Pengenalan
Idea di sebalik menggunakan GAC sebagai
penapis
untuk bahan biologi adalah berdasarkan keliangan dan sifat permukaannya. Molekul daripada virus kepada makromolekul kepada organisma polycellular boleh terperangkap oleh GAC. Tetapi menggunakan GAC dengan molekul biologi yang disokong di atasnya boleh menghilangkan bahan pencemar konvensional; virus boleh digerakkan melalui GAC dan gabungan logam.
Menambah Penapis Karbon: Penapisan Mudah
Para penyelidik telah mendapati bahawa terdapat korelasi yang kuat antara protein (makromolekul yang agak besar) dan peningkatan jumlah liang bersaiz makro, iaitu. betul-betul apa yang GAC sediakan. Kesan pengedaran saiz liang pada GAC biologi menunjukkan bahawa penjerapan di seluruh permukaan adalah dinamik, yang membuka pintu kepada jumlah masa kediaman yang berbeza, yang membawa kepada varians dalam biodegradasi (1). Biodegradasi secara sejarah dianggap kurang penting sebagai penjerapan dalam penapisan GAC biomolekul. Liang bersaiz makro mempunyai diameter antara 0.2 dan 10 μm.
Contoh laluan penapisan konvensional dengan GAC biologi termasuk mereka yang mempunyai bromate. Bromate dioksidakan untuk bromida oleh GAC. Pembuangan bromate adalah penting dalam memastikan air cukup baik untuk ungkapan biologi (2). Penyingkiran konvensional dengan hidrogen peroksida tidak begitu menarik laluan. Dalam laluan rawatan air, spesies bakteria Polaromonas dan Hydrogenophaga adalah bakteria utama yang didapati ditapis oleh penapis karbon diaktifkan berbutir(3) - antara yang lain - mencadangkan kebolehgunaan luas GAC sebagai penapis penyingkiran bakteria. Masalah dengan penjajahan bakteria pada GAC selepas penapisan dibincangkan kemudian.
Jenis biomolekul lain termasuk virus. Seawal tahun 1970-an, penyelidikan diteruskan ke dalam penjerapan poliovirus ke karbon diaktifkan (4). Ini amat penting kerana salah satu cara penyebaran poliovirus adalah dengan air. Sekiranya air mudah ditapis poliovirus, ia tidak boleh merebak. Mengurangkan larutan pH sisa atau air bertakung kepada sedikit berasid 2.5 hingga 4.5 menjadikan GAC penyerap yang berprestasi lebih baik. Dengan mengisar GAC kepada saiz liang sekitar 10 μm, virus dan bakteria lebih mudah dikeluarkan daripada larutan akueus buffered. Kelebihan saiz zarah yang lebih kecil GAC bermakna terdapat daya menjijikkan elektroforetik yang lebih kecil antara virus dan permukaan, ini digabungkan dengan permukaan virus yang lebih hidrofobik (karbon diaktifkan juga hidrofobik) bermakna penapisan yang lebih baik (5).
Perbezaan mod pengaktifan - stim diaktifkan atau diaktifkan secara kimia - pada GAC telah disiasat untuk biodegradasi karbon organik terlarut (DOC). Eksperimen menunjukkan sedikit atau tiada perbezaan antara mod. Ozonation, yang merupakan kaedah pretreatment biasa untuk GAC, juga disiasat dan didapati tidak mempunyai kesan (6).
Terdapat pelbagai prosedur untuk mengeluarkan bahan bakteria dari penapis GAC, yang kebanyakannya serupa (7). Ia tidak mengatakan bahawa penapis GAC lebih daripada mampu menentang mana-mana.
Seperti biasa dengan penapisan GAC, tujuannya adalah untuk mengeluarkan sebanyak mungkin bahan. Penapisan GAC memudahkan proses mikrob yang sendiri dapat mengeluarkan karbon organik biodegradasi - dan bahan lain - dari permukaan atau sebaliknya air berdiri yang mungkin atau mungkin tidak dirawat dengan ozon. Proses keseluruhan memastikan kestabilan biologi air.
Penyelidikan telah menunjukkan bahawa penggunaan jangka panjang GAC untuk pembersihan air boleh mendapat manfaat daripada mengekalkan biofilm pada permukaan karbon diaktifkan. Mencapai keseimbangan ekologi pada karbon diaktifkan biologi menjadikan penapis yang lebih berkesan dan berdaya tahan, menyediakan integriti biofilm dapat dikekalkan(8), sebenarnya, jangka hayat biofilters GAC boleh berpanjangan dengan cara ini. Penyelenggaraan biofilm yang sihat dapat dipastikan dengan pH yang sedikit tinggi dan penurunan kandungan oksigen terlarut, memastikan bakteria filamen berlebihan tidak terbentuk.
Membina idea ini, penyelidikan telah melihat kesan kedalaman katil penapis GAC biologi pada keberkesanan penapis keseluruhan, dengan laluan penapis yang lebih lama bertanggungjawab terhadap kepelbagaian spesies bakteria yang lebih besar melalui pukal. Didapati bahawa prestasi keseluruhan tidak dikaitkan dengan kehadiran bakteria tersebut yang tinggi, secara melawan (9). Penyelidik mencadangkan bahawa fungsi yang meningkat (iaitu prestasi penapisan yang dipertingkatkan) adalah hasil daripada pengedaran bahan biologi yang lebih sekata.
Tingkah laku sedemikian berguna. Biosorpsi spesies Cr(VI) oleh tiga bakteria yang disokong pada GAC. Bakteria ini diketahui mengurangkan kromium ke keadaan pengoksidaan yang lebih rendah, yang kemudiannya diserap oleh GAC. Pada 50 mg kromium L-1 dalam larutan berair, pengambilan logam oleh GAC biologi berkisar antara 1.96 dan 3.60 mg g-1. Menggandakan kepekatan kromium membawa kepada julat pengambilan 0.66 hingga 1.12 mg g-1 merentasi tiga jenis bakteria (10).
