Effect of organic matrix on the adsorption of selected antibiotics and antiretroviral drugs from drinking water onto activated carbon - Ilomäki, Johannes (2023)
Luonnollisen orgaanisen aineksen (NOM) määrä pintavesistöissä on kasvanut, minkä lisäksi niissä on havaittu ympäristölle haitallisia lääkeainejäämiä. Kun suuri osa Suomenkin juomavedestä on peräisin pintavesilähteistä, tulee sen puhdistamista kehittää kasvavien haitta-ainepitoisuuksien myötä. Aktiivihiilisuodatus on tehokas keino juomavedenpuhdistuksessa liuenneen orgaanisen hiilen (DOC) ja eri mikropollutanttien, kuten lääkeaineiden, poistossa. Tässä tutkimuksessa tutkittiin ravistelukokeiden avulla, miten erilaiset aktiivihiilet poistavat vedestä metyleenisineä (MB), DOC:tä ja neljää fysikaalis-kemiallisilta ominaisuuksiltaan erilaista lääkeainetta; sulfametoksatsolia (SMX), trimetopriimia (TMP), lamivudiinia (3TC) ja nevirapiinia (NVP). Käytössä oli kaksi kaupallista aktiivihiiltä ja kaksi kehitysvaiheessa olevaa, puusta (R&D puu) ja turpeesta (R&D turve) valmistettua aktiivihiiltä. Kokeissa tutkittiin myös, miten DOC:n (2,5–3,6 mg/l) läsnäolo vedessä vaikuttaa lääkeaineiden (2–10 mg/l) poistumiseen, lisäämällä lääkeaineet vedenpuhdistamolta saatuun kemiallisesti saostettuun veteen. DOC:n ja lääkeaineiden analysointiin käytettiin TOC-analyysiä, korkean erotuskyvyn kokoekskluusiokromatografiaa (HPSEC) ja massaspektrometriaa (LC-MS/MS). Langmuirin ja Freundlichin isotermejä käytettiin adsorptiomekanismien tutkimiseen ja adsorptiokapasiteettien laskemiseen. Adsorptiokapasiteetit R&D puulla ja R&D turpeella MB:lle olivat 107,5 ja 87,7 mg/g, ja kaupallisilla 16,1 ja 75,8 mg/g. Aktiivihiilten kapasiteetit DOC:lle vaihtelivat välillä 4,3–16,1 mg/g. Kapasiteetit ultrapuhtaassa vedessä oleville lääkeaineille vaihtelivat välillä 10,8–29,1 mg/g SMX:lle, 4,0–29,7 mg/g 3TC:lle ja 10,8–87,0 mg/g NVP:lle. Kapasiteettia TMP:lle ei voitu laskea sen täydellisen poistumisen vuoksi. DOC:n läsnäolo vedessä todella heikensi lääkeaineiden poistumista: aktiivihiilien adsorptiokapasiteetti SMX:lle laski enimmillään 82 %, 3TC:lle 59 % ja NVP:lle 80 %. Myös TMP:n kohdalla oli havaittavissa adsorption heikkenemistä. MB ja lääkeaineet adsorboituivat yhteen kerrokseen (Langmuir), DOC:n adsorboituessa useampaan kerrokseen aktiivihiilen pinnalle (Freundlich). Adsorptioon näytti vaikuttavan ainakin veden pH, yhdisteiden pKa-arvo ja vesiliukoisuus, sekä aktiivihiilten tuhkapitoisuus ja huokoskokojakauma. Yhdisteiden pKa arvot olivat TMP:tä lukuunottamatta alhaisia, joten niiden ja DOC-molekyylien toisiaan hylkivät negatiiviset pintavaraukset saattoivat heikentää adsorptiota. Molekyylikoot ja aktiivihiilten huokoskoot voivat toimia myös selittävinä tekijöinä DOC:n ja lääkeaineiden erilaisiin adsorptioihin. Tulosten mukaan tuotekehityksen alla olevat R&D-hiilet ovat täysin vertailukelpoisia kaupallisten, sekä muissa tutkimuksissa käytettyjen aktiivihiilten kanssa, minkä perusteella voidaan niiden katsoa soveltuvan juomaveden puhdistukseen. Jatkotutkimuksia kolonnikokeilla tarvitaan.