Carbono Ativado: Material Biológico

É amplamente sabido que o resultado de certos materiais biológicos que entram ou persistem no abastecimento de água: doença. Facilitado a remoção através da utilização de filtragem ativa de carbono, este terceiro artigo numa série de
carbono ativado para purificação de água
, olha para isso mesmo. O fornecimento de água potável é essencial para a vida. Além disso, a utilização de carbono ativado como suporte para material biológico pode ser útil.

Introdução

A ideia por trás da utilização do GAC como
filtro
para material biológico baseia-se na sua porosidade e propriedades superficiais. Moléculas de vírus a macromoléculas a organismos policelulares são capazes de ser presas pelo GAC. Mas usar GAC com moléculas biológicas suportadas nele pode remover poluentes convencionais; os vírus podem ser imobilizados através de uma combinação DE GAC e metal.

Adicionar um filtro de carbono: filtração simples

Os investigadores descobriram que existe uma forte correlação entre proteínas (macromoléculas comparativamente grandes) e a quantidade aumentada de poros de tamanho macro, ou seja. exatamente o que o GAC fornece. Este efeito da distribuição do tamanho dos poros no GAC biológico sugere que a adsorção em toda a superfície é dinâmica, o que abre as portas a diferentes quantidades de tempo de residência, conduzindo a uma variação na biodegradação(1). A biodegradação tem sido historicamente considerada menos importante como adsorção na filtração de biomoléculas GAC. Os poros de tamanho macro têm diâmetros entre 0,2 e 10 μm.

Exemplos de vias de filtração convencionais com GAC biológico incluem aqueles com brometo. O bromo é oxidado ao brometo pelo GAC. A remoção do bromo é fundamental para garantir que a água é boa o suficiente para a expressão biológica(2). A remoção convencional com peróxido de hidrogénio não é um caminho tão atraente. Na via do tratamento da água, as espécies de bactérias Polaromonas e Hydrogenophaga são as bactérias predominantes encontradas filtradas por filtros de carbono ativados granular(3) - entre muitos outros - sugerindo uma ampla aplicabilidade do GAC como uma bactéria que remove filtro. Os problemas com a colonização de bactérias no pós-filtração do GAC são discutidos mais tarde.

Outros tipos de biomolécula incluem vírus. Já na década de 1970, a investigação prosseguia na adsorção do poliovírus sobre o carbono ativado(4). Isto é especialmente importante porque um dos modos de propagação do poliovírus é pela água. Se a água for facilmente filtrada de poliovírus, não pode espalhar-se. A redução do pH da solução de resíduos ou água estagnada para 2,5 a 4,5 torna o GAC um adsorbente muito melhor. Ao moer o GAC a um tamanho poro de cerca de 10 μm, os vírus e bacteriófagos são mais facilmente removidos da solução aquosa tamponada. A vantagem do tamanho de partículas menores do GAC significava que havia uma menor força electroforética repulsiva entre o vírus e a superfície, isto combinado com uma superfície de vírus mais hidrofóbico (o carbono ativado também é hidrofóbico) significava uma melhor filtração(5).

A diferença nos modos de ativação - ativada a vapor ou quimicamente ativada - no GAC foi investigada para a biodegradação do carbono orgânico dissolvido (DOC). A experimentação mostrou pouca ou nenhuma diferença entre os modos. A ozonação, que é um método comum de pré-tratamento para o GAC, também foi sondada e verificou-se que não tinha impacto(6).

Existem uma ampla gama de procedimentos para a remoção de material bacteriano dos filtros GAC, muitos dos quais são semelhantes(7). Escusado será dizer que os filtros GAC são mais do que capazes de resistir a qualquer um.

Como sempre com a filtragem do GAC, o objetivo é remover o máximo de material possível. A filtragem do GAC facilita os processos microbianos que, por si só, são capazes de remover carbono orgânico biodegradável - e outros materiais - da superfície ou de outra forma em pé água que pode ou não ter sido tratada com ozono. O processo global garante a estabilidade biológica da água.

contaminated dirty water that needs treatment

Carbono ativado como hospedeiro: Utilização de materiais biológicos para purificar a água

A investigação demonstrou que as implantações a longo prazo do GAC para a purificação da água podem beneficiar da manutenção de um biofilme na superfície do carbono ativado. Alcançar um equilíbrio ecológico no carbono ativado biológico torna-se um filtro mais eficaz e resistente, desde que a integridade do biofilme possa ser mantida(8), na verdade, as vidas dos biofiltros GAC podem ser prolongadas desta forma. A manutenção de um biofilme tão saudável pode ser assegurada com um pH ligeiramente elevado e um teor de oxigénio dissolvido diminuído, garantindo que as bactérias filamentosas em excesso não se formam.

Com base nesta ideia, a investigação analisou o efeito da profundidade do GAC do gac biológico na eficácia geral do filtro, com as vias de filtro mais longas a serem responsáveis por uma maior diversidade de espécies bacterianas através da massa. Verificou-se que o desempenho global não está correlacionado com a presença elevada de tais bactérias, contraintuitivamente(9). Os investigadores sugerem que o aumento da funcionalidade (ou seja, desempenho de filtração melhorado) é o resultado de uma distribuição mais uniforme do material biológico.

