Активоване вугілля. Давні технології та сучасне матеріалознавство.

Давня технологія адсорбції.

За 1500 років до нашої ери стародавні єгиптяни та індуси вже використовували активоване вугілля для очищення води. Протягом тисячоліть існування людства активоване вугілля було основним засобом очищення води. На сьогоднішній день активоване вугілля у вигляді щільних карбон-блоків або гранул повсюдно використовується для видалення з води неприємних запахів, корекції смаку, сорбції різних домішок.

Проте дослідження за останні 30 років виявили проблему – у типових завданнях фільтрації води активоване вугілля підвищує бактеріальне забруднення. Простіше кажучи, активоване вугілля є ідеальним середовищем для розмноження водних бактерій. Як тільки бактерії колонізують фільтр з активованим вугіллям в очищеній воді рівень бактеріального забруднення (і рівень попередньо сорбованих речовин) стає вищим у порівнянні з вихідною водою. Важливо, що активоване вугілля з бактеріостатичним ефектом (стандарт NSF-42), що містить антибактеріальні речовини, призначене для пригнічення росту гетеротрофних бактерій (HTС-бактерій) у питній воді і не призначене для застосування в системах очищення  мікробіологічно небезпечної води.

Найстаріша антимікробна технологія – срібло.

Щоб мінімізувати проблему посилення мікробіологічного забруднення води, застосовують технології з’єднання з активованим вугіллям антибактеріальних добавок. Сучасні концепції припускають «посилення» вугілля з’єднанням з «розумними матеріалами», що мають стійку біоцидну активність. Одна з таких технологій – з’єднання з вугіллям «розумного матеріалу» на основі срібловмісного цеоліту*. Цеоліт контрольовано виділяє у воду іони срібла на протязі всього терміну служби, пригнічуючи зростання бактерій та захищаючи фільтри від бактеріального забруднення. Механізм виділення цеолітом іонів срібла – це реакції іонного обміну. Умови виділення іонів срібла – контакт із водою та наявність у воді органічних поживних речовин, включаючи електроліти. При досягненні антимікробної концентрації (рівноваги) цеоліт більше не звільняє срібло. Давня технологія активованого вугілля із застосуванням матеріалознавства XXI століття набуває рис наступного покоління технологій фільтрації.

Іони срібла у кристалічній структурі цеоліту.

Проблеми активованого вугілля.

80-ті та 90-ті роки XX століття показали громадськості великі проблеми наслідків для здоров’я наявності у воді шкідливих домішок. Популярність фільтрів із активованим вугіллям різко зросла. Муніципальні служби стали повсюдно застосовувати активоване вугілля для усунення проблем із запахом, смаком та наявністю органічних забруднень у воді. Комерційні компанії та приватні домовласники встановили у свої водопроводи фільтри з активованим вугіллям. Паралельно проводилися численні дослідження ефективності фільтрів з активованим вугіллям у системах зі змінною швидкістю потоку та оцінки проблем із бактеріальним забрудненням. Практично всі дослідні групи відзначали значно вищі рівні бактеріального забруднення в обробленій воді порівняно з вихідною. Протягом нормального терміну служби бактерії, що природно перебувають у воді, колонізували активоване вугілля всередині фільтра. Наявність бактеріального забруднення нікого не здивувала. Самі по собі характеристики активованого вугілля, що перетворюють його на ідеальний сорбент, одночасно перетворюють його і на ідеальний накопичувач бактерій. Бактерії легко прикріплюються до пористої структури активованого вугілля, яка надалі захищає колонії бактерій від змивання з поверхні потоком води. Адсорбційні властивості активованого вугілля забезпечують зростання поживних речовин та кисню у структурі вугілля, сприяють зв’язуванню та нейтралізації хлору. Зазначимо, що більшість бактерій у воді – гетеротрофні бактерії, які не мають патогенності. Однак завжди залишається ймовірність того, що вода може бути заражена патогенними бактеріями, які потенційно будуть колонізувати і розмножуватися в активованому вугіллі.

Бактерії, що колонізують фільтри, утворюють слизові біоплівки – скупчення на поверхні активованого вугілля мікроорганізмів, позаклітинних білків, ДНК та екзополісахаридів. Біоплівки перешкоджають адсорбції, відшаровуючись проникають в оброблену воду, створюючи неприємний запах, смак і вносячи раніше накопичені забруднення.

Механічна очистка здатна видалити біоплівки. Однак, регулярне механічне очищення – це необхідне, але тільки короткострокове рішення. Часта заміна карбон-блоків або гранульованого вугілля – це великі матеріальні та часові витрати. Яке вирішення цієї проблеми? Виробникам потрібно розробити або впровадити акі технології, які запобігали б бактеріальній колонізації фільтра в системах з нерегулярним використанням води.

