הפוטנציאל של פחמן מופעל בהסרת תרופות משפכים

האתגר הצומח של תרופות זיהום במים

תרופות במי פסולת מייצגים אתגר סביבתי וציבורי גובר על תרכובות אלה, כולל אנטיביוטיקה, כאבים, הורמונים, תרופות נוגדות דיכאון, להיכנס מערכות מים באמצעות ריגוש אנושי, סילוק לא תקין של תרופות לא בשימוש, ושחרור תעשייתי.בניגוד רבים של חומרים נוגדי זיהום מסורתיים, תרופות נועדו להיות פעיל ביולוגית בריכוזים נמוכים, מה שהופך את נוכחותם בגופים מים לדאגה אפילו ברמות מעקב.

בין הטכנולוגיות שנבחנו כדי להתמודד עם הפער הזה, פחמן מופעל צבר תשומת לב משמעותית ליכולתו למודעות מגוון רחב של contaminants אורגניים, כולל תרופות.שטח פני השטח הגבוה שלו, מבנה ⁇ , ועלויות נמוכות יחסית הופכות אותו לאפשרות מעשית הן לשדרג את צמחי הטיפול הקיימים והן בתכנון מערכות חדשות. מאמר זה מספק מבט מעמיק על הפוטנציאל של פחמן מופעל להסרת תרופות, המכסה את שיקולים שלה, מעשי, וסיכויים עתידיים, וסיכויים עתידיים, וסיכויים.

פיתוח פחמן: מבנה וייצור

פחמן מופעל הוא צורה מעובדת של פחמן עם רשת פואר פנימי מפותחת מאוד שנותנת לו שטח משטח גדול במיוחד עבור מסה יחידה.אזורי משטח טיפוסי טווח בין 500 ל-1,500 מ"ר /g, המאפשרת לו מלכודות מולקולות באמצעות מודעות פיזיקליות.חומרי הגלם המשמשים לייצור כוללים קליפות קוקוס, עץ, פחם (anthracite או bituminous), ו-Eft.

פחמן

בפחמן, החומר הגולמי מחומם לטמפרטורות גבוהות (400-900 מעלות צלזיוס) בהיעדר חמצן.זה מסיר רכיבים תנודתיים ומשאיר כריז עשיר פחמן עם מבנה פואר רימנטרי.הכריז יש כמה יכולת מודעות, אבל זה נמוך יחסית.

Activation

הפעלת פעילות גופנית מגבירה את הנפיחות ואת פני השטח.יש שתי שיטות הפעלה עיקריות: הפעלה תרמית (פיזית) הפעלה כימית הפעלה תרמית, כריז נחשפים לחמצן גזים כגון קיטור, פחמן דו חמצני, או אוויר בטמפרטורות מעל 800 מעלות צלזיוס. זה שורף את מוצרי דה-קוגניציה ויוצר פעולות כימיות.

תכונות מפתח עבור תרופות אדמירטיביות

לא כל פחמן מופעל יעיל באותה מידה עבור הסרת תרופות.נכסים חשובים כוללים הפצה בגודל pore (מיקרופולס (FLT:0) 50 nm), קבוצות פונקציונליות משטח (למשל, carboxyl, hydroxyl, lactone), ואת שטח משטח ספציפי משטח. תרופות הם מולקולות אורגניות גדולות יחסית, כך mesopores לעתים קרובות לשחק תפקיד חיוני כדי לאפשר גישה micropores וספק אתרים מחייב, בנוסף לאינטראקציות ספציפיות כגון חומרים כימיים, כגון חומרים כימיים או חומרים ספציפיים.

מכניזם של תרופות מונע על ידי פחם פעיל

פחמן מופעל מסיר תרכובות תרופות בעיקר באמצעות מודעות, תהליך שבו מולקולות לדבוק על פני השטח ו pores של פחמן.הכוחות העיקריים מעורבים הם כוחות ואן דר ו מטרות, אינטראקציות הידרופוביות, ⁇ -ערימה (בין טבעות ארומטיות של תרכובות ומטוסי פחמן בלס), ואינטראקציות אלקטרוסטטיות (אם פני פחמן או מולקולה פולית נושאת מטען) וקשר משותף יכול להתרחש גם עם מקרים כימיים מסוימים, במיוחד.