Tal comportamento é útil. A biossudição das espécies cr(VI) por três bactérias apoiadas no GAC. Estas bactérias são conhecidas por reduzir o crómio a um estado de oxidação mais baixo, que é então adsorvado pelo GAC. A 50 mg de crómio L-1 em solução aquosa, a absorção do metal pelo GAC biológico variava entre 1,96 e 3,60 mg g-1. Duplicar a concentração do crómio levou a intervalos de absorção de 0,66 a 1,12 mg g-1 nos três tipos de bactérias (10).

Aproveitando ainda mais a ideia de GACs bacterianos, tal exemplo foi desenvolvido usando a bactéria Phragmitis communis, que é capaz de efetuar a degradação de 4-clorofenol. Quando uma solução aquosa de 4-clorofenol a 100 mg L-1 foi alimentada para a coluna gac-p. communis , cerca de um quarto estava imediatamente disponível para biodegradação enquanto o resto foi adsorva-se para o GAC(11). Táticas semelhantes podem ser aplicadas a outros sistemas de água que procuram remover outros orgânicos clorados.

Globalmente, a dupla natureza das bactérias suportadas e o carbono ativado granular oferece benefícios sinérgicos para garantir água mais limpa.

Beautiful splash of blue water

Carbono ativado como hospedeiro: Usando metais e outros materiais para imobilizar vírus

Um nicho - mas altamente relevante - aplicação para o carbono ativado na filtração da água é a capacidade de imobilizar vírus transportados pela água em conjunto com metais como o ouro e a prata, por vezes em forma de nanopartícula. Apoiando-se na excelente porosidade e química de superfície do GAC, é prontamente melhorado e isso permite o desenvolvimento e a adaptação dos resultados.

O carbono ativado que foi modificado com nanopartículas de prata e óxido de cobre foi demonstrado como eficaz na remoção de vírus da água(12). As suspensões do bacteriófago T4 foram passadas através do filtro, com uma amostra de GAC que tinha sido dopada com 0,5% em prata de peso e 1,0% de óxido de cobre sendo responsável por uma redução de 5,53 registos na bactéria T4 na água. O teor de prata e cobre do filtrante resultante estava muito abaixo dos limites seguros para a água potável. Portanto, este método é adequado para a purificação da água. Da mesma forma, a adsorção do iodo molecular para o GAC foi eficaz para a imobilização de E. coli e de um vírus da gripe aviária(13). Os resultados foram comparados com o limão slaked, amplamente usado como um antibacteriano na agricultura, que o GAC facilmente superou. Por último, foi investigada a adsorção de vírus mais contemporâneos, incluindo o SARS-CoV2 - responsável pela recente pandemia global. Verificou-se que a combinação de macro, micro e meso poros em GAC é suficientemente porosa para imobilizar o agente patogénico SARS-CoV2(14). Os autores do estudo dão, portanto, credibilidade à ideia de máscaras faciais ativadas contendo carbono como eficazes para reduzir a transmissão.

Automated water purification process. Testing and packaging bottles. Water industry. Isolated flat illustration

Desvantagens

Como em todos os métodos, existem algumas ligeiras desvantagens na utilização de carbono ativado granular com materiais biológicos. A primeira é que se o tratamento pós-filtração não ocorrer - ou for concluído ineficientemente - então os próprios agentes patogénicos que estamos tentando filtrar podem crescer e persistir na superfície do GAC. Yersinia enterocolitica, Salmonella typhimurium e Escherichia coli são todas capazes de colonizar e crescer em GAC estéril(15). Isto sublinha a necessidade de assegurar estratégias adequadas de lavagem e/ou regeneração para o filtro. Estudos de microscopia electrónica demonstraram que, em alguns casos, mesmo com a desinfeção com uma solução diluída de cloro (2 mg L-1), o GAC pode ser colonizado por bactérias que crescem em fissuras e fendas(16). Por conseguinte, uma parte da própria natureza do GAC - a porosidade - significa que tem de ser tratado de forma abrangente após a utilização. Os autores oferecem isto como uma hipótese sobre por que as bactérias podem persistir em filtros que foram deixados em água estagnada longamente.

Resumo

  • O carbono ativado granular - e o carbono granular ativado biológico - são ferramentas úteis para garantir a estabilidade e a pureza biológica da água
  • A filtragem simples do GAC pode ser aplicável à remoção de bactérias da água em determinadas condições, confiando na natureza altamente porosa do GAC para o fazer
  • Dependendo do tipo de GAC, pode ser usado para suportar bactérias ou outra vida molecular para usar como filtro para remover, por exemplo, crómio da solução
  • Os vírus, incluindo o poliovírus, são capazes de ser imobilizados pelo GAC, garantindo água potável segura. Efeitos semelhantes são observados com bacteriófagos
  • Crucial para o GAC em configurações biológicas é a capacidade de lavar/regenerar o filtro outro risco de acumulação de um agente patogénico, o que pode tornar o filtro inativo
carboncategory

Referências

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. O microbiol., 2009, 107, 1457

4 C. P. Gerba et al., O Ambiente Ambiente. A Sci. A tecnologia., 1975, 9.727

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

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

7 M. Sholz e 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, o que é que se pode, 2008, 153.799

10 p. M. L. Castro et al., O Appl. O microbiol. A biotecnologia., 1999, 52.722

11 M. F. Silva et al., O Ambiente Ambiente. A tecnologia., 2017, 38, 2058

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

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

14 G.A. McFeters et al., O Appl. O Ambiente Ambiente. O microbiol., 1985, 50, 1378

15 G.A. McFeters et al., O Appl. O Ambiente Ambiente. O microbiol.1984, 48, 918