Introducción
La idea detrás del uso de GAC como
filtro
para material biológico se basa en su porosidad y propiedades superficiales. Las moléculas, desde virus hasta macromoléculas y organismos policelulares, pueden ser atrapadas por GAC. Pero el uso de GAC con moléculas biológicas apoyadas en él puede eliminar los contaminantes convencionales; los virus pueden inmovilizarse a través de una combinación de GAC y metal.
Agregar un filtro de carbón: filtración simple
Los investigadores han encontrado que existe una fuerte correlación entre las proteínas (macromoléculas comparativamente grandes) y la mayor cantidad de poros de tamaño macro, es decir. exactamente lo que GAC proporciona. Este efecto de la distribución poro-tamaño sobre el GAC biológico sugiere que la adsorción a través de toda la superficie es dinámica, lo que abre las puertas a diferentes cantidades de tiempo de residencia, llevando a una varianza en la biodegradación(1). Históricamente, la biodegradación se ha considerado menos importante como adsorción en la filtración GAC de biomoléculas. Los poros de tamaño macro tienen diámetros entre 0,2 y 10 μm.
Ejemplos de vías de filtración convencionales con GAC biológico incluyen aquellas con bromato. El bromato se oxida a bromuro por GAC. La eliminación del bromato es fundamental para garantizar que el agua sea lo suficientemente buena para la expresión biológica(2). La eliminación convencional con peróxido de hidrógeno no es una vía tan atractiva. En la vía de tratamiento del agua, las especies de bacterias Polaromonas e Hydrogenophaga son las bacterias predominantes que se encuentran filtradas por filtros granulares de carbón activado(3), entre muchas otras, lo que sugiere una amplia aplicabilidad de GAC como filtro de eliminación de bacterias. Los problemas con las bacterias que colonizan en la postfiltración de GAC se discuten más adelante.
Otros tipos de biomoléculas incluyen virus. Ya en la década de 1970, se estaba investigando la adsorción del poliovirus en carbón activado(4). Esto es especialmente importante ya que uno de los modos de propagación del poliovirus es por agua. Si el agua se filtra fácilmente del poliovirus, no puede propagarse. La reducción del pH de la solución de agua residual o estancada a ligeramente ácida de 2.5 a 4.5 hace que GAC sea un adsorbente de mucho mejor rendimiento. Al moler GAC a un tamaño de poro de alrededor de 10 μm, los virus y bacteriófagos se eliminan más fácilmente de la solución acuosa tamponada. La ventaja del menor tamaño de partícula del GAC significó que había una menor fuerza repulsiva electroforética entre el virus y la superficie, esto combinado con una superficie de virus más hidrófoba (el carbón activado también es hidrófobo) significó una mejor filtración(5).
La diferencia en los modos de activación, activado por vapor o activado químicamente, en GAC se ha investigado para la biodegradación del carbono orgánico disuelto (DOC). La experimentación mostró poca o ninguna diferencia entre los modos. La ozonización, que es un método común de pretratamiento para el GAC, también fue investigada y se encontró que no tenía impacto(6).
Existe una amplia gama de procedimientos para eliminar el material bacteriano de los filtros GAC, muchos de los cuales son similares(7). No hace falta decir que los filtros GAC son más que capaces de resistir cualquiera.
Como siempre con la filtración GAC, el objetivo es eliminar la mayor cantidad de material posible. La filtración GAC facilita los procesos microbianos que a su vez son capaces de eliminar el carbono orgánico biodegradable, y otros materiales, de la superficie o del agua estancada que puede o no haber sido tratada con ozono. El proceso general garantiza la estabilidad biológica del agua.
La investigación ha demostrado que los despliegues a largo plazo de GAC para la purificación del agua pueden beneficiarse del mantenimiento de una biopelícula en la superficie del carbón activado. Alcanzar un equilibrio ecológico sobre el carbón activado biológico hace que el filtro sea más efectivo y resistente, siempre que se pueda mantener la integridad del biofilm(8), de hecho, la vida útil de los biofiltros GAC puede prolongarse de esta manera. El mantenimiento de una biopelícula tan saludable se puede garantizar con un pH ligeramente elevado y un contenido de oxígeno disuelto disminuido, asegurando que no se forme un exceso de bacterias filamentosas.
Sobre la base de esta idea, la investigación ha analizado el efecto de la profundidad del lecho filtrante del GAC biológico en la eficacia general del filtro, con vías de filtro más largas que son responsables de una mayor diversidad de especies bacterianas a través de la masa. Se encontró que el desempeño global no está correlacionado con la elevada presencia de tales bacterias, contraintuitivamente(9). Los investigadores sugieren que el aumento de la funcionalidad (es decir, el rendimiento de filtración mejorado) es el resultado de una distribución más uniforme del material biológico.
Tal comportamiento es útil. La bioabsorción de especies de Cr (VI) por tres bacterias apoyadas en GAC. Se sabe que estas bacterias reducen el cromo a un estado de oxidación más bajo, que luego es adsorbido por el GAC. A 50 mg de L-1 de cromo en solución acuosa, la absorción del metal por el GAC biológico osciló entre 1,96 y 3,60 mg g-1. La duplicación de la concentración de cromo condujo a rangos de captación de 0,66 a 1,12 mg g-1 en los tres tipos de bacterias(10).