תהליך המודעות מושפע מתכונות של הן המודעות (רוקנות) והן את המודעות (פחמן פעיל) גורמים מרכזיים כוללים את הגודל המולקולרי, הצורה, הקוטביות, הסוללות, ומדינת ההון של התרופות, כמו גם את ה- pH בגודל התפלגות גודל וכימיה מופעלת של פחמן. לדוגמה, תרכובות הידרופוביות (עם גבוה Kow) נוטים לערכים אלקטרו-קוגניבהיים אלה, בעוד מנגנונים אלקטרו-אפטיים עשויים להיות מעורבים יותר, כגון משיכה גבוהה יותר, כגון משיכה נמוכה יותר, כגון פחמן-דלקתיים, כגון, כגון משיכה גבוהה, כגון פחמן-חמצני.

מודעות הן עודms

היחסים בין כמות המודעות לתרופות לבין ריכוזו בפתרון באיזון מתוארים על ידי פרסומות של מודעות, כגון דגמי Langmuir ו Freundlich.מודלים אלה מספקים תובנות לתוך יכולת המודעות ואת הכדאיות בין התרופות לבין פחמן. high-affinity Adsorption פירושו שגם בריכוזים נמוכים, חלק משמעותי של המתחם יכול להיות חשוב - להשגת ריכוז נמוך הנדרש.

גורמים המשפיעים על מודעות

1. תכונות תרופות

משקל מולקולרי, מבנה וקבוצות פונקציונליות לקבוע אם תרכובת יכולה להיכנס ל pores ולקשור ביעילות. מולקולות גדולות יותר עשוי להיות מחוץ מיקרו-פוחיות. תרכובות לא קוטבית, ארומטיות (למשל, אנטיביוטיקה רבים) בדרך כלל מודעות בשל אינטראקציות הידרופוביות ו ⁇ - ⁇ - ⁇ - ⁇ - ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

• (FLT:0)pH:BuildFLT:1 משפיע על מצב ההיגוי של תרופות ועל בסיס פני השטח של פחמן מופעל.לדוגמה, תרופות חומציות הן מודעות טובות יותר ב pH נמוך כאשר הן נייטרליות, בעוד תרופות בסיסיות הן מודעות טובות יותר ב pH גבוה.
• (FLT:0) חומר אורגני מפוכח (DOM): חומר אורגני טבעי בשפכים מתחרים על אתרי מודעות ועלולים לחסום את הנקבוביות, צמצום יעילות הסרת התרופות.
• (FLT:0) Temperature:FLT:1 Adsorption הוא בדרך כלל זניח, כך טמפרטורות נמוכות יותר עשויות לטובת מודעות, אך ההשפעה היא לעתים קרובות קטנה בהשוואה לגורמים אחרים.
• כוח אלקטריק:0 (Ionic Power: FLT:1) ריכוזי מלח גבוהים יכולים להשפיע על אינטראקציות אלקטרוסטטי ועשויים להגביר או לעכב מודעות בהתאם למערכת.

3.מופעל פחמן Characteristics

כאמור, מבנה pore וכימיה פני השטח הם קריטיים.פחמן עם שיעור גבוה של mesopores הם טוב יותר עבור מולקולות תרופות גדולות יותר. oxidation Surface יכול להציג קבוצות המכילות חמצן כי להגדיל את הידרופיליות, אולי להפחית מודעות של תרכובות הידרופוביות אבל מאפשר אינטראקציות חדשות עבור תרכובות קוטבי.פח עם קבוצות משטח בסיסיות (למשל, באמצעות טיפול תרופתי) יכול לשפר את המודעות של תרכובות חומציות.

4.תנאי תפעול

זמן מגע, מודעות מינון, ושילוב משפיעים על שיעור והיקף המודעות. במערכות זרימה רציפה (למשל, עמודות קבועות), קצב זרימה וזמן השפעה עמוקה על המיטה.עבור פחמן מופעל אבקה (PAC) הוסיף לטנקים טיפול, המינון וזמן מגע חייב להיות מותאם כדי להשיג הסרה הרצויה ללא שימוש פחמן מוגזם.

