Эффективное удаление патогенов в экологически чистых фильтрах Moringa из натурального волокна.

npj Чистая вода, том 5, Артикул: 27 (2022) Цитировать эту статью

1608 Доступов

Подробности о метриках

Загрязнение воды патогенами оказывает огромное влияние на здоровье человека во всем мире. В частности, вирусы создают уникальные проблемы для методов очистки воды из-за их небольшого размера и присутствия в воде как в виде отдельных вирионов, так и при поглощении более крупными частицами. Низкоэнергетические процессы очистки воды, такие как фильтрация в среде, не способны полностью удалить вирусы из-за их небольшого размера. Следовательно, обычно требуются менее устойчивые процессы с высоким потреблением химикатов или энергии, такие как химическая дезинфекция, ультрафиолетовое облучение и мембранная фильтрация. Чтобы преодолеть высокие энергетические и/или химические требования для обработки вирусов, в этой работе представлены конструкции устойчивых волоконных фильтров, изготовленных из минимально обработанных природных материалов для эффективного удаления вирусов (MS2) и бактерий (E. coli). Эти фильтры были созданы путем функционализации легкодоступных натуральных волокон, включая хлопок, шелк и лен, простым водным экстрактом, содержащим катионные белки из семян Moringa oleifera. Предлагаемые фильтры предлагают комплексное недорогое, низкое энергопотребление и низкое воздействие на окружающую среду для удаления патогенов из воды с удалением >7log10 (99,99999%) вирусов и бактерий.

Установки по очистке питьевой воды могут выступать в качестве важнейших резервуаров для накопления и выброса вредных биологических и химических загрязнителей, поскольку они существуют на стыке природы и среды обитания человека1. Таким образом, разработка методов очистки воды для удаления загрязнений из воды стала фундаментальной инженерной задачей. Кишечные вирусы человека являются важным загрязнителем воды, который может оказать разрушительное воздействие на глобальное здоровье человека2. Медиафильтрация – это базовая операция очистки воды, имеющая низкую энергоемкость и применимая во всем мире. Однако он обеспечивает лишь частичное удаление вируса, даже в сочетании с химической коагуляцией3. Следовательно, энергоемкая УФ-дезинфекция или химическая дезинфекция хлором широко используются в сочетании с фильтрацией для достижения регулируемых стандартов очистки питьевой воды. Например, Агентство по охране окружающей среды США (EPA) и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) требуют удаления и/или инактивации вируса 4 log10 (99,99%) для питьевой воды4. Другая альтернатива, предложенная для достижения эффективного удаления вирусов, — это энергоемкие и дорогостоящие способы фильтрации на основе нанопористых мембран, такие как ультрафильтрация или нанофильтрация5,6.

Усилия по разработке эффективных технологий очистки воды для удаления вирусов представляют собой яркий пример компромисса между качеством чистой воды и соответствующим потреблением энергии для производства7 (рис. 1). Во-первых, использование мембран на основе исключения размера для замены неэффективной традиционной фильтрации приводит к компромиссу между производительностью и достигаемой эффективностью удаления (рис. 1а). Во-вторых, хлорирование, широко используемое в качестве альтернативы или в сочетании с традиционной фильтрацией, приводит к образованию побочных продуктов дезинфекции (ППД), которые связаны с раком и другими последствиями для здоровья8. Альтернативные технологии дезинфекции, рассматриваемые для смягчения этих неблагоприятных последствий для здоровья, таких как озон и УФ-облучение, опять же, являются дорогостоящими и энергоемкими9. Если сравнить затраты энергии на обработку необходимых материалов и химикатов среди доступных методов, то общая потребность в энергии для большинства технологий дезинфекции (за исключением хлорирования) находится на одном уровне с энергоемкой мембранной фильтрацией (рис. 1б). Недавние исследования предлагают химическую функционализацию мембран низкого давления или специальные методы изготовления мембран, такие как электропрядение и использование нановолокнистых материалов, для повышения энергоэффективности мембранной фильтрации10,11,12,13. Однако необходимость в передовых стратегиях изготовления/модификации препятствует их широкому использованию. Поэтому для преодоления проблем с лечением вирусов крайне важно разработать новые методы фильтрации, которые смогут преодолеть компромисс между производительностью и эффективностью (рис. 1а) с использованием материалов с низкой встроенной энергией. Минимально обработанные натуральные материалы с низким углеродным следом и низким воздействием на окружающую среду, такие как те, которые используются в этой работе, могут стать решением этого компромисса.