Sobre la base de la idea de GAC bacterianas, tal ejemplo se ha desarrollado utilizando la bacteria Phragmitis communis, que es capaz de efectuar la degradación del 4-clorofenol. Cuando una solución acuosa de 4-clorofenol a 100 mg L-1 fue alimentada en la columna GAC-P. communis, alrededor de una cuarta parte estuvo inmediatamente disponible para la biodegradación, mientras que el resto fue adsorbido en el GAC(11). Se pueden aplicar tácticas similares a otros sistemas de agua que buscan eliminar otros compuestos orgánicos clorados.
En general, la naturaleza dual de las bacterias admitidas y el carbón activado granular ofrece beneficios sinérgicos para garantizar un agua más limpia.
Carbón activado como huésped: uso de metales y otros materiales para inmovilizar virus
Una aplicación de nicho, pero muy relevante, para el carbón activado en la filtración de agua es la capacidad de inmovilizar virus transmitidos por el agua en concierto con metales como el oro y la plata, a veces en forma de nanopartículas. Apoyándose en la excelente porosidad y química superficial de GAC, se mejora fácilmente y esto permite el desarrollo y la adaptación de los resultados.
El carbón activado que ha sido modificado con nanopartículas de plata y óxido de cobre ha demostrado ser eficaz en la eliminación de virus del agua(12). Las suspensiones del bacteriófago T4 pasaron a través del filtro, siendo una muestra de GAC que había sido dopada con 0,5% en peso de plata y 1,0% de óxido de cobre responsable de una reducción logarítmica de 5,53 en el bacteriófago T4 en el agua. El contenido de plata y cobre del filtrante resultante estaba muy por debajo de los límites seguros para el agua potable. Por lo tanto, este método es adecuado para la purificación del agua. Del mismo modo, la adsorción de yodo molecular sobre GAC fue eficaz para la inmovilización de E. coli y un virus de la gripe aviar(13). Los resultados se compararon con la cal apagada, ampliamente utilizada como antibacteriano en la agricultura, que el GAC superó fácilmente. Finalmente, se ha investigado la adsorción de virus más contemporáneos, incluido el SARS-CoV2, responsable de la reciente pandemia mundial. Se encontró que la combinación de macro, micro y mesoporos en GAC son suficientemente porosos para inmovilizar el patógeno SARS-CoV2(14). Por lo tanto, los autores del estudio dan crédito a la idea de que las máscaras faciales que contienen carbón activado son efectivas para reducir la transmisión.
Inconvenientes
Al igual que con todos los métodos, existen algunos inconvenientes leves en el uso de carbón activado granular con materiales biológicos. La primera es que si el tratamiento posterior a la filtración no se lleva a cabo, o se completa de manera ineficiente, entonces los mismos patógenos que estamos tratando de filtrar pueden crecer y persistir en la superficie del GAC. Yersinia enterocolitica, Salmonella typhimurium y Escherichia coli son capaces de colonizar y crecer en GAC estéril(15). Esto enfatiza la necesidad de garantizar estrategias adecuadas de retrolavado y / o regeneración para el filtro. Estudios de microscopía electrónica de barrido han demostrado que en algunos casos, incluso con desinfección con una solución diluida de cloro (2 mg L-1), el GAC puede ser colonizado por bacterias que crecen en grietas y hendiduras(16). Por lo tanto, parte de la naturaleza misma de GAC - porosidad - significa que debe tratarse exhaustivamente después del uso. Los autores ofrecen esto como una hipótesis sobre por qué las bacterias pueden persistir en los filtros que se han dejado en agua estancada a largo plazo.
Consultoría de óxido de manganeso
- El carbón activado granular y el carbón granular activado biológico son herramientas útiles para garantizar la estabilidad y la pureza biológica del agua.
- La filtración simple de GAC puede ser aplicable a la eliminación de bacterias del agua bajo ciertas condiciones, confiando en la naturaleza altamente porosa de GAC para hacerlo.
- Dependiendo del tipo de GAC, se puede usar para apoyar bacterias u otra vida molecular para usar como filtro para eliminar, por ejemplo, el cromo de la solución.
- Los virus, incluido el poliovirus, pueden ser inmovilizados por GAC, lo que garantiza agua potable segura. Se observan efectos similares con los bacteriófagos
- Crucial para GAC en entornos biológicos es la capacidad de lavar / regenerar el filtro, de lo contrario se corre el riesgo de que se acumule un patógeno, lo que puede hacer que el filtro esté inactivo.
Referencias
1 W. Sun et al., Water Res., 2020, 177, 115768
2 M. Asami et al., Water Res., 1999, 33, 2797
3 B. Wullings y otros, J. Appl. Microbiol., 2009, 107, 1457
4 C. P. Gerba et al., Environ. Sci. Tecnología., 1975, 9, 727
5 T. Matsishita et al., Separation Purification Tech., 2013, 107, 79
6 A. K. Camper y otros, J. Microbiol. Métodos, 1985, 3, 187
7 M. Sholz y R. J. Martin, Water Res., 1997, 31, 2959
8 N. Boon et al., Water Res., 2011, 45, 6355
9 C. Quintiles y otros, J. Peligro. Mater., 2008, 153, 799
10 P. M. L. Castro y otros, Appl. Microbiol. Biotecnología., 1999, 52, 722
11 M. F. Silva y otros, Environ. Tecnología., 2017, 38, 2058
12 K. Otsuki et al., J. Carbon Res., 2021, 7, 86
13 A. K. Azad y otros, J. Eng. Tecnología. Sci., 2021, 4, 210404
14 G. A. McFeters y otros, Appl. Environ. Microbiol., 1985, 50, 1378
15 G. A. McFeters y otros, Appl. Environ. Microbiol., 1984, 48, 918
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