סוגים של פחמן מופעל בטיפול פסולת

אבקה מופעלת פחמן (PAC)

PAC מורכב חלקיקים בסדר (בדרך כלל <0.1 מ"מ) והוא הוסיף ישירות לתהליך הטיפול כזחלות.זה מציע שטח משטח גבוה קינטיקה מהירה בשל גודל חלקיקים קטן.עם זאת, זה לא יכול להיות regenerated בקלות והוא בדרך כלל מפורש לאחר השימוש (לעתים קרובות in aducated מים) משמש בדרך כלל בטיפול מים שתייה, יכול להשתלב לתוך קיים פצעים מופעלים (CTs) כדי לשפר את תהליך ה-הת של נוזל ה-המניעה.

גרנול הפעיל פחמן (GAC)

GAC יש גדלים חלקיקים גדולים יותר (בדרך כלל 0.4-2.5 מ"מ) והוא משמש בעמודות קבועות או נעות שטוחות. מים זורמים דרך מיטת GAC, ואת הפחמן ניתן לשחזר באתר באמצעות שיטות תרמיות ושימוש מחדש. מערכות GAC משמשים נרחב לטיפול tertiary בצמחי פסולת ולטיהור מים מתקדם.

צורות אחרות: פחמן מופרך ומבוטל

פחמן מופעל extruded מופעל (EAC) נוצר על ידי extruding תערובת של פחמן אבקה וקשור לתוך אגן ציlindrical pellets.אלה יש כוח מכני גבוה יותר ירידה בלחץ נמוך בעמודות. פחמן מופעל מופעל מופעל מופעל מופעלת משונים עם כימיקלים (למשל, כסף, יוד, או תחמוצמי מתכת) כדי לכוון contaants ספציפי עבור, באופן כימי, עם תרופות נוגדות פחמן פעיל, או פחמן, עם חומרים כימיים (למשל, עם חומרים כימיים) עם חומרים כימיים פעילים.

חידוש וחידוש של Spent Active Carbon

אחת התכונות האטרקטיביות של פחמן מופעל, במיוחד GAC, היא הפוטנציאל של חידוש ושימושים מרובים.התחדשות מפחיתה פסולת ועלויות תפעוליות.השיטה הנפוצה ביותר היא חידוש תרמי, שבו פחמן מוחם ל 800-1,000 מעלות צלזיוס באווירה מבוקרת.תהליך זה מתייבש או מגרעות גזיפיות אורגניות, לשחזר את המבנה התרמי.

שיטות התחדשות חלופיות

• (FLT:0Chemical Regeneration: FLT:1 שימוש בפתקים, חומצות או בסיסים לתרופות desorb.זה פחות אנרגיה אינטנסיבית אבל יכול לייצר פסולת משנית והוא עשוי להיות פחות יעיל עבור תרכובות מאוד חוצות.
• (FLT:0)התחדשות ביולוגית: FLT:1 מיקרואורגניזמים יכולים לזלזל בפרסומות או אורגנים, ביעילות ניקוי הפחמן.גישה זו עדיין ניסיונית עבור תרופות, אך מראה הבטחה לכמה תרכובות ביו-מרוד.
• (FLT:0) התחדשות אלקטרונית: FLT:1 החל זרם חשמלי כדי חמצון מודעות או מדבקים.שיטה זו מתפתחת ומציעה פוטנציאל להתחדשות תוך שינוי ללא הסרת הפחמן מהכור.
• (FLT:0Microwave regeneration: FLT:1) שימוש באנרגיה מיקרוגל כדי לחמם את פחמן במהירות וסלקטיבי, צמצום צריכת האנרגיה בהשוואה לשיטות תרמיות קונבנציונליות.

בחירת שיטת ההתחדשות תלויה בטבען של התרופות המודעות, סוג הפחמן, וגורמים כלכליים. עבור כמה יישומים, במיוחד עם PAC, ניוון עשוי לא להיות יעיל עלות, ואת פחמן מובזבז הוא disposed של במזומנים או incinerated.

השוואה עם טכנולוגיות טיפול אחרות

פחמן מופעל אינו האפשרות היחידה להסרת תרופות. תהליכי טיפול מתקדמים אחרים כוללים אוזון, תהליכי חמצון מתקדמים (AOPs), סינון קרום קרום (ננות ותנומוזיס הפוכה), וטיפול ביולוגי עם מיקרואורגניזמים מיוחדים.כל אחד יש את נקודות החוזק והחולשות שלו.

