Санитарно-гигиеническое состояние питьевой воды является строго контролируемым параметром, с учетом важности этого фактора для здоровья населения По оценкам экспертов ВОЗ до 80 % всех болезней в мировом масштабе связано с низким качеством потребляемой питьевой воды и нарушениями санитарно-гигиенических норм водопотребления. Несмотря на принимаемые меры во всем мире, распространенность инфекционных заболеваний, передающихся через воду, чрезвычайно велика [3]. Более двух третей населения России использует в питьевых целях воды забираемые из поверхностных источников. Отметим, что во всем мире нарастает дефицит питьевой воды, что станет серьезной экономической угрозой в ближайшем будущем. Россия обладает наибольшими запасами пресной воды на планете, однако качество поверхностных источников оставляет желать лучшего, основными загрязнителями являются нефтепродукты, тяжелые металлы, органические соединения, удобрения (нитратные и аммонийные) и микроорганизмы. Поэтому разработка эффективных способов и материалов для очистки воды является важной задачей для ученых и практических специалистов [1].
В настоящее время существуют множество способов очистки воды от микробиологических загрязнений (химическая обработка, мембранная очистка, сорбционный метод), однако применимость многих ограничена по экономическим причинам [4]. Использование адсорбционных фильтров на основе природных минералов, в настоящее время, является перспективным и дешевым методом очистки воды от микробиологических загрязнений [5]. Однако применение фильтров с наполнением из природных компонентов не всегда позволяет достигнуть требуемой эффективности водоочистки. Разрабатываются новые способы модификации сорбентов [2,6] и придания сорбентам антибактериальных свойств, в том числе с использованием наночастиц металлов [7].
Целью данной работы стало исследование свойств фильтрованных материалов на основе природного цеолита и глауконита с модифицированной поверхностью для очистки водных сред от микробиологических загрязнений.
Материалы и методы исследования
Для получения сорбентов использовались природные минералы, в том числе цеолит Холинского месторождения и глауконит Байгузинского месторождения (Бурятия, Россия). Различные фракции в диапазоне 0,1 – 1,0 мм получены механическим путем.
Модификация минерала проведена следующим способом. Навеска минерала массой 20 грамм заливалась раствором соляной кислоты 10 % в объеме 1000 см3. Носитель выдерживался в растворе в течение 2-х часов. Затем производилась промывка разных фракций дистиллированной водой до нейтральной pH. После чего, сушили в лабораторной муфельной печи СНОЛ 23/10 при различных температурах.
Для определения характеристик поверхности сорбента испытания проводились на анализаторе «СОРБТОМЕТР-М» методом тепловой десорбции азота (БЭТ). В ходе испытаний были определены значения удельного объема пор, удельная поверхность и средний размер пор. Определение параметров образцов производили в соответствии с ГОСТом 13525.19–91.
Микробиологические загрязнения в водной среде моделировались в эксперименте суспензией бактерий Escherichia Coli (штамм ATCC 25922), в концентрации 2,5/107 КОЕ/мл. Бактерии Escherichia Coli были выбраны, как основной показатель бактериальной загрязненности воды используемый в практике.
В работе использовались фильтровальные модули с размером фракций загрузки от 0,1 до 1,0 мм. для испытаний были подобраны три фильтрованных модуля с различными фракциями, а также их смесями. Тестовый фильтрованный модуль представляет собой стеклянную трубку (d=8 мм; L=150 мм), плотно заполненную адсорбентом, масса загрузки фильтра варьируется в пределах 6–10 грамм в зависимости от фракции.
Система фильтрации состояла из перистальтического насоса, емкости с бактериальной суспензией, а также стерильной пробирки с фильтратом и соединяющим силиконовым шлангом. Суспензия прокачивалась через фильтровальный модуль с помощью перистальтического насоса, после чего стерильно отбиралась проба, и определялось количество жизнеспособных бактерий. Исходный фильтрат и серийные десятикратные разведения фильтрата проводили на твердые питательные среды (мясо-пептонный агар) в двух повторах, после чего инкубировали в течение 24 часов при 37°С и проводили визуальный подсчет колоний.
