Einleitung
Die Idee hinter der Verwendung von GAC als
Filter
für biologisches Material basiert auf seiner Porosität und Oberflächeneigenschaften. Moleküle von Viren über Makromoleküle bis hin zu mehrzelligen Organismen können von GAC eingeschlossen werden. Aber die Verwendung von GAC mit biologischen Molekülen, die darauf unterstützt werden, kann herkömmliche Schadstoffe entfernen; Viren können über eine GAC- und Metallkombination immobilisiert werden.
Hinzufügen eines Kohlefilters: Einfache Filtration
Forscher haben herausgefunden, dass es eine starke Korrelation zwischen Proteinen (vergleichsweise große Makromoleküle) und der erhöhten Menge an makrogroßen Poren, dh gibt. genau das, was GAC bietet. Dieser Effekt der Porengrößenverteilung auf das biologische GAC deutet darauf hin, dass die Adsorption über die gesamte Oberfläche dynamisch ist, was die Türen zu unterschiedlichen Verweilzeiten öffnet, was zu einer Varianz des biologischen Abbaus führt(1). Der biologische Abbau wurde in der Vergangenheit als weniger wichtig angesehen als Adsorption bei der GAC-Filtration von Biomolekülen. Makroporen haben Durchmesser zwischen 0,2 und 10 μm.
Beispiele für konventionelle Filtrationswege mit biologischem GAC sind solche mit Bromat. Bromat wird durch GAC zu Bromid oxidiert. Die Entfernung von Bromat ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Wasser gut genug für die biologische Expression ist(2). Die konventionelle Entfernung mit Wasserstoffperoxid ist kein so attraktiver Weg. Im Wasseraufbereitungspfad sind die Bakterienarten Polaromonas und Hydrogenophaga die vorherrschenden Bakterien, die von granularen Aktivkohlefiltern(3) gefiltert werden - neben vielen anderen - was auf eine breite Anwendbarkeit von GAC als Bakterienentfernungsfilter hindeutet. Probleme mit Bakterien, die sich auf GAC-Nachfiltration ansiedeln, werden später diskutiert.
Andere Biomolekültypen umfassen Viren. Bereits in den 1970er Jahren wurde an der Adsorption des Poliovirus an Aktivkohle geforscht(4). Dies ist besonders wichtig, da eine der Arten der Verbreitung des Poliovirus das Wasser ist. Wenn Wasser leicht vom Poliovirus gefiltert wird, kann es sich nicht ausbreiten. Die Reduzierung des Lösungs-pH-Werts von Abfall oder stehendem Wasser auf leicht saure 2,5 bis 4,5 macht GAC zu einem viel leistungsfähigeren Adsorbens. Durch das Mahlen von GAC auf eine Porengröße von etwa 10 μm werden Viren und Bakteriophagen leichter aus gepufferter wässriger Lösung entfernt. Der Vorteil der kleineren Partikelgröße des GAC bedeutete, dass es eine geringere elektrophoretische Abstoßungskraft zwischen Virus und Oberfläche gab, was in Kombination mit einer hydrophoberen Virusoberfläche (Aktivkohle ist auch hydrophob) eine bessere Filtration bedeutete(5).
Der Unterschied in den Aktivierungsmodi - dampfaktiviert oder chemisch aktiviert - auf GAC wurde für den biologischen Abbau von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) untersucht. Das Experimentieren zeigte wenig bis gar keinen Unterschied zwischen den Modi. Die Ozonierung, eine gängige Vorbehandlungsmethode für GAC, wurde ebenfalls untersucht und es wurde festgestellt, dass sie keine Auswirkungen hat(6).
Es gibt eine breite Palette von Verfahren zur Entfernung von Bakterienmaterial aus GAC-Filtern, von denen viele ähnlich sind(7). Es versteht sich von selbst, dass GAC-Filter mehr als in der Lage sind, jedem zu widerstehen.
Wie immer bei der GAC-Filtration ist es das Ziel, so viel Material wie möglich zu entfernen. Die GAC-Filtration erleichtert mikrobielle Prozesse, die selbst in der Lage sind, biologisch abbaubaren organischen Kohlenstoff - und andere Materialien - aus Oberflächenwasser oder anderweitig stehendem Wasser zu entfernen, das möglicherweise nicht mit Ozon behandelt wurde oder nicht. Der Gesamtprozess sorgt für die biologische Stabilität des Wassers.
