Charbon actif : matière biologique

Il est bien connu que le résultat de certaines matières biologiques entrant ou persistant dans l’approvisionnement en eau: la maladie. Rendu plus facile à éliminer grâce à l’utilisation de la filtration au charbon actif, ce troisième article d’une série de
charbon actif pour la purification de l’eau
, se penche justement sur cela. L’approvisionnement en eau potable propre est essentiel à la vie - c’est aussi simple que cela. De plus, l’utilisation de charbon actif comme support pour le matériel biologique peut être utile.

Introduction

L’idée derrière l’utilisation du CAG comme
filtre
pour le matériel biologique est basée sur sa porosité et ses propriétés de surface. Des molécules allant des virus aux macromolécules en passant par les organismes polycellulaires peuvent être piégées par le CAG. Mais l’utilisation de CAG avec des molécules biologiques soutenues peut éliminer les polluants conventionnels; Les virus peuvent être immobilisés via une combinaison de CAG et de métal.

Ajout d’un filtre à charbon: filtration simple

Les chercheurs ont constaté qu’il existe une forte corrélation entre les protéines (macromolécules relativement grandes) et la quantité accrue de pores de macro-taille, c’est-à-dire. exactement ce que GAC fournit. Cet effet de la distribution de la taille des pores sur le CAG biologique suggère que l’adsorption sur toute la surface est dynamique, ce qui ouvre la porte à différentes quantités de temps de séjour, ce qui entraîne une variance de la biodégradation(1). La biodégradation a toujours été considérée comme moins importante que l’adsorption dans la filtration des biomolécules au CAG. Les pores de taille macro ont des diamètres compris entre 0,2 et 10 μm.

Des exemples de voies de filtration conventionnelles avec CAG biologique comprennent celles avec du bromate. Le bromate est oxydé en bromure par le CAG. L’élimination du bromate est essentielle pour s’assurer que l’eau est suffisamment bonne pour l’expression biologique(2). L’élimination conventionnelle avec du peroxyde d’hydrogène n’est pas une voie aussi attrayante. Dans la voie de traitement de l’eau, les espèces bactériennes Polaromonas et Hydrogenophaga sont les bactéries prédominantes filtrées par des filtres à charbon actif granulaires(3) - parmi beaucoup d’autres - suggérant une large applicabilité du CAG en tant que filtre d’élimination des bactéries. Les problèmes de colonisation des bactéries sur le CAG après filtration sont discutés plus loin.

D’autres types de biomolécules comprennent les virus. Dès les années 1970, on a étudié l’adsorption du poliovirus sur le charbon actif(4). Ceci est d’autant plus important que l’un des modes de propagation du poliovirus est l’eau. Si l’eau est facilement filtrée du poliovirus, il ne peut pas se propager. La réduction du pH de la solution des déchets ou de l’eau stagnante à 2,5 à 4,5 légèrement acide fait du CAG un adsorbant beaucoup plus performant. En broyant le CAG à une taille de pores d’environ 10 μm, les virus et les bactériophages sont plus facilement éliminés de la solution aqueuse tamponnée. L’avantage de la plus petite taille des particules du CAG signifiait qu’il y avait une force de répulsion électrophorétique plus faible entre le virus et la surface, ce qui, combiné à une surface virale plus hydrophobe (le charbon actif est également hydrophobe), signifiait une meilleure filtration(5).

La différence entre les modes d’activation - activé à la vapeur ou activé chimiquement - sur CAG a été étudiée pour la biodégradation du carbone organique dissous (COD). L’expérimentation a montré peu ou pas de différence entre les modes. L’ozonation, qui est une méthode courante de prétraitement du CAG, a également été étudiée et n’a eu aucune incidence(6).

Il existe un large éventail de procédures pour éliminer les matières bactériennes des filtres au CAG, dont bon nombre sont similaires(7). Il va sans dire que les filtres CAG sont plus que capables de résister à n’importe qui.