Розумні матеріали та сучасні рішення.

Для забезпечення антимікробного захисту активованого вугілля виробники звернулися до не менш давньої технології – антибактеріального срібла. У 6 столітті до нашої ери цар Персії Кір видав указ про те, що його питна вода повинна зберігатися і подаватись виключно у срібних ємностях. Срібло – антибактеріальна речовина з широким спектром дії, яка видаляє бактерії з використанням різних механізмів. Навіть у малих концентраціях у воді (на рівні 20 ppb) срібло впливає на метаболізм бактерій, атакує будівельний матеріал бактерій – протеїни, пригнічує механізми розмноження бактерій. Цеоліт, що містить срібло, виявився ефективним засобом захисту активованого вугілля через наявність контрольованого «іонного обміну», що дозволяє виділяти срібло і захищати вугілля протягом всього номінального життєвого циклу. Контрольований іонний обмін передбачає виділення срібла у воді з кристалічної структури цеоліту лише за умов бактеріальної колонізації. Це означає, що цеоліт активується лише за наявності контакту з водою і лише на момент досягнення рівноважної антимікробної концентрації у воді. Результат застосування такої технології – наявність у вихідній воді з фільтру концентрації бактерій, що можна порівняти з концентрацією бактерій у вхідній воді. Без посилення!

Нова парадигма.

Технологія активованого вугілля в поєднанні із срібломістким цеолітом дозволяє виробникам на усталеному ринку водопідготовки рухатися вперед. Немає особливої різниці у пошуку відмінностей одного мікробіологічно незахищеного вугільного фільтра від іншого. Багато споживачів звертають увагу саме на проблему мікробіологічного забруднення у вугільних фільтрах із нерегулярним споживанням води. При цьому багато виробників заявляють про наявність антимікробних функцій у своїх фільтрах з активованим вугіллям, традиційно імпрегнованим сріблом. Проте чим ці заяви підтверджуються? Якими є процедури сертифікації? Чи це підтверджується сертифікатом NSF (National Sanitation Foundation, США)? Багато з цих фільтрів не сертифіковані через те, що просто нездатні забезпечити стабільність протягом заявленого номінального періоду служби фільтра. Целоліти, що містять срібло, сертифіковані за системою NSF, оскільки зберігають антимікробний ефект на протязі всього номінального терміну служби та ефективність сорбції, не схильну до впливу з боку слизових біоплівок, що формуються на поверхні.

Висновок.

Багато виробників карбон-блоків вже застосовують технологію з’єднання вугілля із срібломістким цеолітом*. Але більшість побутових та комерційних власників вугільних фільтрів в системах водоспоживання з нерегулярним відбором води досі не мають уявлення про проблему мікробіологічного забруднення вугілля. Ті, хто знайомий з цією проблемою помилково вважають, що імпрегноване сріблом вугілля здатне її усунути. Можливо, індустрія водопідготовки вже знаходиться на межі вирішення проблеми мікробіологічного забруднення активованого вугілля, що раніше не вирішена протягом 3500 років?

Нітрат срібла. “Золото дурнів”.

Найпростіший спосіб з’єднати будь-які хімічні речовини з активованим вугіллям – процес імпрегнації. Імпрегноване активоване вугілля часто використовують для видалення домішок із природного повітря. Для застосування з водою активоване вугілля імпрегнують нітратом срібла з нагріванням і подальшим перетворенням нітрату в металеве срібло. Теорія стверджує, що металеве срібло виділяє у воду іони, що забезпечують антибактеріальний захист активованого вугілля.

Однак, як часто буває, найпростіше рішення – далеко не найкраще. Експерименти показують, що імпрегноване нітратом срібла активоване вугілля не забезпечує достатній антибактеріальний захист. Найімовірніше, потік води через фільтр вимиває срібло задовго до закінчення заявленого номінального терміну служби фільтра і навіть у початковий період експлуатації. Проведені різними компаніями в галузі водопідготовки численні експериментальні виміри загального мікробного числа в потоці до і після фільтра з імпрегнованим сріблом і нерегулярним режимом відбору води показують, що приблизно у 80% вимірів було перевищення концентрації бактерій у воді після фільтру і в 50% вимірів це перевищення сягало більше 5 разів. Різке збільшення концентрації пояснювалося відшаровуванням біоплівок з поверхні активованого вугілля.

*Як срібломісткий мікробіоцид використовують цеоліт, витриманий в міцелярному розчині, що містить азотнокисле срібло.