Untersuchungen haben gezeigt, dass langfristige Einsätze von GAC zur Wasserreinigung von der Aufrechterhaltung eines Biofilms auf der Oberfläche der Aktivkohle profitieren können. Das Erreichen eines ökologischen Gleichgewichts bei biologischer Aktivkohle sorgt für einen wirksameren und widerstandsfähigeren Filter, sofern die Integrität des Biofilms erhalten werden kann(8), und die Lebensdauer von GAC-Biofiltern kann auf diese Weise verlängert werden. Die Aufrechterhaltung eines solchen gesunden Biofilms kann mit einem leicht erhöhten pH-Wert und einem verringerten Gehalt an gelöstem Sauerstoff sichergestellt werden, wodurch sichergestellt wird, dass sich keine überschüssigen filamentösen Bakterien bilden.
Aufbauend auf dieser Idee hat die Forschung den Einfluss der Filterbetttiefe von biologischem GAC auf die Gesamtfilterwirksamkeit untersucht, wobei längere Filterwege für eine größere Bakterienartenvielfalt durch die Masse verantwortlich sind. Es wurde festgestellt, dass die Gesamtleistung entgegen der Intuition nicht mit dem erhöhten Vorhandensein solcher Bakterien korreliert(9). Forscher vermuten, dass die erhöhte Funktionalität (dh verbesserte Filtrationsleistung) ein Ergebnis einer gleichmäßigeren Verteilung von biologischem Material ist.
Ein solches Verhalten ist nützlich. Die Biosorption von Cr(VI)-Spezies durch drei Bakterien wird auf GAC gestützt. Es ist bekannt, dass diese Bakterien das Chrom auf eine niedrigere Oxidationsstufe reduzieren, die dann vom GAC adsorbiert wird. Bei 50 mg L-1 Chrom in wässriger Lösung lag die Aufnahme des Metalls durch das biologische GAC zwischen 1,96 und 3,60 mg g-1. Die Verdoppelung der Chromkonzentration führte zu Aufnahmebereichen von 0,66 bis 1,12 mg g-1 über die drei Bakterientypen(10).
Aufbauend auf der Idee der bakteriellen GACs wurde ein solches Beispiel mit dem Bakterium Phragmitis communis entwickelt, das in der Lage ist, den Abbau von 4-Chlorphenol zu bewirken. Wenn eine wässrige Lösung von 4-Chlorphenol mit 100 mg L-1 in die GAC-P. communis-Säule gegeben wurde, stand etwa ein Viertel sofort für den biologischen Abbau zur Verfügung, während der Rest an das GAC adsorbiert wurde (11). Ähnliche Taktiken können auf andere Wassersysteme angewendet werden, die versuchen, andere chlorierte organische Stoffe zu entfernen.
Insgesamt bietet die Doppelnatur der unterstützten Bakterien und der körnigen Aktivkohle synergistische Vorteile bei der Gewährleistung eines saubereren Wassers.
Aktivkohle als Wirt: Verwendung von Metallen und anderen Materialien zur Immobilisierung von Viren
Eine Nischenanwendung - aber sehr relevant - für Aktivkohle in der Wasserfiltration ist die Fähigkeit, wasserbasierte Viren zusammen mit Metallen wie Gold und Silber zu immobilisieren, manchmal in Nanopartikelform. Gestützt auf die hervorragende Porosität und Oberflächenchemie von GAC ist es leicht zu verbessern, was die Entwicklung und Anpassung von Ergebnissen ermöglicht.
Aktivkohle, die mit Nanopartikeln aus Silber- und Kupferoxid modifiziert wurde, hat sich als wirksam bei der Entfernung von Viren aus Wasser erwiesen(12). Suspensionen des T4-Bakteriophagen wurden durch den Filter geleitet, wobei eine GAC-Probe, die mit 0,5 Gew.-% Silber und 1,0 Gew.-% Kupferoxid dotiert worden war, für eine 5,53-log-Reduktion des T4-Bakteriophagen im Wasser verantwortlich war. Der Silber- und Kupfergehalt des resultierenden Filtrients lag deutlich unter den sicheren Grenzwerten für Trinkwasser. Daher eignet sich diese Methode zur Wasserreinigung. In ähnlicher Weise war die Adsorption von molekularem Jod an GAC wirksam für die Immobilisierung von E. coli und einem aviären Influenzavirus(13). Die Ergebnisse wurden mit gelöschtem Kalk verglichen, der häufig als antibakterielles Mittel in der Landwirtschaft verwendet wird und den GAC leicht übertraf. Schließlich wurde die Adsorption von moderneren Viren einschließlich SARS-CoV2 - verantwortlich für die jüngste globale Pandemie - untersucht. Es wurde festgestellt, dass die Kombination von Makro-, Mikro- und Mesoporen in GAC ausreichend porös ist, um den SARS-CoV2-Erreger zu immobilisieren(14). Die Autoren der Studie glauben daher an die Idee, dass aktivkohlehaltige Gesichtsmasken wirksam sind, um die Übertragung zu reduzieren.
