Filtrace vody nanotextilií
Článek popisuje experiment verifikující možnosti využití nanotextilních materiálů pro oblast filtrace mikrobiologicky znečištěné vody. Hlavní předností tohoto postupu při úpravě kontaminované vody by byla úplná absence chemických látek, které následně zůstávají v desinfikované vodě při použití chemického čištění, a mohou se tak podílet na degradaci biologických reakcí v organismu.
1. ÚVOD
Voda je jednou ze základních podmínek pro život na Zemi. Důsledkem rostoucí lidské populace, zvyšujícího se znečištění zdrojů vody a možných klimatických změn, které mohou znehodnotit či zničit zdroje vody, se v brzké době muže stát zejména kvalitní pitná voda nedostatkovým zbožím. Již dnes není v některých rozvojových oblastech pitná voda běžne dostupná. Odhady Světové zdravotnické organizace (WHO) hovoří zhruba o 1,2 miliardy lidí, kteří nemají přístup k čisté pitné vodě. Rocně zemřou dva miliony lidí na následky nemocí z kontaminované vody, většinou se jedná o děti a staré lidi. Nejvetší problém představují ve znecištěné vodě bakterie a viry, které zpusobují i závažné zdravotní problémy, jejichž důsledkem muže být i smrt. Toto znečištění je možno odstranit buď chemickou cestou, filtrací nebo kombinací těchto metod. Technický pokrok přináší nové technologie a materiály, které mohou vést k dalším možným variantám úpravy vody.
Jednou z možných variant by mohla být aplikace nových filtračních prostředků s velmi malými velikostmi póru, které by byly schopny zachytit všechny, nebo alespon většinu z nežádoucích nečistot. Jako vhodný materiál se nabízí nanotextilie. Nanotextilie je netkaná textilie tvořená vlákny o velikosti 50-300 nm. Velikost póru se pohybuje v řádu desítek nanometru. Teoreticky by tedy filtr z nanotextilie mel být schopen zachytit bakterie, jejichž velikost se pohybuje mezi desetinami až desítkami mikrometru. V případě filtrace viru by rozměry póru musely být menší, velikost viru je od 20-300nm.
Tuto hypotézu jsme se rozhodli ověřit v laboratorních podmínkách na různých nanotextilních materiálech. Pokud by vzorky nanotextilií dokázaly zachytit nebezpecné bakterie, případne viry, nabízela by se další možnost snadné a levné úpravy kontaminované vody, bez použití chemikálií.
2. MATERIÁL A METODY
2.1 Použité materiály
Pro experiment byly použity materiály viz tab.1. Vzorek byl kruhového průřezu o průmeru 50 mm.
| Materiál | Plošná hmotnost [gms] | Průměr vláken [nm] |
|---|---|---|
| PA 612 na matrici z viskózy | 0,7 | 100-400 |
| Tecoflex na PP spunbond | 3,3 | 100-300 |
| PUR na PP spunbond | 8,1 | 400-600 |
Tab 1. Použité materiály
2.2 Metodika
Jako testovací mikroorganismy byly použity bakterie Escherichia coli a Micrococcus luteus získané z CCM. Tyto bakterie jsou jedním z indikátoru fekálního znecištení vody.
Velikosti bakterií:
Escherichia coli: 1,1 - 1,5 x 2-6μm [1]
Micrococcus luteus: 0,5 - 2 μm [2]
Sterilizace nanotextilie UV zářením 4 hodiny.
Živná média:
Živný bujón c. 2 (Imuna, Šerišské Michalany)
Nutrient Agar No. 2 (Himedia, India) pro stanovení Micrococcus luteus
Endo - agar (Merck, Germany) pro stanovení Escherichia coli
Sterilní bujón byl inokulován E.coli a Micrococcus luteus. Po 24hodinové kultivaci při 37 °C (E.coli), resp. 30 °C (M. luteus) byly 2 ml kultury inokulovány do 198 ml sterilní destilované vody, takto připravený roztok byl přefiltrován přes nanotextilii umístěnou na Saitzove nálevce. 100 ml filtrátu bylo za pomoci vodní vývěvy přefiltrováno přes sterilní membránový filtr. Filtr byl poté položen na Petriho misku s živným médiem a inkubován 72 h. Pro zjištení přítomnosti E.coli byl použit Endo - agar (Merck, Germany), kultivační teplota 37 °C po dobu 72 h, pro zjištení přítomnosti Micrococcus luteus byl použit Nutrient Agar No. 2 (Himedia, India), kultivační teplota 30 °C po dobu 72 h. Na filtrech pak byly spočítány narostlé kolonie bakterií.