עוץ

אוזון יכול למעשה לחמצן תרכובות תרופות רבות, אבל זה יכול גם ליצור תוצר לוואי מזיק (למשל, ריבאונד במים המכילים ברום) ולא יכול להשיג מינרליזציה מלאה. Ozonation הוא לעתים קרובות בשילוב עם פחמן פעיל או פוסט טיפול ביולוגי כדי להסיר תוצרי לוואי.

תהליכי Oxidation מתקדמים (AOPs)

AOPs (למשל, UV / H2O2, פנטון, photocatalysis) לייצר רדיקלים הידרוקסיל תגובתיים מאוד שיכולים לדרג כמעט כל זיהום אורגני.הם חזקים אך עוצמתיים אך אנרגיה ועלולים לדרוש תוספים כימיים.על ידי תוצרי לוואי יכולים להיות דאגה, והתהליך הוא פחות מבוסס לטיפול במים עירוניים גדולים.

Membrane Filtration

ננומטרה ותנומטרוזיס הפוכה יכולים לדחות אחוז גבוה של תרופות, לייצר permeate נקי.עם זאת, membranes נוטים לטעון, לדרוש לחץ גבוה, לייצר retent מרוכז כי יש לטפל עוד. הבירה ואת עלויות התפעוליות גבוהות יותר מאשר מופעל פחמן עבור יישומים רבים.

טיפול ביולוגי

תרופות מסוימות הן biodegradable, וחיידקים מיוחדים או פטריות ניתן להשתמש כדי להפיג אותם.עם זאת, תרכובות רבות הם redecitrant, ותהליכים ביולוגיים עשויים לא להשיג ריכוזים נמוכים מספיק יעיל.שלב פחמן פעיל עם טיפול ביולוגי (למשל, בתהליך PACT או כביומטריה לאחר טיפול) יכול להסיר באופן סינרגי גם שאינו ניתן לגילוי ביולוגי.

בסך הכל, פחמן מופעל מציע איזון של יעילות, עלות ופשטות, במיוחד להסרת ספקטרום רחב של תרופות.זה יכול להיות מיושם כטיפול חד פעמי או משולב במערכות קיימות.

תוצאות חיפוש ויישומים אמיתיים

כמה צמחי טיפול במים שפכים בהצלחה פחמן מופעל להסרת תרופות.לדוגמה, ה- 0Neugut WorldTP בשווייץcioFLT:1 (אחד הראשונים להשתמש GAC להסרת מיקרו-פולנטי תחת חוק הגנת המים השוויצרי) השיג שיעורי הסרת >80% עבור תרופות רבות.

במחקרי טייס, החוקרים בחנו פחמן פעיל בשילוב עם אוזון.הפרויקט של ההרחבה:0EU DEMEAUFLT:1 (2012–2015) העריך את ההסתה של GAC בקנה מידה מלא במספר אתרים אירופיים ודיווח כי GAC יכול להסיר ביעילות את רוב התרופות עבור עד כמה חודשים לפני פריצת דרך.משך ההסרה היעילה תלויה בסוג הפחמן, איכות, וריכוז חומר אורגני אלה הוא למעשה דוגמה יעילה של פחמן-עולם יעיל של פחמן-פחמן.

למידע מפורט יותר, מומלץ להתייעץ עם המשאבים של הסוכנות למזהמים של דאגה מתפתחת: 1 ו-FLT:2 WHO Fact גיליון על תרופות בשתיית מים:

אתגרים ומגבלות

בעוד פחמן מופעל יעיל, יש לטפל כמה אתגרים כדי למקסם את הפוטנציאל שלה להסרת תרופות משפכים פסולת.