Nachteile
Wie bei allen Methoden gibt es einige leichte Nachteile bei der Verwendung von granulierter Aktivkohle mit biologischen Materialien. Die erste ist, dass, wenn die Nachfiltrationsbehandlung nicht stattfindet - oder ineffizient abgeschlossen wird - dann können genau die Krankheitserreger, die wir herauszufiltern versuchen, wachsen und auf der Oberfläche des GAC persistieren. Yersinia enterocolitica, Salmonella typhimurium und Escherichia coli können sich alle auf sterilem GAC ansiedeln und wachsen(15). Dies unterstreicht die Notwendigkeit, angemessene Rückspül- und/oder Regenerationsstrategien für den Filter sicherzustellen. Rasterelektronenmikroskopische Studien haben gezeigt, dass GAC in einigen Fällen selbst bei Desinfektion mit einer verdünnten Chlorlösung (2 mg L-1) von Bakterien besiedelt werden kann, die in Rissen und Spalten wachsen(16). Daher bedeutet ein Teil der Natur von GAC - Porosität -, dass es nach der Anwendung umfassend behandelt werden muss. Die Autoren bieten dies als Hypothese an, warum Bakterien in Filtern persistieren können, die lange in stehendem Wasser belassen wurden.
Beratung von Manganoxid
- Granulierte Aktivkohle - und biologische Aktivkohle - sind nützliche Werkzeuge, um die Stabilität und biologische Reinheit von Wasser zu gewährleisten
- Eine einfache GAC-Filtration kann unter bestimmten Bedingungen auf die Entfernung von Bakterien aus Wasser anwendbar sein, wobei sie sich auf die hochporöse Natur von GAC stützt, um dies zu tun
- Abhängig von der Art des GAC kann es verwendet werden, um Bakterien oder anderes molekulares Leben zu unterstützen, um es als Filter zu verwenden, um beispielsweise Chrom aus Lösung zu entfernen
- Viren, einschließlich Poliovirus, können durch GAC immobilisiert werden, um sicheres Trinkwasser zu gewährleisten. Ähnliche Effekte werden bei Bakteriophagen beobachtet
- Entscheidend für GAC in biologischen Umgebungen ist die Fähigkeit, den Filter zu waschen / zu regenerieren, da sonst die Gefahr besteht, dass sich ein Krankheitserreger ansammelt, der den Filter inaktiv machen kann.
Verweise
1 W. Sun et al., Water Res., 2020, 177, 115768
2 M. Asami et al., Water Res., 1999, 33, 2797
3 B. Wullings et al., J. Appl. Mikrobiol., 2009, 107, 1457
4 C. P. Gerba et al., Environ. Sci. Tech., 1975, 9, 727
5 T. Matsishita et al., Separation Purification Tech., 2013, 107, 79
6 A. K. Camper et al., J. Microbiol. Methodik, 1985, 3, 187
7 M. Sholz und R. J. Martin, Water Res., 1997, 31, 2959
8 N. Boon et al., Water Res., 2011, 45, 6355
9 C. Quintiles et al., J. Hazard. Mater., 2008, 153, 799
10 P. M. L. Castro et al., Appl. Mikrobiol. Biotech., 1999, 52, 722
11 M. F. Silva et al., Environ. Tech., 2017, 38, 2058
12 K. Otsuki et al., J. Carbon Res., 2021, 7, 86
13 A. K. Azad et al., J. Eng. Tech. Sci., 2021, 4, 210404
14 G. A. McFeters et al., Appl. Environ. Mikrobiol., 1985, 50, 1378
15 G. A. McFeters et al., Appl. Environ. Mikrobiol., 1984, 48, 918
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