا مدعومة في GAC. من المعروف أن هذه البكتيريا تقلل الكروم إلى حالة أكسدة أقل ، والتي يتم امتصاصها بعد ذلك بواسطة GAC. عند 50 ملغ من الكروم L-1 في محلول مائي ، تراوح امتصاص المعدن بواسطة GAC البيولوجي بين 1.96 و 3.60 ملغ g-1. أدت مضاعفة تركيز الكروم إلى نطاقات امتصاص من 0.66 إلى 1.12 مجم g-1 عبر أنواع البكتيريا الثلاثة (10).
بناء على فكرة GACs البكتيرية ، تم تطوير مثل هذا المثال باستخدام بكتيريا Phragmitis communis ، والتي هي قادرة على التأثير على تدهور 4-كلوروفينول. عندما تم تغذية محلول مائي من 4-كلوروفينول عند 100 ملغ L-1 على عمود GAC-P. communis ، كان حوالي ربعها متاحا على الفور للتحلل البيولوجي بينما تم امتصاص الباقي على GAC (11). يمكن تطبيق تكتيكات مماثلة على أنظمة المياه الأخرى التي تسعى إلى إزالة المواد العضوية المكلورة الأخرى.
بشكل عام ، توفر الطبيعة المزدوجة للبكتيريا المدعومة والكربون المنشط الحبيبي فوائد تآزرية في ضمان مياه أنظف.
الكربون المنشط كمضيف: استخدام المعادن والمواد الأخرى لشل حركة الفيروسات
أحد التطبيقات المتخصصة - ولكن ذات الصلة للغاية - للكربون المنشط في تنقية المياه هو القدرة على شل حركة الفيروسات التي تنقلها المياه بالتنسيق مع معادن مثل الذهب والفضة ، وأحيانا في شكل جسيمات نانوية. بالاعتماد على المسامية الممتازة وكيمياء السطح في GAC ، يتم تحسينها بسهولة وهذا يتيح تطوير النتائج وتكييفها.
وقد ثبت أن الكربون المنشط الذي تم تعديله باستخدام جسيمات نانوية من الفضة وأكسيد النحاس فعال في إزالة الفيروسات من الماء (12). تم تمرير معلقات البكتيريا T4 من خلال المرشح ، مع عينة من GAC التي تم تخديرها بنسبة 0.5٪ من الفضة بالوزن و 1.0٪ من أكسيد النحاس كونها مسؤولة عن انخفاض 5.53 سجل في بكتيريا T4 في الماء. كان محتوى الفضة والنحاس من المرشح الناتج أقل بكثير من الحدود الآمنة لمياه الشرب. لذلك ، هذه الطريقة مناسبة لتنقية المياه. وبالمثل، كان امتزاز اليود الجزيئي على GAC فعالا في تثبيت الإشريكية القولونية وفيروس إنفلونزا الطيور(13). تمت مقارنة النتائج مع الجير المطفأ ، المستخدم على نطاق واسع كمضاد للبكتيريا في الزراعة ، والذي تفوقت عليه GAC بسهولة. أخيرا ، تم التحقيق في امتزاز الفيروسات الأكثر حداثة بما في ذلك SARS-CoV2 - المسؤول عن الوباء العالمي الأخير. وقد وجد أن الجمع بين المسام الكلية والجزئية والمتوسطة في GAC مسامي بما يكفي لشل حركة العامل الممرض SARS-CoV2 (14). لذلك يعطي مؤلفو الدراسة مصداقية لفكرة أقنعة الوجه المحتوية على الكربون المنشط باعتبارها فعالة للحد من انتقال العدوى.
عيوب
كما هو الحال مع جميع الطرق ، هناك بعض العيوب الطفيفة لاستخدام الكربون المنشط الحبيبي مع المواد البيولوجية. الأول هو أنه إذا لم تتم معالجة ما بعد الترشيح - أو اكتملت بشكل غير فعال - فإن مسببات الأمراض نفسها التي نحاول تصفيتها قد تنمو وتستمر على سطح GAC. Yersinia enterocolitica و Salmonella typhimurium و Escherichia coli كلها قادرة على الاستعمار والنمو على GAC العقيم (15). هذا يؤكد على الحاجة إلى ضمان استراتيجيات الغسيل العكسي و / أو التجديد الكافية للمرشح. أظهرت دراسات الفحص المجهري الإلكتروني أنه في بعض الحالات، حتى مع التطهير بمحلول الكلور المخفف (2 ملغ L-1)، قد يتم استعمار GAC بواسطة البكتيريا التي تنمو في الشقوق والشقوق (16). لذلك ، فإن جزءا من طبيعة GAC - المسامية - يعني أنه يجب معالجته بشكل شامل بعد الاستخدام. يقدم المؤلفون هذا كفرضية حول سبب استمرار البكتيريا في المرشحات التي تركت في المياه الراكدة مطولا.
موجز
- الكربون المنشط الحبيبي - والكربون الحبيبي المنشط البيولوجي - هي أدوات مفيدة في ضمان الاستقرار والنقاء البيولوجي للمياه
- قد يكون ترشيح GAC البسيط قابلا للتطبيق على إزالة البكتيريا من الماء في ظل ظروف معينة ، بالاعتماد على طبيعة GAC شديدة المسامية للقيام بذلك
- اعتمادا على نوع GAC ، يمكن استخدامه لدعم البكتيريا أو الحياة الجزيئية الأخرى لاستخدامها كمرشح لإزالة ، على سبيل المثال ، الكروم من المحلول
- ويمكن للفيروسات، بما في ذلك فيروس شلل الأطفال، أن تشل حركتها شركة غينيا ألومينا (GAC)، مما يضمن مياه الشرب المأمونة. لوحظت تأثيرات مماثلة مع البكتيريا
- من الأمور الحاسمة بالنسبة ل GAC في البيئات البيولوجية القدرة على غسل / تجديد المرشح وإلا فإن خطر تراكم مسببات الأمراض ، مما قد يجعل المرشح غير نشط
مراجع
1 دبليو صن وآخرون ، Water Res. ، 2020 ، 177 ، 115768
2 M. Asami et al., Water Res., 1999, 33, 2797
3 ب. وولينغز وآخرون، (ج. آبل) ميكروبيول., 2009, 107, 1457
4 C. P. Gerba et al., Environ. الخيال العلمي. التكنولوجيا., 1975, 9, 727
5 T. Matsishita et al. ، تقنية تنقية الفصل ، 2013 ، 107 ، 79
6 أ. ك. كامبر وآخرون ، J. ميكروبيول. أساليب, 1985, 3, 187
7 M. Sholz و R. J. Martin ، Water Res. ، 1997 ، 31 ، 2959
8 N. Boon et al., Water Res., 2011, 45, 6355
9 جيم - كوينتايلز وآخرون، ج. هازارد. الام., 2008, 153, 799
10 ب. م. ل. كاسترو وآخرون ، (آبل) ميكروبيول. التكنولوجيا الحيويه., 1999, 52, 722
11 م. ف. سيلفا وآخرون ، Environ. التكنولوجيا., 2017, 38, 2058
12 K. Otsuki et al.، J. Carbon Res.، 2021، 7، 86
13 أ. ك. آزاد وآخرون ، ج. إنج. التكنولوجيا. الخيال العلمي., 2021, 4, 210404
14 ج. أ. ماكفيترز وآخرون ، (آبل) Environ. ميكروبيول., 1985, 50, 1378
15 ج. أ. ماكفيترز وآخرون ، (آبل) Environ. ميكروبيول., 1984, 48, 918
يجب عليك تسجيل الدخول لكتابة تعليق.