• (FLT:0)תחרות מחומר אורגני טבעי: DOMFIRLT:1 DOM במי שפכים יכול להפחית באופן משמעותי את יכולת המודעות לתרופות על ידי השתלטות על אתרים מחייבת.תחרות זו היא אחת המגבלות העיקריות, במיוחד אצל effluents משניים עם רמות DOM גבוהות.
• (FLT:0)Variability in פרמצבציה: FLT:1 שפכים מכילים תערובת מורכבת של מאות תרכובות פרמצבטיות, כל אחד עם תכונות מודעות שונות.סוג פחמן מופעל יחיד עשוי לא להיות אופטימלי עבור כל תרכובות, ועיצוב חייב למקד את המיקומים המקדימים ביותר או הנפוצים.
• (FLT:0) רוויה ופריצה: FLT:1hil; עם הזמן, הפחמן הופך רווי וחייב להיות מוחלף או מוקרן מחדש.זמן פריצת הדרך - כאשר ריכוזים קשים עולה על רמת מטרה - הוא בלתי צפוי ללא פיקוח תקין ומודלים.
• (FLT:0) של פחמן מובזבז:FreaLT:1; אם לא regenerated, בילה פחמן המכיל תרופות מרוכזות הופך פסולת מסוכנת הדורשת טיפול זהיר, אי-סילוק, או סילוק קרקעות עם שליטה על חסימה.
• (FLT:0) Cost:BuildFLT:1 בעוד פחות יקר מאשר מלמבריונים או AOPs עבור מקרים רבים, העלות של רכש פחמן פעיל והתחדשות יכול עדיין להיות משמעותי עבור צמחים גדולים.

כיוונים עתידיים למחקר

כדי לשפר את הביצועים של פחמן מופעל להסרת תרופות, החוקרים בוחנים מספר גישות חדשניות.

1.החלו פחמן מופעל

שינוי הכימיה או המבנה הפותחת של פני השטח כדי לכוון משפחות תרופות ספציפיות.לדוגמה, הצגת קבוצות המכילות חנקן כדי לשפר את המודעות של תרופות חומציות, או יצירת מבנים שכירי חרב היררכיים לשיפור העברת ההמונים.

חומרים משותפים ו היברידיים

שילוב פחמן מופעל עם חומרים אחרים, כגון מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs), חלקיקים מגנטיים (עבור הפרדה קלה), או ביושר, כדי ליצור מורכב עם תכונות סינרגיסטיות. פחמן מופעל מגנטי יכול להיות התאושש באמצעות שדות מגנטיים, מפשט את ההתחדשות במערכות PAC.

3.שילוב עם תהליכים ביולוגיים

באמצעות פחמן מופעל כתומך ביו-סרטים (למשל, במסננים המופעלים ביולוגית) לשלב מודעות ו biodegradation. גישה זו יכולה להאריך את חיי הפחמן על ידי מתן מיקרואורגניזמים מחוברים כדי להפחית פרסומות או תרופות מעוטות ב situ.

4 טכניקות התחדשות מתקדמות

פיתוח שיטות התחדשות יעילות ופחות אנרגיה, כגון חידוש אלקטרוכימי או מיקרוגל, כדי להפחית עלויות תפעול והפסדי פחמן.

5. מעקב בזמן אמת ומודל

באמצעות חיישנים ומודלים חיזוי כדי להתאים את השימוש בפחמן, לחזות פריצת דרך, מחזורי התחדשות אוטומטי. אלגוריתמי למידת מכונה מפותחים כדי לחזות ביצועים של מודעות המבוססות על איכות מים ונתונים תפעוליים.

מסקנה

פחמן מופעל מציע פתרון מוכח והתאמה להסרת תרופות ממי פסולת.יכולת המודעות הגבוהה שלה, עלות נמוכה יחסית, ויכולת להיות regenerated להפוך אותו אופציה אטרקטיבית לטיפול מיקרו-פולנטים שנמלטים טיפול קונבנציונלי. עם זאת, יישום מוצלח דורש שיקול זהיר של כימיה מים, פחמן סוג, ופרמטרים תפעוליים.

ככל שהלחץ הרגולטורי להפחית את זיהום התרופות גדל - שהודגם על ידי ההנחיות המתוקנות של האיחוד האירופי מים והאסטרטגיה השוויצרית על מיקרו-פולנטים - פחמן ממונע עשוי לשחק תפקיד מרכזי יותר ויותר בטיפול במים שפכים. על ידי שילוב פחמן מופעל עם טכנולוגיות אחרות וקידום ההבנה שלנו של מנגנוני מודעות, אנו יכולים להתקדם לקראת טיהור מים יעיל ובר קיימא יותר, שמגן על בריאות האדם ועל מערכת אקולוגית קוית.

לקריאה נוספת, ראה את הסקירה הביקורתית של מודעות לתרופות מפתרונות queoussFLT:1 במדעי הסביבה & טכנולוגיה, ואת מדריך FLT:2practical מן המים באינטרנט על פחמן מופעל עבור הסרת מיקרו-פולוטימנטאלי 3.