Comme toujours avec la filtration au CAG, l’objectif est d’éliminer autant de matière que possible. La filtration au CAG facilite les processus microbiens qui sont eux-mêmes capables d’éliminer le carbone organique biodégradable - et d’autres matériaux - de l’eau de surface ou de l’eau stagnante qui peut ou n’a pas été traitée à l’ozone. L’ensemble du processus assure la stabilité biologique de l’eau.

eau sale

Le charbon actif en tant qu’hôte: utiliser des matériaux biologiques pour purifier l’eau

La recherche a montré que les déploiements à long terme de CAG pour la purification de l’eau peuvent bénéficier du maintien d’un biofilm à la surface du charbon actif. L’atteinte d’un équilibre écologique sur charbon actif biologique permet d’obtenir un filtre plus efficace et plus résistant, à condition que l’intégrité du biofilm puisse être maintenue(8), en fait, la durée de vie des biofiltres au CAG peut être prolongée de cette manière. Le maintien d’un biofilm aussi sain peut être assuré avec un pH légèrement élevé et une teneur réduite en oxygène dissous, garantissant ainsi la formation d’un excès de bactéries filamenteuses.

S’appuyant sur cette idée, la recherche a examiné l’effet de la profondeur du lit filtrant du CAG biologique sur l’efficacité globale du filtre, les voies de filtration plus longues étant responsables d’une plus grande diversité d’espèces bactériennes dans la masse. Il a été constaté que la performance globale n’est pas corrélée à la présence élevée de telles bactéries, de manière contre-intuitive(9). Les chercheurs suggèrent que la fonctionnalité accrue (c’est-à-dire l’amélioration des performances de filtration) est le résultat d’une distribution plus uniforme du matériel biologique.

Un tel comportement est utile. La biosorption des espèces de Cr(VI) par trois bactéries appuyées sur le CAG. Ces bactéries sont connues pour réduire le chrome à un état d’oxydation inférieur, qui est ensuite adsorbé par le CAG. À 50 mg de chrome L-1 en solution aqueuse, l’absorption du métal par le CAG biologique variait entre 1,96 et 3,60 mg g-1. Le doublement de la concentration de chrome a conduit à des plages d’absorption de 0,66 à 1,12 mg g-1 pour les trois types de bactéries(10).

S’appuyant sur l’idée de GAC bactériens, un tel exemple a été développé en utilisant la bactérie Phragmitis communis, qui est capable d’effectuer la dégradation du 4-chlorophénol. Lorsqu’une solution aqueuse de 4-chlorophénol à 100 mg L-1 a été introduite dans la colonne de CAG-P. communis, environ un quart était immédiatement disponible pour la biodégradation, tandis que le reste était adsorbé sur le CAG(11). Des tactiques similaires peuvent être appliquées à d’autres systèmes d’eau cherchant à éliminer d’autres matières organiques chlorées.

Dans l’ensemble, la double nature des bactéries supportées et du charbon actif granulaire offre des avantages synergiques pour assurer une eau plus propre.

Belle éclaboussure d’eau bleue

Le charbon actif en tant qu’hôte : utiliser des métaux et d’autres matériaux pour immobiliser les virus

Une application de niche - mais très pertinente - du charbon actif dans la filtration de l’eau est la capacité d’immobiliser les virus d’origine hydrique de concert avec des métaux tels que l’or et l’argent, parfois sous forme de nanoparticules. S’appuyant sur l’excellente porosité et la chimie de surface du CAG, il est facilement amélioré, ce qui permet l’élaboration et l’adaptation des résultats.