Bangunan selanjutnya mengenai idea GAC bakteria, contoh sedemikian telah dibangunkan menggunakan bakteria Phragmitis communis, yang dapat mempengaruhi kemerosotan 4-chlorophenol. Apabila larutan akueus 4-chlorophenol pada 100 mg L-1 diberi makan ke lajur komunis GAC-P. Kira-kira satu perempat segera tersedia untuk biodegradasi manakala selebihnya diserap ke GAC (11). Taktik yang sama boleh digunakan untuk sistem air lain yang ingin mengeluarkan organik berklorin yang lain.
Secara keseluruhan, sifat ganda bakteria yang disokong dan karbon diaktifkan berbutir menawarkan faedah sinergi dalam memastikan air bersih.
Karbon Diaktifkan Sebagai Tuan Rumah: Menggunakan Logam Dan Bahan Lain Untuk Menggerakkan Virus
Satu niche - tetapi sangat relevan - aplikasi untuk karbon diaktifkan dalam penapisan air adalah keupayaan untuk menggerakkan virus bawaan air bersama-sama dengan logam seperti emas dan perak, kadang-kadang dalam bentuk nanopartikel. Bersandar pada keliangan GAC dan kimia permukaan yang sangat baik, ia mudah dipertingkatkan dan ini membolehkan pembangunan dan penyesuaian hasil.
Karbon teraktif yang telah diubah suai dengan nanopartikel perak dan oksida tembaga telah ditunjukkan sebagai berkesan untuk mengeluarkan virus dari air (12). Penggantungan bakteria T4 telah diluluskan melalui penapis, dengan sampel GAC yang telah doped dengan 0.5% oleh perak berat dan 1.0% oksida tembaga bertanggungjawab untuk pengurangan log 5.53 bakteria T4 di dalam air. Kandungan perak dan tembaga filtrant yang terhasil jauh di bawah had selamat untuk air minuman. Oleh itu, kaedah ini sesuai untuk pembersihan air. Begitu juga, penjerapan iodin molekul ke GAC adalah berkesan untuk imobilisasi E. coli dan virus influenza avian (13). Keputusan dibandingkan dengan kapur slaked, digunakan secara meluas sebagai antibakteria dalam pertanian, yang GAC mudah mengatasi prestasi. Akhirnya, penjerapan virus yang lebih kontemporari termasuk SARS-CoV2 - yang bertanggungjawab untuk wabak global baru-baru ini - telah disiasat. Didapati bahawa gabungan liang makro, mikro dan meso dalam GAC cukup berliang untuk menggerakkan patogen SARS-CoV2 (14). Oleh itu, penulis kajian memberikan kepercayaan kepada idea topeng muka yang mengandungi karbon diaktifkan sebagai berkesan untuk mengurangkan penularan.
Kelemahan
Seperti semua kaedah, terdapat sedikit kelemahan untuk menggunakan karbon diaktifkan berbutir dengan bahan biologi. Yang pertama ialah jika rawatan pasca penapisan tidak berlaku - atau diselesaikan dengan tidak cekap - maka patogen yang kami cuba tapis mungkin tumbuh dan berterusan di permukaan GAC. Yersinia enterocolitica, Salmonella typhimurium dan Escherichia coli semuanya mampu menjajah dan berkembang pada GAC steril (15). Ini menekankan keperluan untuk memastikan strategi backwashing dan / atau penjanaan semula yang mencukupi untuk penapis. Mengimbas kajian mikroskop elektron telah menunjukkan bahawa dalam beberapa kes, walaupun dengan pembasmian kuman dengan larutan klorin cair (2 mg L-1), GAC boleh dijajah oleh bakteria yang tumbuh di retak dan celah (16). Oleh itu, sebahagian daripada sifat GAC - keliangan - bermakna ia perlu dirawat secara komprehensif selepas penggunaan. Penulis menawarkan ini sebagai hipotesis mengapa bakteria boleh berterusan dalam penapis yang telah ditinggalkan di dalam air bertakung panjangnya.
Ringkasan
- Karbon diaktifkan berbutir - dan karbon berbutir diaktifkan biologi - adalah alat yang berguna dalam memastikan kestabilan dan kesucian biologi air
- Penapisan GAC mudah boleh digunakan untuk penyingkiran bakteria dari air di bawah keadaan tertentu, bergantung pada sifat GAC yang sangat berliang untuk berbuat demikian
- Bergantung kepada jenis GAC, ia boleh digunakan untuk menyokong bakteria atau kehidupan molekul lain untuk digunakan sebagai penapis untuk membuang, sebagai contoh, kromium dari larutan
- Virus, termasuk poliovirus, dapat digerakkan oleh GAC, memastikan air bersih yang selamat. Kesan yang sama diperhatikan dengan bacteriophages
- Penting untuk GAC dalam tetapan biologi adalah keupayaan untuk mencuci / menjana semula penapis lain risiko pembentukan patogen, yang boleh menyebabkan penapis tidak aktif
Rujukan
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. Mini. Tech., 1975, 9, 727
5 T. Matsishita et al., Separation Purification Tech., 2013, 107, 79
6 A. K. Camper et al., J. Microbiol. Kaedah, 1985, 3, 187
7 M. Sholz dan R. J. Martin, Water Res., 1997, 31, 2959
8 N. Boon et al., Water Res., 2011, 45, 6355
9 C. Quintiles et al., J. bahaya. 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. Mini., 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
You must be logged in to post a comment.