Главная > Статьи > Страница13

Активированный уголь. Древние технологии и современное материаловедение.

Древняя технология адсорбции.

За 1500 лет до нашей эры древние египтяне и индусы уже использовали активированный уголь для очистки воды. На протяжении тысячелетий существования человечества активированный уголь был основным средством очистки воды. На сегодняшний день активированный уголь в виде плотных карбон-блоков или гранул повсеместно используется в для удаления из воды неприятных запахов, коррекции вкуса, сорбции различных примесей.

Однако,  исследования за последние 30 лет обнаружили проблему – в типичных задачах фильтрации воды  активированный уголь повышает бактериальное загрязнение. Проще говоря, активированный уголь – идеальная среда для размножения водных бактерий. Как только бактерии колонизируют фильтр с активированным углем в очищенной воде уровень бактериального загрязнения (и уровень ранее удаляемых веществ) становится выше в сравнении с исходной водой. Важно отметить, что активированный уголь с бактериостатическим эффектом (стандарт NSF-42), содержащий антибактериальные вещества, предназначен для подавления роста гетеротрофных бактерий (HTС-бактерий) в питьевой воде и не предназначен для применения в системах очистки изначально микробиологически небезопасной воды.

Старейшая антимикробная технология – серебро.

 Чтобы минимизировать проблему усиления микробиологического загрязнения воды применяют технологии соединения с активированным углем антибактериальных добавок. Современные концепции   предполагают «усиление» угля соединением с «умными материалами», обладающими устойчивой биоцидной активностью. Одна из таких технологий – соединение с углем «умного материала» на основе серебросодержащего цеолита*. Цеолит контролируемо выделяет в воду ионы серебра в течении всего срока службы, подавляя рост бактерий и защищая фильтры от бактериального загрязнения. Механизм выделения ионов цеолитом – реакции ионного обмена. Условия выделения ионов серебра – контакт с водой и наличие в воде органических питательных веществ, включая электролиты. При достижении антимикробной концентрации (равновесия) цеолит больше не высвобождает серебро. Древняя технология активированного угля с применением материаловедения XXI века приобретает черты следующего поколения технологий фильтрации.

Ионы серебра в кристаллической структуре цеолита.

Проблемы активированного угля.

 80-е и 90-е годы XX столетия показали общественности обширные проблемы последствий для здоровья наличия в воде примесей. Популярность фильтров с активированным углем резко возросла. Муниципальные службы стали повсеместно применять активированный уголь для устранения проблем с запахом, вкусом и наличием органических загрязнений в воде. Коммерческие компании и частные домовладельцы установили в свои водопроводы фильтры с активированным углем. Параллельно проводились  многочисленные исследования эффективности фильтров с активированным углем в системах с переменной скоростью потока и оценки проблем с бактериальным загрязнением. Практически все исследовательские группы отмечали значительно более высокие уровни бактериального загрязнения в обработанной воды в сравнении с исходной. В течении нормального срока службы естественным образом находящиеся в воде бактерии колонизировали активированный уголь внутри фильтра. Наличие бактериального загрязнения никого не удивило. Сами по себе характеристики активированного угля, превращающие его в идеальный сорбент, одновременно превращают его и в идеальный накопитель бактерий.  Бактерии легко прикрепляются к пористой структуре активированного угля, которая в дальнейшем защищает растущие колонии от смывания с поверхности потоком воды.  Адсорбционные свойства активированного угля обеспечивают рост питательных веществ и кислорода в структуре угля, способствуют связыванию и нейтрализации хлора. Отметим, что большинство бактерий в воде – гетеротрофные бактерии, не обладающие патогенностью. Однако, всегда остается вероятность того, что вода может быть заражена патогенными бактериями, которые потенциально будут колонизировать и размножаться в активированном угле.

Бактерии, колонизирующие фильтры, образуют слизистые биопленки – скопление на поверхности активированного угля микроорганизмов, внеклеточных белков, ДНК и экзополисахаридов. Биопленки препятствуют адсорбции, отслаиваясь проникают в обработанную воду, создавая неприятный запах, вкус и внося ранее накопленные загрязнения.

Механическая очистка способна удалить биопленки. Однако, регулярная механическая очистка – это необходимое, но только краткосрочное решение.  Частая замена карбон-блоков или гранулированного угля  — это большие материальные и временные затраты. Какое решение этой проблемы? Производителям нужно разработать или внедрить технологии, предотвращающие бактериальную колонизацию фильтра в системах с нерегулярным использованием воды.