Результаты исследования и их обсуждение
Поверхностные характеристики исследуемых материалов показали, что при минимальном размере фракций, менее 0,1 мм, достигаются максимальные значения удельных поверхностей и удельного объема пор (табл. 1). Средний размер пор во всех фракциях изменяется не значительно.
Изучение сорбционных характеристик модифицированных материалов показало удовлетворительную эффективность при удалении микробиологических загрязнений из водных суспензий. В табл. 2 показана эффективность извлечения бактерий в динамических условиях.
Таблица 1
Поверхностные характеристики модифицированных минеральных сорбентов
|
Материал |
Фракция, мм |
Удельная поверхность, м2/г |
Удельный объем пор, см3/г |
Средний размер пор, нм. |
|
Цеолит |
< 0,1 |
25,351 |
0,011 |
1,715 |
|
Цеолит |
0,1–0,5 |
24,158 |
0,010 |
1,715 |
|
Цеолит |
0,5–1,0 |
21,241 |
0,009 |
1,716 |
|
Глауконит |
< 0,1 |
44,74 |
0,013 |
1,714 |
|
Глауконит |
0,1–0,5 |
39,69 |
0,019 |
1,717 |
|
Глауконит |
0,5–1,0 |
30,715 |
0,017 |
1,715 |
Таблица 2
Оценка степени извлечения микробиологических загрязнений из водных сред модифицированными сорбентами
|
Параметр |
Фракция (˂0,1мм) |
Фракция (0,1–0,5 мм) |
Фракция (0,5–1,0 мм) |
|||
|
Цеолит |
Глауконит |
Цеолит |
Глауконит |
Цеолит |
Глауконит |
|
|
Количество бактерий после фильтрации (КОЕ/мл) |
0 |
0 |
1,7 ×105 |
7×106 |
1,0×107 |
1,0×107 |
Стерильный уровень очистки воды от микробиологических загрязнителей удалось получить только при использовании минералов с размером фракции менее 0,1 мм. Более крупные фракции не позволяют обеспечить удовлетворительную очистку воды от бактерий, хотя и уменьшают количество бактерий от 2 до 10 раз, несмотря на высокую исходную концентрацию бактерий 2,5•107 КОЕ/мл. Глауконит незначительно уступал по качеству очистки цеолитам при размере фракции 0,1–0,5 мм. При размере фракции сорбентов до 1,0 мм очистка бактериальной суспензии была крайне незначительна для всех образцов. Стоит отметить, что в данной работе материалы тестировались в виде компактных фильтровальных модулей с небольшим объемом загрузки (6–10 грамм в каждом фильтре). Эффективность удаления бактерий значительно возрастет при увеличении слоя загрузки. Однако мелкие фракции сорбентов создавали большое гидродинамическое сопротивление, что в конечном итоге ухудшает потребительские свойства материала. Целесообразно использовать комбинацию представленных фракций в различных пропорциях для сохранения хорошей гидродинамической проницаемости материала. В целом, показана возможность эффективного удаления бактерий из воды с использованием доступных и дешевых адсорбентов, что расширяет спектр применения отечественного минерального сырья.
Заключение
В работе изучены сорбционные и поверхностные характеристики фильтровальных материалов на основе природных модифицированных минералов. Полученные результаты подтверждают возможность использования модифицированных цеолитов и глауконитов в качестве загрузки для очистки воды от бактерий только при размере фракции сорбента менее 0,1 мм. В целом цеолиты показали большую эффективность при удалении микробиологических загрязнений. Наиболее перспективным представляется использование смеси различных фракций для получения приемлемых уровней очистки воды и гидродинамического сопротивления.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых № МК-5939.2016.8.