3. VÝSLEDKY
Srovnání použitých materiálů je uvedeno v tab.2.
4. DISKUSE
Experimentální výsledky nepotvrdily teoretické předpoklady, že velikost póru vybraných nanotextilií zabrání průniku bakterií. Filtrovaná kapalina, s výjimkou PUR, byla přefiltrována přes nanotextilii, avšak při vyhodnocení bylo prokázáno znečištění bakteriemi. Silnější nanotextilie z PUR již nebyla k filtraci vhodná z důvodu nepropustnosti vody (příliš velká vrstva). V případě použití tří vrstev z PA612 byl zaznamenán rozdílný počet kolonií před a po filtraci. Po filtraci došlo ke snížení počtu bakterií o dva řády. Takový obsah mikrobiologického znečištění je sice stále zdraví škodlivý, ale technologie uspořádání filtru může naznačit směr, kterým dále postupovat.
Důvodů, proč bakterie pronikly nanotextilií, by mohlo být několik:
Otvory v nanotextilii byly príliš velké. Možným řešením by bylo snížit velikost póru zmenšením průměru nanovláken a zvětšením nanotextilní vrstvy (plošná hmotnost nanotextilie). Nutno však nalézt vhodný poměr velikosti pruměru vlákna a vrstvy, aby nedošlo k naprosté nepropustnosti.
Nanotextilní vrstva mohla být poškozena při výrobě či manipulaci, bakterie prošly defektem. Výroba nanotextilie pomocí elektrospiningu vykazuje vysokou kvalitu nanotextilie, tudíž defekt při výrobě lze téměř eliminovat. Může však dojít k mechanickému poškození při manipulaci a přepravě. Řešením by byla důkladná kontrola použitých materiálů, nebo použití více vrstev. Použitím více vrstev by se podstatně eliminovala možnost průniku bakterií filtrem s defektem.
Další možností jak zabránit pronikání bakterií by byla modifikace vrstvy látkou, která bakterie zabije. Zde by šly využít nanočástice stříbra, které mají dobré antibakteriální vlastnosti, nebo další antibakteriální prostředky. Lze však očekávat podstatnější navýšení ceny takto upravených filtrů, což by mohlo způsobit nekonkurenceschopnost při srovnání s chemickou úpravou vody. Chemická úprava bakterie sice zabije, ale na rozdíl od filtrace mrtvé bakterie zůstávají ve vodě. Z uvedených úvah tedy plyne, že nejlepším řešením filtru by bylo použití několika vrstev nanotextilie s dostatecně malými póry. Nanotextilie by zachytila bakterie a vícevrstvé rešení by eliminovalo průnik mikroorganismu případným mechanickým poškozením. Na snímcích z elektronového mikroskopu (obr.1, obr.2, obr.3, obr.4) jsou zachyceny bakterie na vzorcích z PUR a PA612.
 Obr.1. Bakterie Escherichia coli zachycena na nanotextilii z PA612 1.vrstva (zvetšeno 2500x) |
 Obr.2. Bakterie Escherichia coli zachycena na nanotextilii z PA612 2.vrstva (zvetšeno 2500x) |
|
 Obr.3. Bakterie Escherichia coli zachycena na nanotextilii z PA612 3.vrstva (zvetšeno 2500x) |
 Obr.4. Bakterie Escherichia coli zachycena na nanotextilii z PUR (zvetšeno 2500x) |
|
Na obr.1,2,3 jsou zachyceny bakterie E.Coli na jednotlivých vrstvách filtru z PA 612 (obr.1 první vrstva, obr.2 druhá vrstva, obr.3 tretí vrstva). Na snímcích je patrný úbytek počtu bakterií. Jak bylo uvedeno, ve filtrované kapalině se při použití tohoto filtru snížil počet bakterií o dva řády. Lze tedy diskutovat, zda by bylo možno docílit 100% filtrace bakterií použitím většího množství vrstev. Na Obr. 4 je snímek nanotextilie z PUR. Tento materiál měl podstatně větší plošnou hmotnost (vetší tlouštka nanotextilie) i větší průměr vláken. Na snímku lze pozorovat zachycené bakterie na povrchu textilie, vrstva nanotextilie byla však již příliš velká, a nepropouštěla filtrovanou kapalinu ani za podtlaku.