7.62 for E. coli and 7.65 ± 0.23 for MS2 bacteriophage compared to 0.39 ± 0.51 for E. coli and 0.23 ± 0.20 for MS2 achieved by uncoated cotton filters (Fig. 4a, c). MO-functionalized flax and silk filters also achieved bacteria and virus removal efficiencies similar to MO-cotton filters. The LRE achieved in this study is similar to that achieved by MO-sand filters reported in previous studies21. The advantage of the MO-functionalized fiber filters proposed in this study is that they retain this high removal efficiency at flowrates approximately four times higher than MO-sand filters (Fig. 6a, b). This shows that natural fibers offer an effective substrate for MO protein functionalization compared to sand./p>8 log10 removal of E. coli which is ~8 orders of magnitude higher than uncoated fiber filters. *Indicates that the effluent concentration was below the limit of detection which indicates that the actual removal, in this case, could be higher than the reported values. Note that flax and silk fibers used for column experiments were cleaned in boiling water to remove any impurities that can cause contamination, but this treatment did not show any significant changes in the chemical composition or morphology of the fibers (Supplementary Fig. 1). d Scanning electron microscopy images of uncoated cotton and MO-cotton samples taken from a filter after filtering E. coli show the adherence of the same to the surface of MO-cotton. All the error bars shown in the figure represent the standard deviation calculated from three independent measurements./p>6 log10 E. coli removal up to 10 mL min−1 flowrate and >4 log10 MS2 removal up to 6 mL min−1 (Fig. 6a, b) corresponding to superficial velocities of 3.4 m h−1 and 2.0 m h−1. The decrease in the removal efficiency with an increase in flowrate can be attributed to a decrease in the collision efficiency due to the lower residence time of pathogens in the filter27,28. When compared to practically relevant treatment techniques, these superficial velocities are an order magnitude higher than slow sand filtration (0.1–0.4 m h−1)36 and MO-sand filters from our previous study21 but only slightly lower than the typical superficial velocities in rapid sand filtration (5–15 m h−1)37. As discussed earlier, MO-cotton filters offer smaller mean pore size and higher surface areas compared to sand filters from previous work. We believe a combination of these properties offers advantages in terms of the amount of protein adsorbed per filter and thus higher overall capacity for virus removal./p>6 log10 removals up to a flowrate of 10 mL min−1. b Experimental log10 removal of 108 PFU mL−1 MS2 bacteriophage influent at various flowrates in the range of 2 mL min−1 to 10 mL min−1 show that MO-cotton filters achieve >4 log10 removal up to a flowrate of 6 mL min−1. These flowrates correspond to superficial velocities of 3.4 m h−1 and 2 m h−1 for E. coli and MS2 removal, respectively, which are slightly lower than the typical operating conditions of rapid sand filtration (5–15 m h−1) and higher than slow sand filtration (0.1–0.4 m h−1). c E. coli and MS2 removal efficiencies of MO-cotton filters at a flowrate of 2 mL min−1 after 1 month and 3 months of holding at room temperature. Results show that MO-cotton achieved 7.92 ± 0.22 log10 and >7.7 log10 removal for E. coli after 1 month and 3 months holding, respectively. The MS2 log10 removal efficiencies after 1 month and 3 months holding were 6.34 ± 0.40 and 7.29 ± 0.32. These results show that the pathogen removal efficiency of MO-cotton is retained until 3 months of holding. d E. coli and MS2 removal efficiency of MO-cotton up to 3 cycles of regeneration. The filters were regenerated by first washing with 100 mL of 600 mM NaCl solution and functionalizing with 100 mL of MO water extract. The removal efficiency of regenerated columns was measured at 10 mL min−1 for E. coli and 6 mL min−1 for MS2. It was shown that the MO-cotton columns remove bacteria and viruses effectively up to 3 cycles of regeneration. *Indicates that the effluent concentration was below the limit of detection which indicates that the actual removal, in this case, could be higher than the reported values. Error bars represent the standard deviation calculated from three independent measurements./p>1011 colony forming units (CFU) of bacteria before reaching saturation. This translates to >107 column volumes for even a heavily-contaminated source water (100 CFU mL−1 of bacteria) indicating the high capacity of MO-cotton filters. The filters also did not show any susceptibility to biofouling during this long-term experiment. The estimate of a lifetime from laboratory experiments is expected to decrease in field applications due to the complex composition of natural water. To understand the effect of the water matrix, pond water containing high total organic carbon (TOC ~6 mg mL−1) spiked with E. coli was tested with MO-functionalized sand filters. The results show that the column capacity decreases approximately by half due to the effect of TOC (Supplementary Fig. 5b). As the pond water used for this preliminary experiment was collected from a local water source, accurate determination of the composition of natural organic matter was not possible. A detailed study with a careful variation of concentrations and composition of natural organic matter (NOM) considering the available pre-filter and pre-treatment options for the removal of NOM is an important future area of inquiry./p>