Unia Europejska zaproponowała wartość 1 ng L-1 jako standard jakości wody pitnej dla estradiol. Niestety, konwencjonalne technologie tylko częściowo usuwają estradiol. Z tego względu znalezienie alternatywy stało się niezwykle istotne.
W tej sytuacji badacze Tagliavini i Schäfer zaproponowali użycie warstwy cienkiego węgla aktywnego połączonego z membraną. Skoncentrowali się oni na systematycznym badaniu roli rozmiaru węgla aktywnego, aktywacji i chemii powierzchni w usuwaniu estradiolu. Zastosowanie mniejszych cząstek węgla pozwala na osiągnięcie wyznaczonej przez Unię Europejską wartości docelowej 1 ng L-1 na milimetrowej warstwie. Ponadto stwierdzono również, że kinetyczne wzmocnienie adsorpcji poprzez zwiększenie zawartości tlenu w węglu umożliwia usuwanie od 96 do 99% (przy warstwie 2 mm) zanieczyszczeń zawierających OH, takich jak estradiol. Wysoka skuteczność usuwania wraz z niskim ciśnieniem i brakiem tworzenia się produktów ubocznych to cechy, które sprawiają, że UFPBSAC jest obiecującym i alternatywnym podejściem.
Mikrozanieczyszczenia steroidowe
Związki zaburzające funkcjonowanie układu hormonalnego (EDC), zwłaszcza hormony, pojawiają się i są trwałymi mikrozanieczyszczeniami (MP) w środowisku (Luo et al.2014). Badania ekotoksykologiczne wykazały prognozy stężenia bez oddziaływania (PNEC) dla estradiolu (E2) w zakresie od 1 do 5 ng L-1 (Caldwell et al.2012, Anderson et al. 2012, Laurenson i in. 2014). W przypadku innych substancji zaburzających funkcjonowanie układu hormonalnego, PNEC jest na ogół wyższe, oprócz syntetycznego hormonu etynyloestradiolu (EE2), którego raportowane PNEC waha się od 0,035 do 0,35 ng L-1 (Laurenson et al. 2014, Caldwell i in. 2008).
W 2011 roku Komisja Europejska zaproponowała środowiskowe normy jakościowe (EQS) odpowiednio dla E2 i EE2 0,4 i 0,035 ngL-1 (EuropeanCommision 2011). Ponadto zaproponowano standardy jakości wody pitnej 1 ngL-1 dla E2 (EuropeanCommision 2018) zgodnie z zaleceniami Światowa Organizacja Zdrowia (WHO).
W swoim dokumencie dotyczącym ponownego użycia wody pitnej WHO zaleca wielobarierowe jej oczyszczanie polegające na filtracji membranowej (mikro- i ultrafiltracja (MF/UF) oraz odwróconej osmozie (RO)), dezynfekcji UV i zaawansowanych procesach utleniania (AOP) (WHO 2017). Przykład tego podejścia można znaleźć w NEWater, która jest oczyszczalnią ścieków w Singapurze. Połączenie dezynfekcji MF/UF, RO i UV pozwala na zmniejszenie stężenia E2 poniżej 1 ng L-1 (Seah et al. 2008).
Wysokie zużycie energii przez RO wymaga rozwoju bardziej przepuszczalnych procesów, takich jak nanofiltracja (NF) (Schäfer et al.2003, Radjenovic et al. 2008). Jednak nie wszystkie membrany NF umożliwiają całkowite usunięcie obojętnego MP z powodu sorpcji MP do membrany polimerowej i późniejszej dyfuzji (Nghiem et al. 2004). Nowe membrany NF są poniżej dochodzenia w celu przezwyciężenia tego ograniczenia (Guo i in. 2017, Liu i in. 2019a, Liu i in. 2019b). Zaawansowane procesy utleniania, takie jak ozonowanie, skutecznie usuwają MP podczas wytwarzania produktów ubocznych.
Adsorpcja jest uważana za najbardziej odpowiednią opcję dla wody pitnej, ponieważ zapobiega powstawaniu takich produktów ubocznych (Margot i in. 2013).
UF-PBSAC – Jak przeprowadzono badanie?