Умные материалы и современные решения.

 Для обеспечения антимикробной защиты активированного угля производители обратились не менее древней технологии – антибактериальному серебру. В 6 веке до нашей эры царь Персии Кир издал указ о том, что его питьевая вода должна храниться и подаваться исключительно в серебряных емкостях. Серебро – антибактериальное вещество с широким спектром действия, удаляющее бактерии с использованием различных механизмов. Даже в малых концентрациях в воде (на уровне 20 ppb) серебро воздействует на метаболизм бактерий, атакует строительный материал бактерий – протеины, подавляет механизмы размножения бактерий.  Серебросодержащий цеолит оказался эффективным средством защиты активированного угля по причине наличия контролируемого «ионного обмена», позволяющего выделять серебро  и защищать уголь на протяжении всего номинального жизненного цикла. Контролируемый ионный обмен предполагает выделение серебра в воде из кристаллической структуры цеолита только при наличии условий бактериальной колонизации. Это означает, что цеолит активируется только при наличии контакта с водой и только на момент достижения равновесной антимикробной концентрации в окружающей воде. Результат применения такой технологии – наличие в выходной воде из фильтра концентрации бактерий, сопоставимой с концентрацией бактерий во входной воде. Без усиления!

Новая парадигма.

 Технология активированного угля в соединении с серебросодержащим цеолитом позволяет производителям на прочно устоявшемся рынке водоподготовки двигаться вперед. Нет особой разницы в поиске отличий одного микробиологически незащищенного угольного фильтра от другого. Многие потребители обращают внимание именно на проблему микробиологического загрязнения в угольных фильтрах с нерегулярным потреблением воды. При этом многие производители заявляют о наличии антимикробных функций в своих фильтрах с активированным углем, традиционно импрегнированным серебром. Однако, чем эти заявления подтверждаются? Какими процедурами сертификации? Подтверждается ли это сертификатом NSF (National Sanitation Foundation, США)? Многие из этих фильтров не сертифицированы по той причине, что просто неспособны обеспечить стабильность в течении заявленного номинального периода службы фильтра. Серебросодержащие цеолиты сертифицированы с системе NSF так как сохраняют антимикробный эффект в течении всего номинального срока службы и эффективность сорбции, не подверженную влиянию со стороны формирующихся на поверхности слизистых биопленок.

Заключение.

Многие производители карбон-блоков уже применяют технологию соединения угля с серебросодержащим цеолитом*. Многие бытовые и коммерческие владельцы угольных фильтров с нерегулярным отбором воды до сих пор не имеют представления о проблеме микробиологического загрязнения угля. Те, кто знаком с этой проблемой ошибочно полагают, что  импрегнированный серебром уголь способен ее устранить.  Возможно, индустрия водоподготовки оказалась на грани решения проблемы микробиологического загрязнения активированного угля, ранее не решенной на протяжении 3500 лет.

Нитрат серебра. Золото дураков.

Самый простой способ соединить какие-либо химические вещества с активированным углем — процесс импрегнации. Импрегнированный активированный уголь часто используют для удаления примесей из природного воздуха. Для применения с водой активированный уголь импрегнируют нитратом серебра с нагревом и последующим преобразованием нитрата в металлическое серебро. Теория утверждает то, что металлическое серебро выделяет в воду ионы серебра, обеспечивающие антибактериальную защиту активированного угля.

Однако, как часто бывает, самое простое решение – далеко не самое лучшее. Эксперименты показывают, что импрегнированный нитратом серебра активированный уголь не обеспечивает достаточную антибактериальную защиту. Вероятнее всего, поток воды через фильтр вымывает серебро задолго до окончания заявленного номинального срока службы фильтра и предположительно даже в начальный период эксплуатации. Проведенные различными компаниями в области водоподготовки многочисленные экспериментальные замеры общего микробного числа в потоке до и после фильтра с импрегнированным серебром и нерегулярным режимом отбора воды показывают, что в приблизительно 80% замеров было превышение концентрации бактерий в воде после фильтра и в 50% замеров это превышение было как минимум в 5 раз больше начального уровня. Резкое увеличение концентрации объяснялось отслаиванием биопленок с поверхности активированного угля.

*В качестве серебросодержащего микробиоцида используют цеолит, выдержанный в мицеллярном растворе, содержащем азотнокислое серебро.