Le charbon actif qui a été modifié avec des nanoparticules d’argent et d’oxyde de cuivre s’est révélé efficace pour éliminer les virus de l’eau(12). Des suspensions du bactériophage T4 ont été passées à travers le filtre, un échantillon de CAG dopé à 0,5 % en poids d’argent et à 1,0 % d’oxyde de cuivre étant responsable d’une réduction logarithmique de 5,53 % du bactériophage T4 dans l’eau. La teneur en argent et en cuivre du filtrant résultant était bien inférieure aux limites de sécurité pour l’eau potable. Par conséquent, cette méthode convient à la purification de l’eau. De même, l’adsorption de l’iode moléculaire sur le CAG était efficace pour l’immobilisation d’E. coli et d’un virus de la grippe aviaire(13). Les résultats ont été comparés à la chaux éteinte, largement utilisée comme antibactérien en agriculture, que le CAG a facilement surpassée. Enfin, l’adsorption de virus plus contemporains, y compris le SRAS-CoV2 - responsable de la récente pandémie mondiale - a été étudiée. Il a été constaté que la combinaison des pores macro, micro et méso dans le CAG est suffisamment poreuse pour immobiliser l’agent pathogène du SRAS-CoV2(14). Les auteurs de l’étude donnent donc foi à l’idée que les masques faciaux contenant du charbon actif sont efficaces pour réduire la transmission.

Processus automatisé de purification de l'eau.

Inconvénients

Comme pour toutes les méthodes, l’utilisation de charbon actif granulaire avec des matériaux biologiques présente de légers inconvénients. La première est que si le traitement post-filtration n’a pas lieu - ou est effectué de manière inefficace - alors les agents pathogènes mêmes que nous essayons de filtrer peuvent se développer et persister à la surface du CAG. Yersinia enterocolitica, Salmonella typhimurium et Escherichia coli peuvent toutes coloniser et se développer avec du CAG stérile(15). Cela souligne la nécessité de garantir des stratégies adéquates de lavage à contre-courant et/ou de régénération du filtre. Des études en microscopie électronique à balayage ont montré que, dans certains cas, même avec une désinfection avec une solution de chlore dilué (2 mg L-1), le CAG peut être colonisé par des bactéries qui se développent dans les fissures et les crevasses(16). Par conséquent, une partie de la nature même du CAG - la porosité - signifie qu’il doit être traité de manière exhaustive après utilisation. Les auteurs proposent cela comme une hypothèse sur la raison pour laquelle les bactéries peuvent persister dans les filtres qui ont été laissés dans l’eau stagnante à la longue.

Résumé

  • Le charbon actif granulaire - et le charbon actif actif biologique - sont des outils utiles pour assurer la stabilité et la pureté biologique de l’eau
  • La simple filtration au CAG peut être applicable à l’élimination des bactéries de l’eau dans certaines conditions, en s’appuyant sur la nature hautement poreuse du CAG pour le faire.
  • Selon le type de CAG, il peut être utilisé pour soutenir les bactéries ou une autre vie moléculaire à utiliser comme filtre pour éliminer, par exemple, le chrome de la solution
  • Les virus, y compris le poliovirus, peuvent être immobilisés par AMC, ce qui garantit une eau potable salubre. Des effets similaires sont observés avec les bactériophages
  • Pour le CAG dans les milieux biologiques, il est essentiel de pouvoir laver ou régénérer le filtre, sinon le risque d’accumulation d’agents pathogènes, ce qui peut rendre le filtre inactif.
Carbone

Références

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. Microbiol., 2009, 107, 1457

4 C. P. Gerba et al., Environ. Sci. Tech., 1975, 9, 727

5 T. Matsishita et coll., Separation Purification Tech., 2013, 107, 79

6 A. K. Camper et al., J. Microbiol. Méthode, 1985, 3, 187

7 M. Sholz et R. J. Martin, Water Res., 1997, 31, 2959

8 N. Boon et coll., Water Res., 2011, 45, 6355

9 C. Quintiles et coll., J. Hazard. Mater., 2008, 153, 799

22 H L. Castro et al., Appl. Microbiol. Biotechnologie., 1999, 52, 722

11 M. F. Silva et al., Environ. Tech., 2017, 38, 2058

12 K. Otsuki et coll., J. Carbon Res., 2021, 7, 86

13 A. K. Azad et al., J. Eng. Tech. Sci., 2021, 4, 210404

14 G. A. McFeters et coll., Appl. Environ. Microbiol., 1985, 50, 1378

15 G. A. McFeters et coll., Appl. Environ. Microbiol., 1984, 48, 918