W przeprowadzanych wcześniej badaniach UF-PBSAC przedstawiono za pomocą komercyjnej maty filtracyjnej PBSAC po stronie permeatu UF (Tagliavini i Schäfer 2018). W opisywanym tu badaniu używana jest ta sama konfiguracja, ale PBSAC jest używany jako milimetrowa warstwa spakowana. W ten sposób warstwa składała się tylko z węgla. Oceniono wpływ właściwości materiału PBSAC na adsorpcję czterech steroidów MP. Najpierw konfigurację warstw zbadano z makroskopowego punktu widzenia, zmieniając rozmiar PBSAC. Potem sprawdzono wpływ właściwości nano i skali molekularnej PBSAC, zmieniając przy tym morfologię porów i zawartość tlenu. Badacze skoncentrowali się na następujących pytaniach:
- W jaki sposób charakterystyka materiału PBSAC wpływa na usuwanie hormonu steroidowego w procesie UF-PBSAC?
- Jaki jest wpływ właściwości materiału PBSAC na kinetykę i pojemność?
- Jaka jest rola struktury porowatej (stopień aktywacji) w procesie?
Co pokazały badania?
Zostały zrealizowane kompleksowe badania właściwości materiału PBSAC, dzięki którym poprawiono wydajność adsorpcji cienkiej warstwy PBSAC. Pozwoliło to osiągnąć lepsze rezultaty w porównaniu do wcześniej prowadzonych badań (Tagliavini i Schäfer 2018). Okazało się, że adsorpcję estradiolu można osiągnąć za pomocą milimetrowej warstwy PBSAC. Po stronie permeatu, osiągając ambitny cel 1 ng L-1.
Wielkość PBSAC w warstwie jest parametrem, który najbardziej wpływa na adsorpcję hormonów. Mniejszy PBSAC (pod względem średnic) pozwala zredukować wymaganą grubość warstwy do 4-6 mm, nadal osiągając docelowe stężenie permeatu dla wysokiej wartości roztworu zasilającego wynoszącej 100 ng L-1. Aktywacja PBSAC nie wpływa na wstępne usunięcie E2, ale wpływa na maksymalną zdolność adsorpcji osiągalną dla MB. W ten sposób rosnąca mikroporowata objętość, powstająca podczas procesu aktywacji, wpływa głównie na pojemność równowagi. Jednak nie na kinetykę adsorpcji, co zostało wcześniej opisane dla PAC przez Newcombe et al. (Newcombe i wsp. 2002).
Najnowocześniejsza domowa nanofiltracja – Chanson NF-370
Badanie chemii powierzchni PBSAC przyniosło istotne wyniki w tym wzroście zawartości tlenu na powierzchni adsorbentu i wykazało większą kinetykę adsorpcji estradiolu. Działo się tak pod wpływem tworzenia się nowych wiązań wodoru. Implikacją tego zjawiska jest po raz kolejny możliwość zmniejszenia potrzeb grubość warstwy w celu osiągnięcia docelowego stężenia estradiolu w permeacie.
Połączenie UF z warstwą PBSAC po stronie permeatu to prosty i skuteczny proces usuwania mikrozanieczyszczeń takich jak hormon estradiol z wody. Poza satysfakcjonującymi wynikami takie podejście ma kilka dodatkowych zalet w porównaniu do innych, konkurencyjnych technologii:
- proces przebiega pod niższym ciśnieniem w porównaniu z odwróconą osmozą i nanofiltracją;
- ma mniejszy ślad i mniejsze zużycie węgla w porównaniu z kolumną adsorpcyjną;
- pozwala uniknąć tworzenia niebezpiecznych produktów ubocznych.
Rozwiązanie zaproponowane przez Tagliavini i Schäfer dało nowe możliwości w zakresie skutecznego usuwania estradiolu. Dzięki temu można nie tylko spełnić nowe przepisy jakościowe Unii Europejskiej, ale i skuteczniej zadbać o zdrowie ludzi.
Tłumaczenie własne Symec Consulting jonizatory.eu na podstawie Polymer-based spherical activated carbon – ultrafiltration (UF-PBSAC) for the adsorption of steroid hormones from water: material characteristics and process configuration, https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135420307867?via%3Dihub
Wszelkie materiały, artykuły (w szczególności depesze, zdjęcia, grafiki, pliki video) zamieszczone na serwisie „jonizatory.eu” chronione są przepisami. Wg ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych oraz ustawy z dnia 27 lipca 2001 r. o ochronie baz danych. Ich kopiowanie lub modyfikacje będą zgłaszane do odpowiednich służb.