Dalším cílem práce tedy bude hledat optimální velikost průměru nanovláken, tlouštku vrstvy a počet vrstev filtru z nanotextilie. Výsledkem výzkumu by měl být závěr o vhodnosti použitých druhu nanotextilie k filtraci vody, případně návrh filtračního zařízení k úpravě pitné vody bez použití chemických látek.
PODĚKOVÁNÍ:
Příspěvek byl financován s podporou interní grantové agentury Mendlovy zemědělské a lesnické univerzity v Brně - Fakulty Agronomické č. 2102/IG290161.
LITERATURA
1] GARRITY, M.G. At al. Bergey´s Manual of Systematic bacteriology, second edition, Volume two, The Proteobacteria. Michigan State University, 2005, ISBN-10: 0-387-24144-2.
[2] HOLT, J.G. Bergey´s At al. Manual of Determinative Bakteriology, Ninth edition, Baltimore: Wiliams Wilkins, 1994, ISBN: 0-683-0063-7
Poznámka recenzenta
Určitě je záslužné prozkoumávat zdánlivě slepé uličky a nedat na první dojem zvláště tehdy, když se nabízí možnost objevů nových efektů vyplývající z použití nových materiálů. Je pak i chvályhodné to udělat důkladně tak, aby nevznikaly pochyby o tom, že se někde vloudila chyba, kvůli které má smysl to zkoušet znovu. Za což bych určitě autory článku a výzkumu pochválil.
Využití nanovláken v čištění vod má určitě svou perspektivu, ale umím si představit, že existuje řada procesů, kde se na první pohled nabízí využití s ohledem na hlavní přednost nanovláken a to jejich velkých povrch. Dokonce bych se rád i jako firma na něčem takovém podílel a případnou spolupráci nabízím. Tj. očekával bych rychlejší úspěch při použití nanovláken např. při sorpčních procesech nebo v článku zmíněných hygienizačních procesech založených na bakteriocidních účincích (tj. využití nanovláken jako katalyzátoru).
Co se týká filtrace, připadá mi pro tento účel prostorová struktura filtru na první pohled komplikovaná hned z několika stránek – výroba takové struktury, otázka regenerace filtru a otázka vhodného materiálu z hlediska smáčivosti. Plošný filtr na první pohled nabízí v tomto ohledu řadu výhod, jako je např. možnost kontinuálního čištění atd. Pokud má vývoj filtrace, možná zkoumání slepé uličky, pokračovat, pak si myslím, že zůstaly ještě nějaké oblasti (možnosti zkoumání) nepovšimnuté – např. vliv materiálových vlastností na filtraci takto malých částic, také velikost otvorů je u deskových membrán zpravidla menší a navíc je tam prokazatelný efekt náplavné filtrace. Co se týká odpovědí na tyto otázky, hledal bych možnou inspiraci u již trochu více prozkoumaných a v praxi ověřených membránový procesů. V každém případě držím palce a jsem zvědavý na další objevy z oblasti, kde jak se říká „hic sunt leontes“.
Ing.Karel Plotěný, jednatel ASIO, spol. s r.o.
The article describes the experiment of verifiable possibilities for using nano-textile materials in the field of microbiological filtration of polluted water. The main advantage of this procedure to clean contaminated water is the total absence of chemical products, which would later remain in the disinfected water if chemical cleaners were used and could contribute to the degradation of biological reactions in the organism. The experimental results have not confirmed the theoretical assumptions that the size of the pores of the selected nano-textiles would prevent the passage of bacteria. The filtered liquid, with the exception of PUR, was filtered through a nano-textile, yet the evaluation still showed bacteria contamination. Stronger nano-textiles with PUR were not appropriate for filtration due to their impermeability (much too large a layer). When three layers of PA612 were used a different number of colonies before and after filtration were recorded. After filtration, the number of bacteria was reduced by two orders. Although that amount of microbiological contamination is still harmful to the health, the technology organisation of the filter may indicate the direction in which further action can be taken.